HF 永久性復(fù)合保溫模板在結(jié)構(gòu)一體化墻體保溫系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王洪鎮(zhèn)，馬亮亮，田彥智，蘇明明

（1.西北民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省新型建材與建筑節(jié)能重點實驗室，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅海能新材料科技有限公司，甘肅 定西 730512）

0 前 言

近年來，外墻外保溫系統(tǒng)在我國建筑節(jié)能中得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著建筑節(jié)能要求的不斷提高，保溫層越來越厚，傳統(tǒng)的黏貼保溫板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)因采用“粘、釘”結(jié)合固定方式，受溫度應(yīng)力、混凝土徐變和塑料釘蠕變等因素的影響，無法保持長期可靠的連接力，同時保溫板外部保護(hù)層薄、防護(hù)性差，在自然環(huán)境作用下存在嚴(yán)重的開裂和脫落風(fēng)險，其墻體保溫系統(tǒng)無法實現(xiàn)與建筑物結(jié)構(gòu)墻體同壽命，耐久性問題難以解決[1-2]。采用建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)是解決現(xiàn)行外墻外保溫系統(tǒng)耐久性問題的關(guān)鍵，是將保溫層和墻體結(jié)構(gòu)在施工中通過二者的“筋、骨、肌”的連接形成一體，避免了層間結(jié)合力不足導(dǎo)致的脫落等問題，同時較厚的防護(hù)厚度可以提高系統(tǒng)耐久性。建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化對組成系統(tǒng)中材料的性能、結(jié)構(gòu)形式和成墻做法提出更高要求，亟需研發(fā)兼具高效保溫、連接可靠、耐久性、防火性、施工便捷性，可實現(xiàn)保溫層與結(jié)構(gòu)墻體“防火同等級、耐久同壽命”的產(chǎn)品[3]。針對此技術(shù)要求，研發(fā)了高性能纖維增強(qiáng)微孔混凝土永久性復(fù)合保溫模板（以下簡稱HF 復(fù)合保溫模板）建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化墻體保溫系統(tǒng)。

1 HF 復(fù)合保溫模板墻體系統(tǒng)構(gòu)造

HF 復(fù)合保溫模板是將輕集料微孔混凝土通過澆注與擠塑保溫板、巖棉板等高效保溫芯材無間隙復(fù)合為整體，微孔混凝土將保溫芯材六面包覆連接形成的箱型結(jié)構(gòu)體，既能有效限制保溫層因環(huán)境劇烈變化產(chǎn)生的較大應(yīng)變，防止體系抹面層開裂，又能形成小防火分倉，提高制品的防火性能，外部微孔混凝土采用耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布和短切纖維增強(qiáng)，表面覆水泥玻纖布增強(qiáng)抗裂性，芯材表面均設(shè)有加強(qiáng)燕尾肋，加強(qiáng)與微孔混凝土的粘結(jié)力，其構(gòu)造如圖1所示。產(chǎn)品各項物理力學(xué)性能優(yōu)良，具有質(zhì)量輕、抗彎強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)、高效保溫、防火耐水、抗凍耐久、支模施工便捷等特性。

圖1 HF 復(fù)合保溫模板結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意

HF 復(fù)合保溫模板現(xiàn)澆混凝土墻體保溫系統(tǒng)是以HF 復(fù)合保溫模板為免拆外模板，內(nèi)側(cè)澆筑混凝土，外側(cè)做水泥砂漿抹面層及飾面層，通過專用的卡板勾筋連接件將HF 復(fù)合保溫模板與鋼筋混凝土牢靠連接在一起，而形成的保溫與結(jié)構(gòu)一體化墻體系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于8 度及以下抗震設(shè)防區(qū)的新建、改建和擴(kuò)建的民用與工業(yè)建筑鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，以及框架結(jié)構(gòu)建筑梁、柱、剪力墻等現(xiàn)澆混凝土墻體的保溫。其系統(tǒng)構(gòu)造如圖2所示。

圖2 HF 復(fù)合保溫模板墻體保溫系統(tǒng)構(gòu)造示意

HF 復(fù)合保溫模板一體化墻體系統(tǒng)采用的專用卡板勾筋連接件由1.5 mm 厚鍍鋅鋼板沖壓而成，其單件拉拔力大于3.5 kN，懸掛力于1000 N。施工時輔助模板安裝，上下卡接，并將模板與混凝土中的鋼筋連接，實現(xiàn)“筋、骨、肌”的一體化連接。

