輕質(zhì)超薄保溫裝飾一體化墻板的研究

趙志剛，羅小平，王飛波，張靜，王文歡，劉興華

（1.北京市燕通建筑構(gòu)件有限公司，北京 102202；2.河北建工建筑裝配股份有限公司，河北石家莊 050500；3.北京城建六建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 101500）

0 引 言

非承重圍護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)隔墻在裝配式建筑評分中占有很大比例，且建筑墻體的節(jié)能比率占整棟建筑50%以上。為了推進(jìn)京津冀、長江三角等重點區(qū)域制定更高水平節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，開展超低能耗建筑規(guī)模化建設(shè)，推動零碳建筑、零碳社區(qū)建設(shè)試點[1]。大力推廣節(jié)能高效、材質(zhì)輕便的裝配式建筑墻板具有重大的實際價值[2]。

保溫裝飾一體化墻板由保溫材料、裝飾面板及連接件構(gòu)成，集防火、保溫、裝飾等功能于一體，可應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)、混凝土框架結(jié)構(gòu)等建筑圍護(hù)體系中[3-4]。保溫裝飾一體化墻板作為建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)的組成部分，不僅使保溫建筑材料永久性地納入了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，使建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及施工安全都得以加強(qiáng)，同時滿足建筑節(jié)能、防火等需求[5-6]。目前，建筑行業(yè)逐漸轉(zhuǎn)向綠色化、產(chǎn)業(yè)化、信息化，保溫裝飾一體化墻板符合我國低碳生態(tài)建設(shè)發(fā)展理念和戰(zhàn)略規(guī)劃。因此，加大對建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)的研究具有重要意義。

隨著建筑節(jié)能要求不斷提高，達(dá)到80%節(jié)能要求的保溫裝飾一體化墻板的保溫層厚度要達(dá)到120 mm，墻板的總厚度接近400 mm，這將導(dǎo)致建筑物的有效使用面積進(jìn)一步降低。因此，對墻板進(jìn)行減重優(yōu)化，研究超薄保溫裝飾一體化墻板具有重要意義。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 水泥，北京水泥廠；粉煤灰：Ⅱ級，唐山市豐潤區(qū)鵬利達(dá)建材廠；砂子：Ⅱ區(qū)中砂，遷西縣羅家屯鎮(zhèn)慶沅采砂場；石子：3~8 mm 碎石，北京盛世安平建筑工程有限公司；減水劑：聚羧酸減水劑，天津冶建特種材料有限公司。增稠劑：黃原膠，白色粉末，河北景素生物科技有限公司；溫輪膠，白色粉末，江蘇奧福生物科技有限公司；聚丙烯酰胺，白色粉末，北京海暢清環(huán)保科技有限公司；脫模劑：水性，阿克思建筑科技河北有限公司；水：自來水。

1.2 試驗方案

通過正交試驗研究不同砂率、漿骨比、水膠比和粉煤灰摻量對自密實混凝土擴(kuò)展度、T500和抗壓強(qiáng)度的影響，確定制備自密實混凝土的初步配合比。根據(jù)增稠劑的種類及摻量對自密實混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，確定制備自密實混凝土的最佳配合比。使用輕骨料混凝土和自密實混凝土制備輕質(zhì)超薄保溫裝飾一體化墻板，確定生產(chǎn)工藝，并對其性能進(jìn)行分析。

1.3 自密實混凝土配合比設(shè)計

外葉板采用自密實混凝土，按照J(rèn)GJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》設(shè)計配合比。以擴(kuò)展度和T500衡量自密實混凝土工作性能，以28 d 抗壓強(qiáng)度衡量自密實混凝土力學(xué)性能，通過極差、方差分析，判斷各因素對試驗指標(biāo)的影響及其顯著性。正交試驗因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平

2 結(jié)果與分析

正交試驗設(shè)計及測試結(jié)果見表2。

表2 正交試驗設(shè)計及測試結(jié)果

2.1 自密實混凝土的工作性能

自密實混凝土擴(kuò)展度和T500的極差分析見表3。

表3 自密實混凝土擴(kuò)展度及T500 的極差分析

由表3 可以看出：各因素對混凝土擴(kuò)展度和T500的影響順序均為A＞C＞B＞D，混凝土擴(kuò)展度越大，T500越小，流動性越好，最佳因素水平為A2B2C3D2。

