預(yù)制噴射再生混凝土夾芯內(nèi)墻板設(shè)計及生產(chǎn)*

王 兵，陳 豐，蔣業(yè)浩，金耀華

（揚州職業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 揚州 225009）

預(yù)制墻板是裝配式建筑的重要構(gòu)件，裝配式建筑的發(fā)展促進了預(yù)制墻板設(shè)計和制作水平的不斷提高。預(yù)制夾芯墻板是最主要的預(yù)制裝配式墻板之一，其將墻體保溫層、結(jié)構(gòu)層甚至裝飾面層等集成施工，具有良好的保溫、圍護、分割等功能[1]。沈陽亞泰構(gòu)件廠生產(chǎn)的萬科金域藍灣項目非承重夾芯保溫外墻板，從外向內(nèi)由外頁墻、保溫層、內(nèi)頁墻組成，采用組合鋼模，經(jīng)分層混凝土澆筑、振搗、養(yǎng)護制作成型[2]。陳國新等[3]研究的裝配整體式夾芯保溫復(fù)合板，其預(yù)制步驟為支模、保護層鋼筋、保護層混凝土、保溫層、結(jié)構(gòu)層鋼筋、保溫連接件、填充砌塊、肋格混凝土。上述兩種預(yù)制墻板的制作采用模筑混凝土臥式澆筑成型。

模筑混凝土成型是拌合物向模板四周流動，填充模板從而形成所需的外形。混凝土拌合物的有效填充必須經(jīng)過密實過程，按照密實過程中外部施加作用力方式和混凝土拌合物的流動性，混凝土密實成型可分干擾密實成型和自密實成型兩類。其中，干擾密實主要方式有振動密實成型、脫水密實成型、壓制密實成型等。而噴射混凝土是利用高壓空氣將混凝土拌合物以一定速度推送到噴射面上，骨料顆粒間在運動中相互擠壓密實，早期強度發(fā)展較快的一種混凝土，施工過程可省去模板。目前，噴射混凝土主要應(yīng)用于隧道工程、邊坡防護工程和加固補強工程，具有良好的加固效果和經(jīng)濟效益。由于將噴射混凝土用于預(yù)制墻板生產(chǎn)的研究較少，文章將噴射混凝土引入預(yù)制混凝土夾芯墻板生產(chǎn)中，以期拓展預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)方式，降低生產(chǎn)成本，縮短構(gòu)件生產(chǎn)周期。

1 模筑混凝土密實成型工藝

（1）振動密實成型。振動密實成型是通過振動機械插入混凝土拌合物內(nèi)或作用在拌合物表面，使拌合物骨料顆粒受到強迫振動，降低或破壞骨料間的黏著力和內(nèi)摩擦力；使拌合物在重力作用下能夠自由流動，從而下沉填充模板，達到密實成型效果。

（2）壓制密實成型。壓制密實成型是將外部作用力集中作用在拌合物局部位置，實現(xiàn)局部區(qū)域的應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中作用下使拌合物產(chǎn)生剪切位移，骨料產(chǎn)生相對移動，填充拌合物內(nèi)部空隙，排出內(nèi)部空隙氣體，從局部區(qū)域擴展到拌合物整體，最終實現(xiàn)密實成型[4]。

（3）脫水密實成型。脫水密實是在外力作用下將多余水分擠出，主要有離芯法和真空法兩種[5]。①離芯法。離芯法是將混凝土拌合物和模具一同放置在高速旋轉(zhuǎn)的機械上，機械旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離芯力將拌合物甩向圓形模壁，擠壓成型，并且可以將拌合料中多余的空氣和水分排出。該成型方法使混凝土具有較高的強度，因此斷面為圓形的預(yù)制混凝土管樁、電線桿等構(gòu)件可以采用離心法生產(chǎn)。②真空法。真空法是在構(gòu)件的一部分形成負壓區(qū)，借助大氣壓與負壓區(qū)的壓力差將拌合物中多余空氣、水分排出，實現(xiàn)骨料間的擠壓密實。該方法常用于澆筑水工構(gòu)筑物、停車場等耐磨性及耐久性較高的混凝土，澆筑用混凝土拌合物應(yīng)具有較大的流動性，成型后具有較高的初始強度。

（4）自密實成型。自密實成型是指混凝土拌合物不通過外部干擾力的作用，僅依靠骨料自重即能包裏鋼筋、填充模板，同時保持拌合物均勻性，不產(chǎn)生離析現(xiàn)象，在保證混凝土性能前提下實現(xiàn)自動密實成型[6]。自密實混凝土是自密實成型的前提條件，自密實混凝土既具有高流動性也具有適當黏度，在自身重力作用下能夠流動填充模板內(nèi)所有空隙，包裹住鋼筋，自動完成混凝土密實成型。