2 HF 復(fù)合保溫模板墻體主要性能

2.1 HF 復(fù)合保溫模板主要物理力學(xué)性能測試

項目組依據(jù)JGJ 26—2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》和建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)要求，蘭州海鋒建材科技有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/LZHF 003—2018《HF 永久性復(fù)合保溫模板》，對HF 復(fù)合保溫模板的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測試。HF 復(fù)合保溫模板主要的物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 HF 復(fù)合保溫模板的物理力學(xué)性能指標(biāo)

其微孔混凝土基材抗壓強(qiáng)度超過3.5 MPa，快速法測得其干縮值小于0.5 mm/m，模板復(fù)合體干燥狀態(tài)當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)小于0.035 W/（m·K）；依據(jù)GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》，微孔混凝土保溫板屬A1級不燃體。

2.2 HF 復(fù)合保溫模板墻體防火性能試驗研究

（1）對復(fù)合擠塑板芯材的HF 復(fù)合保溫模板現(xiàn)澆混凝土墻體耐火極限測試

依據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》要求，在四川都江堰國家級防火建筑材料質(zhì)量監(jiān)督檢測中心和北京建科院對70 mm 厚HF 復(fù)合保溫模板（15 mm 微孔混凝土＋50 mm 擠塑聚苯板＋5 mm 厚微孔混凝土）和150 mm 厚鋼筋混凝土一體化墻體進(jìn)行了多次檢測，其墻體耐火極限均大于3 h。其中一次實測數(shù)據(jù)為：3 h27 min 時，爐內(nèi)平均溫度為1149.46 ℃，試件表面平均溫度為16.26 ℃，充分表明微孔混凝土具有卓越的隔熱性能和防火性能，不但能隔絕明火，而且有效延滯熱傳導(dǎo)，使保溫芯材不燃不融，有效提高了復(fù)合結(jié)構(gòu)體的耐火性。耐火極限≥3 h，能滿足建筑防火墻的設(shè)計要求。

（2）微孔混凝土復(fù)合擠塑板墻體抗高溫?zé)釠_擊試驗研究

為了進(jìn)一步驗證微孔混凝土的防火性能，并與普通混凝土進(jìn)行對比，在耐火極限檢測的基礎(chǔ)上對不同厚度的微孔混凝土和普通混凝土防護(hù)層進(jìn)行抗高溫?zé)釠_擊試驗。

試驗采用丙烷氧氣割槍的1350 ℃火焰溫度下和液化氣槍850 ℃火焰溫度集中灼燒防護(hù)層，測試背火面溫度并觀察防護(hù)層變化情況。受火后試件照片如圖3所示。

圖3 抗高溫?zé)釠_擊試件受火情況

由試驗現(xiàn)象可見：圖3（a）、（b）為50 mm 厚C30 普通混凝土保護(hù)層，5 min 時在火焰灼燒中心普通混凝土礦物熔融，7 min 時灼燒面炸裂，出現(xiàn)貫通性裂縫，背火面溫度為9 ℃；圖3（c）、（d）為無水泥玻纖布20 mm 厚微孔混凝土保護(hù)層，7 min灼燒點出現(xiàn)熔融小坑，表面出現(xiàn)網(wǎng)狀發(fā)散裂縫，裂縫由灼燒中心向四周擴(kuò)散，呈不規(guī)則狀，背火面溫度為9 ℃；圖3（e）、（f）為表面覆有水泥玻纖布的15 mm 厚微孔混凝土保護(hù)層，在7 min 后灼燒點碳化、表面無裂縫，背火面溫度為9 ℃。試驗表明，微孔混凝土具有卓越的隔熱性能和防火性能，同時水泥玻纖布具有優(yōu)良的抗裂性能，15 mm 厚微孔混凝土層防護(hù)性優(yōu)于50 mm 厚C30 普通混凝土保護(hù)層。

以上試驗結(jié)果充分說明，微孔混凝土基體材料具有較好的保溫隔熱和抗裂、耐火性能。

（3）試驗結(jié)論

HF 復(fù)合保溫模板屬無空腔的建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化墻體系統(tǒng)，其保溫芯材完全被微孔混凝土無機(jī)材料包覆，隔絕了空氣與明火，防火性不再受芯材燃燒性能的影響，用耐火極限評價其防火性能更符合工程實際。復(fù)合墻體耐火極限符合GB 50016—2014 的規(guī)定，且微孔混凝土防護(hù)厚度大于15 mm時，可不再限定保溫芯材的燃燒性能等級。復(fù)合體燃燒性能可評定為A2級。

