預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板的應(yīng)用與住宅產(chǎn)業(yè)化*

肖力光 范 雪

(吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130118)

預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板的應(yīng)用與住宅產(chǎn)業(yè)化*

肖力光 范 雪

(吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130118)

論述了住宅產(chǎn)業(yè)化及其在我國的發(fā)展,分析了預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板的特點(diǎn)和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,指出發(fā)展預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板是實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化的重要支撐,發(fā)展預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板可以有效實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能,應(yīng)進(jìn)一步推廣這種新型節(jié)能保溫墻體材料的應(yīng)用.

預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板；住宅產(chǎn)業(yè)化；建筑節(jié)能

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展,住宅產(chǎn)業(yè)已成為帶動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)重要支柱產(chǎn)業(yè).為實(shí)現(xiàn)住宅建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展,滿足人們?nèi)找嬖鲩L的住房需求,就必須加快住宅產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程,使我國的住宅產(chǎn)業(yè)盡快從落后的粗放型生產(chǎn)加工方式向集約型生產(chǎn)的先進(jìn)模式轉(zhuǎn)變,提高住宅質(zhì)量[1].預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板作為新型節(jié)能保溫墻體發(fā)展的代表產(chǎn)品,其保溫性能和防火性能優(yōu)越,具備建筑新型墻體工業(yè)化的條件,可實(shí)現(xiàn)預(yù)制生產(chǎn),是推進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)化的重要技術(shù)支撐[2].

1 住宅產(chǎn)業(yè)化

住宅產(chǎn)業(yè)化是指在住宅建設(shè)過程中,采用工業(yè)化的生產(chǎn)方式生產(chǎn)各類建筑構(gòu)配件、半成品、成品,現(xiàn)場(chǎng)采用機(jī)械化裝配.通過推廣應(yīng)用新技術(shù)、新設(shè)備、新材料、新工藝,縮短工期,降低成本,提高生產(chǎn)率,從而促進(jìn)住宅建設(shè)成為我國新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)[3-4].

我國住宅產(chǎn)業(yè)化還處于粗放式的發(fā)展階段,主要表現(xiàn)在:

(1) 工業(yè)化住宅建設(shè)程度低,工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)體系尚不健全;

(2) 尚未建立住宅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的模數(shù)協(xié)調(diào)體系,產(chǎn)品質(zhì)量難以保證;

(3) 住宅建設(shè)能源消耗高,物質(zhì)消耗高,勞動(dòng)生產(chǎn)率低,科學(xué)進(jìn)步貢獻(xiàn)率低[5].

2 預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板和住宅產(chǎn)業(yè)化

2.1 預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板的特點(diǎn)

預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板是由內(nèi)、外兩層混凝土板內(nèi)夾保溫材料,通過連接件將三層材料連接形成具有良好保溫節(jié)能效果的新型墻體材料(如圖1和圖2所示)[6-7].達(dá)到節(jié)能要求的同時(shí)符合國家環(huán)保要求,它與傳統(tǒng)墻體材料相比具有以下特點(diǎn):

圖1 預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板構(gòu)造示意

圖2 預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板剖面

(1) 保溫隔熱. 預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板的內(nèi)外葉墻采用抗壓強(qiáng)度高、不燃燒的混凝土制成.保溫材料則采用容重低、導(dǎo)熱率低的硬質(zhì)泡沫塑料,這種連續(xù)貫通的保溫層構(gòu)造使墻板的熱工性能更優(yōu)良,傳熱系數(shù)不超過0.50W/(m2·K).墻板還可根據(jù)保溫隔熱的實(shí)際需要改變厚度,使其達(dá)到各種墻體節(jié)能指標(biāo)的要求.同時(shí),墻板能與主體框架結(jié)構(gòu)形成完全封閉,有效阻斷室內(nèi)外的熱量流通,達(dá)到冬暖夏涼,低碳環(huán)保.