2 模筑法生產(chǎn)預(yù)制混凝土夾芯墻板

常見預(yù)制混凝土墻板生產(chǎn)采用鋼模臺臥式澆筑，即墻板一面平臥在模臺上，四周側(cè)邊設(shè)側(cè)模，板面平臥在臺面上澆筑，如圖1所示。臥式澆筑可以實現(xiàn)夾芯墻板的分層澆筑，便于控制生產(chǎn)質(zhì)量，但對側(cè)模的要求較高，通常分層設(shè)置，且模板組裝精度要求高[2]。臥式澆筑一般先支外層模板、放外層鋼筋、澆筑外層混凝土，然后安裝夾芯層，最后支內(nèi)層側(cè)模、綁扎內(nèi)層鋼筋、澆筑內(nèi)層混凝土。每層混凝土要及時振搗密實，采用振動棒時要注意避開預(yù)埋件，防止其移位；采用大型振實臺，設(shè)備投入較大；采用自密實混凝土，夾芯層安裝基層條件較差，且對模板密封要求很高。根據(jù)預(yù)制墻板生產(chǎn)線、混凝土特點，可以采用蒸壓養(yǎng)護、澆水養(yǎng)護等措施養(yǎng)護成型，養(yǎng)護成本高。模筑法生產(chǎn)夾芯墻板要有較大場地、平放模臺，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)成本高。為改善現(xiàn)有夾芯墻板生產(chǎn)方式的不足，文章提出采用噴射混凝土立式生產(chǎn)夾芯墻板。

3 預(yù)制噴射混凝土夾芯內(nèi)墻板生產(chǎn)設(shè)計

3.1 內(nèi)墻板設(shè)計

圖1 預(yù)制墻板臥式澆筑

預(yù)制內(nèi)墻板是裝配式建筑的重要組成部分，可以取代傳統(tǒng)的砌塊砌筑而成的分室分戶墻體，具有施工效率高、質(zhì)量輕、保溫隔熱效果好等特點。預(yù)制內(nèi)墻板的使用可以進一步提高建筑的裝配率，提升建筑工業(yè)化水平。預(yù)制內(nèi)墻板按材料類型可分為硅酸鈣板夾芯復(fù)合內(nèi)隔墻板、增強型發(fā)泡水泥無機復(fù)合內(nèi)隔墻板、蒸壓加氣混凝土內(nèi)隔墻板、陶?；炷羶?nèi)隔墻板以及預(yù)制鋼筋混凝土帶梁隔墻[7]。

隨著國家經(jīng)濟建設(shè)的不斷提升，老舊基礎(chǔ)設(shè)施改造更新范圍不斷擴大，進程不斷加快，隨之帶來的各種道路、建筑等拆除產(chǎn)生的建筑垃圾給生態(tài)環(huán)境造成巨大威脅，其中廢棄混凝土無害化處理甚至資源化利用問題尤為突出。與此同時，伴隨著國家農(nóng)業(yè)技術(shù)的進步、產(chǎn)量的增加，農(nóng)業(yè)秸稈年平均產(chǎn)生量達6.4億t，其中少部分被用于造紙、板材加工，大部分秸稈資源被荒廢或者就地焚燒，不僅占用土地，而且污染生態(tài)環(huán)境。因此，將廢棄混凝土和秸稈集成資源化利用必將產(chǎn)生巨大的生態(tài)環(huán)境效益。文章設(shè)計了一種以秸稈板作為夾芯材料的預(yù)制再生混凝土內(nèi)墻板，如圖2所示。墻體由夾芯層和2個面層組成，夾芯層采用秸稈壓制板，面層采用纖維再生混凝土噴射成型，內(nèi)部配置鋼絲網(wǎng)。2個面層內(nèi)的鋼絲網(wǎng)通過穿過秸稈板的短鋼絲連接，形成整體共同受力。