2.3 HF 復(fù)合保溫模板墻體熱工性能計算分析

（1）設(shè)計計算及取值依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)JGJ 26—2018、JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》、甘肅省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)圖集DBJT 25-141—2014《HF 永久性復(fù)合保溫模板現(xiàn)澆混凝土建筑保溫體系構(gòu)造》、DB62/T 3176—2019《建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化墻體保溫系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》。

（2）外墻平均傳熱系數(shù)計算

依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定體形系數(shù)不大于0.26、北向窗墻比不大于0.3，計算HF 復(fù)合保溫模板墻體是否滿足節(jié)能要求。

各層熱阻計算：微孔混凝土導(dǎo)熱系數(shù)0.110 W/（m·K），厚度0.02 m，熱阻R1為0.182（m2·K）/W；擠塑板導(dǎo)熱系數(shù)0.029 W/（m·K），厚度0.05 m，熱阻R2為1.724（m2·K）/W；鋼筋混凝土導(dǎo)熱系數(shù)1.74W/（m·K），厚度0.30m，熱阻R3為0.172（m2·K）/W；水泥砂漿導(dǎo)熱系數(shù)0.930 W/（m·K），厚度0.02 m，熱阻R4為0.022（m2·K）/W；內(nèi)外表面換熱阻R5為0.150（m2·K）/W。

則HF 復(fù)合保溫模板墻體系統(tǒng)總熱阻R0計算如下式：

墻體主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算如下式：

由計算結(jié)果可知，該墻體的傳熱系數(shù)符合JGJ 26—2018規(guī)定的寒冷A 區(qū)居住建筑外墻傳熱系數(shù)限值小于0.45 W/（m2·K）（≥4 層建筑）的要求。

為便于熱工計算，也可取HF 復(fù)合保溫模板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)計算。其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)可按熱阻值反算：0.070/（0.020/0.1＋0.050/0.028）＝0.035 W/（m·K）。

2.4 HF 復(fù)合保溫模板抗混凝土澆筑側(cè)壓力（等效均布荷載）驗算

根據(jù)HF 復(fù)合保溫模板截面構(gòu)造尺寸（見圖4）。驗算參數(shù)為：模板截面尺寸300 mm×70 mm；微孔混凝土彈性模量Ec=4.2×103N/mm2；抗壓強(qiáng)度5.0 MPa。

混凝土澆筑側(cè)壓力F＝γcH＝72 kN/m2（澆筑速度≥10 m/h或坍落度≥180 mm）。

截面慣性矩僅考慮微孔混凝土截面；

中性軸距外邊22 mm；

截面剛度Ec·I＝4.2×103×4.17×106＝17.514×109N·mm2

簡支梁撓度ymax＝5qL4/384EI

模板撓度控制1/400

（1）次楞間距200 mm 時，最大撓度控制ymax＝200×（1/400）＝0.5 mm，此時模板最大側(cè)壓力：q＝y(tǒng)max×384EI/5L4＝0.5×384×17.514×109/（5×2004）＝420 N/mm＝420 kN/m（折均布荷載420 kN/m2）>72 kN/m2。

（2）次楞間距300 mm 時，160 N/mm＝160 kN/m（折均布荷載160 kN/m2）；次楞間距400 mm 時，52 N/mm＝52 kN/m（折均布荷載52 kN/m2）。

結(jié)論：次楞間距不應(yīng)超過300 mm。

圖4 HF 復(fù)合保溫模板截面構(gòu)造尺寸

2.5 HF 復(fù)合保溫模板與混凝土層間抗拉強(qiáng)度驗算

基本驗算條件：HF 復(fù)合保溫模板與基材的粘結(jié)強(qiáng)度0.1 MPa；單個錨栓抗拉強(qiáng)度為0.5～0.8 kN（計算取0.5 kN），1.5 mm厚連接件拉拔力實際測試值≥3.5 kN，懸掛力≥1000 N；復(fù)合模板面板厚15/5 mm；微孔混凝土強(qiáng)度為5.0 MPa。