(2) 增加建筑使用面積. 混凝土夾芯復(fù)合墻板的厚度為160～200mm,與其他保溫墻體材料相比,減少了50%左右[8],在相同的建筑面積條件下,能夠增加建筑使用面積約5%.并且在復(fù)合墻板作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí),可采取墻板在主體結(jié)構(gòu)外側(cè)外掛的連接方式,大大提高了建筑空間利用率.

(3) 滿足裝飾需求. 目前,我國外墻保溫技術(shù)大多采用在建筑外墻粘貼聚苯乙烯板,除了耐久性和安全性差之外,還給建筑外墻的裝飾裝修提出了較大難題.復(fù)合墻板的應(yīng)用，使這些問題得到了很好的解決,由于復(fù)合墻板的保溫層是夾設(shè)在兩層混凝土板中間,且內(nèi)外混凝土層的平整度很高,為各類裝飾材料提供了很好的基層條件,這樣便可以按照不同的建筑裝飾需求來設(shè)計(jì)裝修墻板的外葉墻.

(4) 使用壽命長. 與現(xiàn)行的外墻保溫技術(shù)相比,復(fù)合墻板除了保溫、裝飾功能外,還能有效地保護(hù)保溫材料,使其不受到外部侵蝕環(huán)境等不利因素的影響,延長使用壽命30年以上,達(dá)到與建筑同壽命,這種保護(hù)對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性起著至關(guān)重要的作用,同時(shí)也為社會(huì)減少了50%的建筑垃圾.

2.2 預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板的研究現(xiàn)狀

(1) 國外研究發(fā)展現(xiàn)狀. 預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板自1960年發(fā)明以來一直廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域,英國研究人員Fisher針對(duì)夾芯墻板的抗壓強(qiáng)度與連接件的關(guān)系做了大量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,連接件的類型及間距對(duì)墻板的抗壓強(qiáng)度影響并不大.同時(shí),為了研究夾芯墻板的內(nèi)外葉墻在垂直荷載作用下的承載情況,英國A.W.Hendry等學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果顯示,當(dāng)夾芯墻板采用金屬連接件連接,并且內(nèi)外葉墻的厚度取半磚厚時(shí),其承載能力與一磚厚的實(shí)芯墻板基本相同.當(dāng)夾芯墻板加載至1/2的破壞荷載時(shí),內(nèi)外葉墻所承擔(dān)的荷載分配比例為3/2,隨著施加的荷載逐漸增大,內(nèi)外葉墻的承載值也趨于相等[9-11].學(xué)者Ramn對(duì)采用簡(jiǎn)支和固定支撐的墻板進(jìn)行了溫度荷載試驗(yàn),驗(yàn)證了預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板的“熱彎曲”效應(yīng)[12].

國外學(xué)者針對(duì)復(fù)合墻板的連接件已經(jīng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究分析.德國Kaiserslautern大學(xué)曾就采用棒式連接件連接的墻板進(jìn)行抗剪試驗(yàn)[13],試驗(yàn)結(jié)果表明,連接件發(fā)生彎曲破壞.同年,Kaiserslautern大學(xué)又對(duì)其進(jìn)行了拔出試驗(yàn)[14-16],連接件發(fā)生斷裂破壞.同時(shí),Kurama等人[17]還研究了格構(gòu)式連接件在抗震試驗(yàn)中的抗震性能,并提出了墻板相關(guān)設(shè)計(jì)方案.目前很多研究都集中在抗剪連接件的優(yōu)化改性上.美國學(xué)者M(jìn)ahmut Ekenel,Ph.D.,P.E.,A.M.ASCE[7]研制了一種新型連接件,采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料網(wǎng)格連接“三明治”墻板,不僅熱工性能優(yōu)于普通鋼筋作為連接件的墻板,而且還明顯提高了墻板的耐久性.碳纖維導(dǎo)熱率約為普通鋼筋的14%,用碳纖維復(fù)合材料網(wǎng)格連接的混凝土夾芯復(fù)合墻板,可以充分發(fā)揮墻板在外界綜合作用下的隔熱性能.同時(shí),玻璃纖維又是高抗拉強(qiáng)度和低導(dǎo)電率材料.這種使用玻璃或碳纖維作為連接件的混凝土復(fù)合墻板能有效地消除冷橋效應(yīng)，以及材料溫差在混凝土中產(chǎn)生的不良應(yīng)變.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合連接技術(shù)，使混凝土復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)的熱阻高達(dá)32m2·K/W,是使用鋼筋連接件同等厚度的復(fù)合墻板熱阻的11～16倍.復(fù)合網(wǎng)格連接件還具有較強(qiáng)的耐腐蝕性,并且同鋼筋連接件相比,表面防腐處理要求很低.但大多數(shù)復(fù)合材料通常具有低抗剪強(qiáng)度,為了避免復(fù)合墻板由于連接件失效而破壞,Mahmut Ekenel等研究人員做了相關(guān)研究[7],復(fù)合網(wǎng)格的制作采用浸漬在環(huán)氧樹脂中的纖維持續(xù)成網(wǎng)并沿45°角切割成帶狀(如圖3所示),同時(shí)對(duì)使用此種連接件的復(fù)合墻板進(jìn)行了靜力試驗(yàn)(如圖4所示).