圖2 預(yù)制再生混凝土秸稈夾芯內(nèi)墻板

3.2 噴射再生混凝土

噴射混凝土是將一定配合比的混凝土拌合物送入噴射裝置，借助壓縮空氣或其他動力輸送，高速噴射至受噴面所形成的一種混凝土[8]。與模筑混凝土密實成型工藝不同，噴射混凝土是借助拌合物組成材料在高速噴射時，由水泥與骨料顆粒的反復(fù)連續(xù)撞擊使混凝土拌合物擠壓密實成型。此外，噴射混凝土可采用較小的水灰比，具有較好的密實性、較高的力學性能和良好的耐久性。與模筑混凝土相比，它具有施工工藝簡單、施工快速、早期強度發(fā)展快、不需要模板等特點。同時，將纖維材料引入噴射混凝土形成噴射纖維混凝土，可以進一步改善其力學性能，提高其抗裂、抗?jié)B等性能[9-10]。里斯本大學Gon?alo Duarte等人[11]開展了噴射再生混凝土力學性能研究。研究首先證明了噴射再生混凝土的可行性，噴射再生混凝土噴射過程中回彈率較低，成型后混凝土具有較大的空隙率，耐磨性較好，但隨著再生粗骨料取代率的提升，其力學性能、抗裂性能等均有一定程度降低。由于預(yù)制內(nèi)墻板主要功能是分割和圍護，不承重，再結(jié)合現(xiàn)有噴射再生混凝土研究成果，文章將再生粗骨料和纖維材料用于配置混凝土，用噴射的方法澆筑成型，形成噴射纖維再生混凝土，作為預(yù)制內(nèi)墻板再生混凝土面層。

3.3 生產(chǎn)工藝

（1）夾芯層制作。夾芯秸稈板平面尺寸同預(yù)制墻板尺寸，厚度根據(jù)設(shè)計要求選用。首先將兩面層連接鋼絲穿過夾芯板，然后將其與面層內(nèi)鋼絲網(wǎng)通過焊接連接，焊點位置采用梅花式布置，最后在夾芯板四周包鋼板收邊，如圖3所示。

圖3 夾芯層

（2）夾芯層固定。該研究設(shè)計的立式預(yù)制墻板生產(chǎn)裝置，由生產(chǎn)臺面、模架固定裝置和整體模架三部分組成，如圖4所示。夾芯層通過3個側(cè)邊固定于整體模架內(nèi)，然后通過模架固定裝置垂直固定在生產(chǎn)臺面上。生產(chǎn)臺面平面布置兼顧墻板噴射成型區(qū)和養(yǎng)護區(qū)，便于從成型區(qū)通過吊車運送至養(yǎng)護區(qū)，臺面離地面70cm左右，方便混凝土噴射施工。

（3）墻板噴射成型。夾芯層固定好后，用混凝土噴射機將一定配合比的纖維再生混凝土在墻板兩邊同時噴射成型，如圖5所示。在噴射施工前，從再生粗骨料最大粒徑、纖維種類、速凝劑等原材料的選用方面，做好再生混凝土配合比設(shè)計。噴射施工過程中控制好工作風壓、噴射距離、一次噴射厚度、噴射軌跡等噴射工藝[12]。噴射完成后，用刮板上下緊貼包邊鋼板，沿墻板高度方從一端開始將混凝土刮平，然后改用鐵板將墻板表面收光壓平。表面找平工作必須在混凝土噴射結(jié)束后立即進行，防止因混凝土表面硬化而無法操作。

（4）養(yǎng)護。預(yù)制墻板制作完成后，將整體模架吊運至集中養(yǎng)護區(qū)養(yǎng)護。參照《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 372—2016），采用灑水保濕養(yǎng)護，養(yǎng)護時間一般不低于7d[13]。

圖4 立式墻板生產(chǎn)

圖5 墻板噴射成型

4 結(jié)束語

文章利用廢棄混凝土和秸稈等材料設(shè)計出一種預(yù)制夾芯內(nèi)墻板，具有極大的生態(tài)環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，可以減少對傳統(tǒng)混凝土制備材料的依賴，減少秸稈處理成本，同時可以最大限度地減少對環(huán)境的負面影響。將噴射混凝土工藝引入預(yù)制墻板的生產(chǎn)中，豐富了預(yù)制墻板的生產(chǎn)方式，和傳統(tǒng)模筑預(yù)制混凝土墻板生產(chǎn)方式相比，噴射混凝土的引入可以采用立式生產(chǎn)預(yù)制墻板，極大縮小了臥式模筑法所需的澆筑工作面，省去鋼臺模。同時噴射混凝土具有快速硬化、早期強度高的特點，可以縮短預(yù)制墻板的生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。

該研究還處于設(shè)計階段，后期還有大量的研究工作要開展。（1）噴射纖維再生混凝土配合比設(shè)計研究。通過正交試驗研究，力爭給出較優(yōu)的混凝土配合比，使墻板混凝土具有較好的物理力學性能，滿足墻板使用要求，同時具有良好的施工工藝性能，噴射過程具有較低的回彈率，甚至零回彈。（2）秸稈板表面和噴射再生混凝土黏結(jié)性能研究。以期找出較優(yōu)的表面處理方式，提高噴射再生混凝土和秸稈板的黏結(jié)力，從而提高預(yù)制墻板的整體性。（3）墻板噴射生產(chǎn)工藝研究。通過試驗形成標準化的墻板噴射生產(chǎn)工藝，為規(guī)模生產(chǎn)提供參考。