（1）HF 復(fù)合保溫模板與基材的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值0.1 MPa（實測值0.2 MPa），考慮實際施工時粘結(jié)面積和有效面積的折減系數(shù)0.75，單位面積粘結(jié)強(qiáng)度為0.075 MPa，遠(yuǎn)大于建筑物表面的風(fēng)吸力，故HF 復(fù)合保溫模板與基材具有足夠的連接粘結(jié)力，不需要其它輔助措施。

（2）HF 復(fù)合保溫模板與基材采用卡板勾筋連接件進(jìn)行連接，不考慮HF 復(fù)合保溫模板與基材的實際粘結(jié)作用時，在100 m 高度風(fēng)荷載作用下單位面積需要的連接件數(shù)：

墻面連接件數(shù)＝1.4×1.49÷0.5＝4.17 個/m2，考慮實際施工因素取5 個。

墻角邊連接件數(shù)＝1.4×2.70÷0.5＝7.56 個/m2，考慮實際施工因素取8 個。

（3）同時考慮風(fēng)荷載與地震作用效應(yīng)組合且無粘結(jié)力作用時。墻面連接件數(shù)＝（1.4×1.49＋1.3×0.5×0.48）/0.5＝4.8 個/m2，考慮實際施工因素取5 個。墻角邊連接件數(shù)＝（1.4×2.7＋1.3×0.5×0.48）÷0.5＝8.2 個/m2，考慮實際施工因素取9 個。

關(guān)鍵是卡板勾筋連接件不同于塑料脹釘，通過“筋、骨、肌”連接，無長期徐變、蠕變造成的應(yīng)力松弛影響，是真正意義上的一體化連接方式。

3 HF 復(fù)合保溫模板墻體建筑施工工法

3.1 HF 復(fù)合保溫模板安裝施工工藝

剪力墻部位HF 復(fù)合保溫模板安裝施工時，需先完成鋼筋綁扎和內(nèi)模板工序。將HF 復(fù)合保溫模板作為外模板使用，通過專用卡板勾筋連接件將每塊HF 復(fù)合保溫模板拼裝為整體，組拼時卡板勾筋連接件勾在鋼筋上，還可起到穩(wěn)定模板的作用。在門窗洞口等邊角處可增設(shè)卡板勾筋連接件的數(shù)量，方便支模。當(dāng)支模1 個層高或1 次澆筑高度時，即可在模板外加設(shè)主次楞或整體式次楞架和主楞。澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)后，拆除外部主次楞架和內(nèi)墻模板，重復(fù)進(jìn)行上層施工。HF 復(fù)合保溫模板組拼時宜采用錯縫排板，以更好地分散墻面應(yīng)力，防止墻面開裂。組樣完成后的模板表面用找平砂漿找平，并壓入耐堿玻纖網(wǎng)格布增強(qiáng)抗裂，再做飾面層。

框架梁、柱可參照剪力墻部位安裝方法進(jìn)行施工，HF 復(fù)合保溫模板支梁柱外側(cè)，填充部位采用斷熱節(jié)能復(fù)合砌塊填充，且斷熱節(jié)能復(fù)合砌塊外側(cè)應(yīng)同HF 復(fù)合保溫模板外側(cè)砌平，如圖5所示。在抹灰施工前，HF 復(fù)合保溫模板拼縫、陰陽角及與自保溫復(fù)合砌塊相接處應(yīng)采用聚合物水泥砂漿粘貼玻纖網(wǎng)格布抹壓平整。

圖5 HF 復(fù)合保溫模板與斷熱節(jié)能復(fù)合砌塊配套體系節(jié)點做法

對于HF 復(fù)合保溫模板墻體系統(tǒng)有線條造型的建筑墻體，如圖6所示，可根據(jù)設(shè)計采用定制型HF 復(fù)合保溫模板和專用連接件。

圖6 HF 復(fù)合保溫模板墻體系統(tǒng)造型節(jié)點做法

3.2 HF 復(fù)合保溫模板墻體施工工法要點

（1）確定排板方案：剪力墻結(jié)構(gòu)工程所用HF 復(fù)合保溫模板由施工單位根據(jù)施工圖進(jìn)行排板設(shè)計，確定方案并繪制排板圖，豎向配板避免裁切，水平方向按排板圖尺寸現(xiàn)場用手鋸裁切配板，非主規(guī)格板最小寬度不宜小于150 mm，逐層樓板位置處HF 復(fù)合保溫模板宜高出樓面50 mm。HF 復(fù)合保溫模板安裝前應(yīng)根據(jù)設(shè)計圖紙和排板圖復(fù)核尺寸，并設(shè)置安裝控制線，逐層組裝施工。