混凝土的擴(kuò)展度隨著砂率、漿骨比和粉煤灰摻量的增加先增大后減小，隨水膠比的增加而增大，T500則相反。原因是：（1）在一定砂率范圍內(nèi)，砂子與水泥漿體組成的砂漿在粗骨料間起潤滑和滾珠作用，隨著砂率的增加，潤滑和滾珠作用明顯，粗骨料之間的摩擦力逐漸降低，混凝土漿體的流動性不斷增大。但是，由于砂的比表面積較粗骨料大，隨著砂率的持續(xù)增加，其總比表面積也不斷增大，在相同膠凝材料用量情況下，粗細(xì)骨料表面包裹的漿體層變薄，增大粗細(xì)骨料之間的摩擦力，使混凝土的流動性降低，嚴(yán)重時混凝土無法成漿，呈團(tuán)聚狀；（2）漿骨比較小時，混凝土拌合物中水泥漿體含量較少，骨料含量較多，材料間的粘聚力不足以抵抗粗集料下沉，導(dǎo)致混凝土拌合物出現(xiàn)離析現(xiàn)象，混凝土拌合物整體摩擦力變大，流動度降低。隨著漿骨比的增加，混凝土拌合物的流動性增加。當(dāng)漿骨比過大時，混凝土拌合物中水泥漿體含量較多，骨料含量較低，混凝土拌合物粘聚力增大，流動性再次降低；（3）粉煤灰顆粒具有形態(tài)效應(yīng)[7]，在一定范圍內(nèi)，可以改善混凝土的流動性。但粉煤灰的微集料效應(yīng)使其在摻量較高時，粒徑較小的顆粒填充于水泥顆粒之前，增加了混凝土拌合物粘聚力，導(dǎo)致其流動性降低；（4）隨著水膠比的增加，混凝土的工作性能逐漸變好，即擴(kuò)展度不斷增加，T500不斷減小，但水膠比過高將導(dǎo)致混凝土拌合物出現(xiàn)泌水情況。

自密實混凝土擴(kuò)展度方差分析見表4。

表4 自密實混凝土擴(kuò)展度方差分析

由表4 可以看出，對自密實混凝土擴(kuò)展度影響的顯著性依次為A＞C＞B＞D。F2，2（0.10）＜FA＜F2，2（0.05），砂率對自密實混凝土擴(kuò)展度的影響顯著；F2，2（0.15）＜FC＜F2，2（0.10），水膠比對自密實混凝土擴(kuò)展度有一定影響；FB、FD＜F2，2（0.20），漿骨比和粉煤灰摻量對自密實混凝土擴(kuò)展度影響不大。

自密實混凝土T500方差分析見表5。

表5 自密實混凝土T500 方差分析

由表5 可以看出，各因素對自密實混凝土T500影響的顯著性依次為A＞C＞B＞D。由于F2，2（0.25）＜FA、FC＜F2，2（0.10），故砂率和水膠比對自密實混凝土T500的影響顯著；而FB、FD＜F2，2（0.25），說明漿骨比和粉煤灰摻量對自密實混凝土T500影響相對較小。