試驗(yàn)結(jié)果表明,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連接件能提供足夠的抗剪承載力,滿足復(fù)合墻板的受力要求.為進(jìn)一步研究纖維增強(qiáng)復(fù)合網(wǎng)格的耐久性,將墻板置于潮濕環(huán)境中,通過測(cè)試水分子對(duì)抗剪連接件使用壽命的影響來確定纖維增強(qiáng)連接件材料的耐久性特點(diǎn)(測(cè)試結(jié)果見表1).從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出,纖維增強(qiáng)連接件材料具有很高的耐久性能.

表1 耐久性試驗(yàn)

圖3 纖維增強(qiáng)網(wǎng)格的典型構(gòu)造

圖4 雙剪切試驗(yàn)

總之,混凝土復(fù)合墻板在發(fā)達(dá)國家經(jīng)過多年的推廣和應(yīng)用,理論及技術(shù)都趨于成熟.

(2) 國內(nèi)研究現(xiàn)狀. 我國在20世紀(jì)90年代末開始研究復(fù)合墻板技術(shù),西安建筑科技大學(xué)曾就復(fù)合墻板的力學(xué)性能和抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,研究分析了墻板的開裂過程及裂縫的發(fā)展規(guī)律,指出復(fù)合墻板整個(gè)結(jié)構(gòu)體系具有良好的受力性能和很高的抗震承載力,可以使用在不高于8°設(shè)防的地震區(qū)[2,18].并且在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)墻板的破壞機(jī)理進(jìn)行了深入分析,給出各類荷載相應(yīng)承載力的簡(jiǎn)便計(jì)算公式.為了研究復(fù)合墻板在內(nèi)外葉墻不等厚時(shí)的工作性能,清華大學(xué)于2003年針對(duì)此類墻板進(jìn)行了研究.試驗(yàn)論證了內(nèi)外混凝土層不等厚時(shí),復(fù)合墻板具有良好的協(xié)同工作性能,且墻板破壞是由于較薄的混凝土層達(dá)到了極限狀態(tài),而此時(shí)較厚的一側(cè)混凝土層卻并未達(dá)到其極限狀態(tài).除了試驗(yàn)研究外,我國學(xué)者還采用有限元分析程序ANSYS對(duì)復(fù)合墻板進(jìn)行了力學(xué)性能的理論分析.分析結(jié)果認(rèn)為,當(dāng)墻板受到水平荷載和豎向荷載作用時(shí),墻板各部分能夠很好地協(xié)同工作,其力學(xué)性能與普通實(shí)心剪力墻相比沒有較大差距,為復(fù)合墻板的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù).2007年,同濟(jì)大學(xué)與萬科等多家企業(yè)合作,共同研發(fā)出板式FRP新型連接件,并針對(duì)已生產(chǎn)出的連接件進(jìn)行了熱工性能和力學(xué)性能測(cè)試[19](測(cè)試結(jié)果見表2).數(shù)據(jù)表明,板式FRP連接件的力學(xué)性能良好,具有較大的安全儲(chǔ)備.同時(shí),紅外成像顯示,采用FRP制作的墻板,表面溫度均勻,沒有明顯的熱橋效應(yīng),能夠滿足實(shí)際工程中的使用要求.