（2）安裝模板：鋼筋綁扎驗收合格后，在鋼筋內(nèi)外兩側(cè)綁扎C20 水泥砂漿墊塊間隔件；采用傳統(tǒng)做法安裝外墻內(nèi)側(cè)金屬模板或竹膠合模板。根據(jù)排板方案安裝外側(cè)HF 復(fù)合保溫模板，并用卡板勾筋連接件臨時固定，先安裝外墻陰陽角處板，再安裝其他部位的模板，HF 復(fù)合保溫模板的拼縫應(yīng)平直，確保不漏漿。

（3）安裝連接件：在HF 復(fù)合保溫模板安裝的同時，在板縫處設(shè)置卡板勾筋連接件，卡板勾筋連接件宜勾在鋼筋上，應(yīng)不少于5 個/m2，墻體邊角和門窗洞口處可增設(shè)卡板勾筋連接件，不少于9 個/m2。

（4）安裝對拉螺栓：根據(jù)每層墻、柱、梁高度按常規(guī)模板施工方法確定對拉螺栓間距，用手槍鉆在HF 復(fù)合保溫模板和內(nèi)側(cè)模板相應(yīng)位置開孔，穿入對拉螺栓并作初步調(diào)整。當(dāng)外墻對防水有較高要求時，對拉螺栓宜為帶止水片的永久螺栓。

（5）安裝模板主次楞：主次楞安裝同傳統(tǒng)做法。為提高工效，外側(cè)宜采用木質(zhì)或金屬質(zhì)整體式次楞架作為HF 復(fù)合保溫模板的次楞，整體式次楞架平整度好，剛度大不易損壞，可重復(fù)使用，降低造價。主楞一般采用φ48.3×3.6 mm 鋼架管，安裝在內(nèi)外次楞架外部，固定內(nèi)外模板，調(diào)整模板位置和垂直度，使之達(dá)到下一工序施工要求。

（6）澆筑混凝土：澆筑混凝土高度較大時，可采用分層法。混凝土振搗時，振搗棒不得直接接觸HF 復(fù)合保溫模板。

（7）拆除主次楞及內(nèi)模板：內(nèi)模板、主次楞應(yīng)按照GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》和JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定時間和要求拆除。

（8）對拉螺栓孔和其他非預(yù)留孔洞等部位應(yīng)進(jìn)行熱橋封堵處理，采用膨脹水泥、膨脹混凝土或發(fā)泡聚氨酯等先將孔洞填實，后局部抹聚合物防水砂漿作加強(qiáng)處理并涂刷防水涂料。

（9）HF 復(fù)合保溫模板陰陽角部位以及與其他不同墻體材料的交接處，應(yīng)用抗裂抹面砂漿抹壓補(bǔ)縫找平，確?？p隙密實且無空隙，并增鋪1 道200 mm 寬耐堿玻纖網(wǎng)格布以防止基層開裂。再用抹面砂漿找平，并在抹面砂漿面層壓入耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)防裂，使外立面平整。

（10）施工爬架安裝：HF 復(fù)合保溫模板與主體結(jié)構(gòu)同時施工，為避免自動提拉爬架安裝時對復(fù)合保溫模板造成損傷，要求在爬架提拉固定腳下放置400 mm×400 mm×30 mm 膠合板，分散對拉螺栓壓應(yīng)力。

4 結(jié)語

（1）HF 復(fù)合保溫模板墻體保溫系統(tǒng)適用于現(xiàn)澆鋼筋混凝土建筑框架、剪力墻結(jié)構(gòu)的外墻保溫工程，具有優(yōu)良的防火性、高效保溫性，以及與主體結(jié)構(gòu)連接可靠，施工便捷的特性，以保溫與結(jié)構(gòu)一體化方式實現(xiàn)了“防火同等級、耐久同壽命”的要求。

（2）HF 復(fù)合保溫模板復(fù)合結(jié)構(gòu)新穎、輕質(zhì)高強(qiáng)，采用卡板勾筋專用連接件和整體式次楞架支模方式，大幅提高了施工效率，減少墻體二次保溫層工序，降低了施工程造價。

（3）通過建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)，替代目前采用的粘貼保溫板薄抹灰外墻外保溫體系做法，是解決行業(yè)痛點難題的現(xiàn)實可行的方法。