2.2 自密實混凝土的力學(xué)性能

自密實混凝土抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果的極差分析見表6。

表6 自密實混凝土抗壓強(qiáng)度極差分析

通過表6 可以看出，上述4 個因素對自密實混凝土抗壓強(qiáng)度的影響順序為B＞C＞D＞A，最佳因素水平為A3B2C2D2。

自密實混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著漿骨比、水膠比和粉煤灰摻量的增加均呈先提高后降低趨勢，隨著砂率的增加而不斷提高。這是因為：（1）漿骨比較小時，自密實混凝土內(nèi)部形成的界面過渡區(qū)較多，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度較低，隨著漿骨比的增加，漿體相對含量增加，骨料被漿體嚴(yán)密包裹，致使骨料間的粘結(jié)力和機(jī)械咬合力增強(qiáng)，自密實混凝土的抗壓強(qiáng)度提高[8-9]。當(dāng)漿骨比超過一定范圍時，混凝土中骨料含量相對較低，導(dǎo)致其骨架結(jié)構(gòu)變?nèi)?，混凝土?qiáng)度再次降低。（2）水膠比較小時，新拌混凝土漿體流動性差，成型混凝土結(jié)構(gòu)不密實，內(nèi)部有害大孔較多，抗壓強(qiáng)度較低，當(dāng)水膠比過大時，混凝土拌和物容易出現(xiàn)泌水的情況，影響混凝土強(qiáng)度。（3）由于粉煤灰的微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，在適當(dāng)摻量下，粉煤灰中細(xì)小的微珠可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實度，其中大量活性物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物中堿性物質(zhì)進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的水化產(chǎn)物可填充于混凝土結(jié)構(gòu)，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但摻量過大時，水泥水化形成的產(chǎn)物減少，抗壓強(qiáng)度降低。（4）在一定砂率范圍內(nèi)，砂子可以填充于石子空隙，增加混凝土結(jié)構(gòu)的密實度，提高其抗壓強(qiáng)度。

自密實混凝土抗壓強(qiáng)度方差分析見表7。

表7 自密實混凝土抗壓強(qiáng)度方差分析

由表7 可以看出，各因素對混凝土抗壓強(qiáng)度影響的顯著性依次為B＞C＞D＞A。由于F2，2（0.025）＜FB＜F2，2（0.010），故漿骨比對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響較顯著；由于F2，2（0.150）＜FC＜F2，2（0.100），故水膠比對混凝土抗壓強(qiáng)度的有一定影響，而FD、FA＜F2，2（0.200），說明粉煤灰摻量和砂率對自密實混凝土抗壓強(qiáng)度影響相對較小。

2.3 試驗驗證

對于新拌混凝土工作性能來說，混凝土最佳基礎(chǔ)配合比為A2B2C3D2，對于成型試樣抗壓強(qiáng)度來說，混凝土最佳基礎(chǔ)配合比為A3B2C2D2。由于因素A 對工作性影響程度最大，對抗壓強(qiáng)度影響程度最小，確定其取值為A2。由于因素C 對于新拌混凝土漿體工作性和成型試樣抗壓強(qiáng)度影響程度相當(dāng)，為保證混凝土具有一定的抗壓強(qiáng)度，確定其取值為C2。因此，按照配合比A2B2C2D2進(jìn)行驗證試驗，試驗結(jié)果見表8。

表8 混凝土驗證試驗結(jié)果

2.4 增稠劑對自密實混凝土性能的影響

為保證自密實混凝土具有較大流動性的同時不離析，研究了不同摻量下的黃原膠、溫輪膠和聚丙烯酰胺3 種增稠劑對自密實混凝土性能的影響，以此確定最佳增稠劑種類及摻量，結(jié)果見表9。

表9 增稠劑對混凝土性能的影響

由表9 可以看出，無論摻加哪一種增稠劑，混凝土的工作性能均隨著增稠劑摻量的增加而變差，離析率逐漸減小。這是因為摻加增稠劑后，水泥漿中部分自由水被約束，使得水泥粒子之間的間隙得以保存，粒子間摩擦阻力減小，流動性增大且不離析。過度摻加增稠劑會使得混凝土拌和物的粘聚性大大提高，限制了混凝土拌和物的變形，抗剪強(qiáng)度提高，流動性降低[10]。與基準(zhǔn)組混凝土相比，摻加增稠劑后混凝土的抗壓強(qiáng)度均提高，這是因為增稠劑可以在一定程度上改善因離析泌水導(dǎo)致的試塊不均勻性[11]。溫輪膠和黃原膠具有優(yōu)異的保水性，使混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)慢，混凝土結(jié)構(gòu)有害氣孔減少且塑性收縮減小，展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能[12]。綜合考慮混凝土的工作性能及力學(xué)性能，確定最佳增稠劑種類為溫輪膠，最佳摻量為0.12%，此時其擴(kuò)展度為680 mm，T500為3 s，離析率為10.2%，抗壓強(qiáng)度為59.4 MPa。