表2 連接件抗剪及拔出試驗(yàn) (kN)

2.3 發(fā)展預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板是實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化的重要支撐

混凝土夾芯復(fù)合墻板的加工制作是在預(yù)制構(gòu)件廠里完成的,墻板的質(zhì)量可以得到充分保證;采用預(yù)制墻板,大大減少了施工現(xiàn)場(chǎng)的濕作業(yè),簡(jiǎn)化施工工序,加快工程進(jìn)度;復(fù)合墻板的尺寸規(guī)格按照標(biāo)準(zhǔn)化和定型化生產(chǎn),這在住宅建設(shè)過程中有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)和科學(xué)化管理,提高工業(yè)化勞動(dòng)生產(chǎn)率.這些特點(diǎn)都與住宅產(chǎn)業(yè)化的內(nèi)涵相一致,并且符合我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展要求,為我國實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化提供了重要支撐.

為了推進(jìn)我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展,混凝土夾芯復(fù)合墻板的研發(fā)生產(chǎn)應(yīng)重點(diǎn)解決以下問題:

(1) 新型混凝土夾芯復(fù)合墻板的研發(fā). 使用普通混凝土制作的復(fù)合墻板自重過大,如何在保留普通混凝土諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),又可以使墻板變得輕質(zhì)高強(qiáng).同時(shí),如何通過合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì),研發(fā)出抗震性能良好的復(fù)合墻板,使之滿足住宅產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)體系要求[20];

(2) 預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立. 健全的標(biāo)準(zhǔn)化體系是實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ),墻板的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和模數(shù)協(xié)調(diào)體系的建立,使復(fù)合墻板的生產(chǎn)應(yīng)用向著標(biāo)準(zhǔn)化、體系化、通用化的方向發(fā)展.

2.4 預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能有效形式

建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分散失的熱量分別為:屋頂8%～10%,外門窗48%～53%,樓地面3%,樓梯門、隔墻10%,外墻25%～28%[21-22].由此看出,在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中,通過外墻所損失的熱量約占總熱量損失的1/3.預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板是提高外墻的熱工性能的有效形式之一.它采用構(gòu)件廠預(yù)制,質(zhì)量控制易于保證,能夠滿足大規(guī)模保溫節(jié)能的要求,可以將外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的使用能耗降到最低,有效地實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能.

3 結(jié)論

預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板的應(yīng)用范圍十分廣泛,它能夠最大限度地實(shí)現(xiàn)住宅部品化,是推進(jìn)我國住宅產(chǎn)業(yè)化的重要技術(shù)支撐,同時(shí)具有符合建筑節(jié)能及可持續(xù)發(fā)展要求的特點(diǎn).因此,預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板是值得大力發(fā)展的新型綠色墻材.

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The Application of Concrete Sandwich Composite Panel and Housing Industrialization

XIAO Li-guang，F(xiàn)AN Xue

(School of Material and Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun,China 130118)

This article expounds the development of the housing industrialization in China,analyses the characteristics and the current situation of the concrete sandwich composite panel,points out that the development of the concrete sandwich composite panel is the important support to realize the housing industrialization,and puts forward the development of the concrete sandwich composite panel can achieve the energy conservation in building effectively,so as to extend the application of this new type of energy-saving insulation panel.

concrete sandwich composite panel；housing industrialization；energy conservation in building

2014-07-20.

肖力光(1962～),男,吉林省長春市人,教授,博士.

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃重大攻關(guān)項(xiàng)目(20130204009SF);吉林省新型墻體材料研發(fā)項(xiàng)目(2012314).

TU 5

A

2095-8919(2015)01-0043-04