3 輕質(zhì)超薄保溫裝飾一體化墻板生產(chǎn)工藝

輕質(zhì)超薄保溫裝飾一體化墻板生產(chǎn)施工工藝如下：

（1）準(zhǔn)備工作：清理模具、支模，涂刷脫模劑，綁扎鋼筋網(wǎng)片并固定拉結(jié)件，制作并鋪設(shè)帶裝飾的聚氨酯彈性襯模等[13]。

（2）澆筑外葉板自密實混凝土：自密實混凝土應(yīng)嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行配制，均勻澆筑至指定厚度。然后將綁扎有拉結(jié)件的鋼筋網(wǎng)片埋入混凝土，調(diào)整拉結(jié)件位置，保證其與保溫板預(yù)留孔成功對接。澆筑外葉板自密實混凝土見圖1，固定拉結(jié)件、鋪設(shè)飾面層鋼筋網(wǎng)見圖2。

圖1 澆筑自密實混凝土

圖2 固定拉結(jié)件、鋪設(shè)飾面層鋼筋網(wǎng)

（3）VIP 板鋪設(shè)：由于VIP 板具有不可裁剪、開洞、表面不可錨固、保護(hù)層易破損等特點，因此，在制作時已根據(jù)排板提前預(yù)留拉結(jié)件的孔洞，在外葉板混凝土初凝前按照拉結(jié)件位置將保溫板緊密鋪設(shè)，鋪設(shè)縫隙用發(fā)泡膠填塞。VIP 板鋪設(shè)見圖3。

圖3 鋪設(shè)VIP 板

（4）綁扎固定內(nèi)葉板鋼筋：利用附加錨筋將綁扎好的鋼筋網(wǎng)片與拉結(jié)件綁扎牢固。

（5）澆筑內(nèi)葉板輕骨料混凝土[14]：輕骨料混凝土干密度為1470 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為39 MPa。內(nèi)葉板混凝土澆筑時應(yīng)注意VIP 板及拉結(jié)件位置，以免發(fā)生位移。

（6）養(yǎng)護(hù)成型：養(yǎng)護(hù)溫度不超過60 ℃，升溫速率不超過15 ℃/h，墻板成品見圖4。

圖4 墻板成品

4 輕質(zhì)超薄保溫裝飾一體化墻板的性能及成本分析

4.1 性能對比

試驗采用的輕質(zhì)超薄保溫裝飾一體化墻板內(nèi)葉墻板厚150 mm，VIP 板厚30 mm，外葉板厚30 mm，樣板尺寸為1500 mm×1500 mm，拉結(jié)件為FRP 拉結(jié)件。采用智能型穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質(zhì)測定系統(tǒng)CEETC-A-GC224 對墻板傳熱系數(shù)進(jìn)行測試，如圖5 所示。

圖5 構(gòu)件傳熱系數(shù)測試

經(jīng)測試，制備的輕質(zhì)超薄保溫裝飾一體化墻板傳熱系數(shù)為0.19 W/（m2·K），與傳統(tǒng)夾芯保溫外墻板[厚度360 mm，傳熱系數(shù)0.37 W/（m2·K）]相比，厚度減少41.7%，傳熱系數(shù)降低48.6%，單位面積質(zhì)量降低53.1%。

4.2 成本對比

預(yù)制輕質(zhì)超薄保溫裝飾一體化墻板和預(yù)制保溫裝飾一體化墻板的成本相近，具體成本分析見表10。

表10 成本分析

5 結(jié) 論

（1）各因素對混凝土拌合物的工作性能影響程度為：砂率＞水膠比＞漿骨比＞粉煤灰摻量，對混凝土力學(xué)性能的影響程度為：漿骨比＞水膠比＞粉煤灰摻量＞砂率。

（2）隨著增稠劑摻量的增加，混凝土拌合物的流動性和離析率均逐漸降低，抗壓強(qiáng)度提高。綜合考慮混凝土的工作性能和力學(xué)性能，確定增稠劑最佳種類為溫輪膠，最佳摻量為0.12%。

（3）通過試驗，確定制備輕質(zhì)超薄保溫裝飾一體化墻板的最佳生產(chǎn)工藝，制得的墻板與傳統(tǒng)夾芯保溫外墻板相比，厚度減少41.7%，傳熱系數(shù)降低48.6%，單位面積質(zhì)量降低53.1%，成本相近。