大型木絲水泥墻板及其應(yīng)用

鐘世云

（同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804）

大型木絲水泥墻板及其應(yīng)用

鐘世云

（同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804）

瑞典在2003年發(fā)明了一種輕質(zhì)、保溫隔熱性能優(yōu)良的預(yù)制大型木絲水泥墻板，并將其用于住宅和公共建筑如幼兒園、體育場的建設(shè)。我國在2012年引進(jìn)這種墻板生產(chǎn)技術(shù)，并將其生產(chǎn)和應(yīng)用形式進(jìn)行了開拓性的改進(jìn)。介紹其發(fā)展歷史、生產(chǎn)方法、主要技術(shù)性能和應(yīng)用實例，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了分析展望。

預(yù)制墻板；大型木絲水泥墻板；生產(chǎn)；應(yīng)用實例

0 引言

木絲水泥板（Wood Wool Cement Board，簡稱WWCB）是以水泥為膠結(jié)材，將精細(xì)刨制的木絲膠結(jié)成的復(fù)合材料。木絲厚度0.2～0.5mm，寬度1～5mm[1]。常見的木絲厚度為0.25 mm，長度為400 mm左右，寬度分粗絲及細(xì)線，粗絲的寬度3.5 mm，細(xì)絲的寬度1.8mm[2]。木絲水泥板的生產(chǎn)可以追溯到1920年，Josef開發(fā)了波特蘭水泥膠結(jié)的木絲水泥板。用鎂水泥膠結(jié)的木絲水泥板的生產(chǎn)，甚至可以追溯到1910年[3]。長期以來，木絲水泥板的產(chǎn)品形式主要是條板，條板的尺寸一般為寬度600 mm，長度2000～3000 mm，厚度20～150 mm。木絲水泥板條板的密度約400 kg/m3，是輕質(zhì)、低強(qiáng)度板材，主要應(yīng)用領(lǐng)域是吸聲和保溫。細(xì)絲產(chǎn)品主要用于吸聲板，粗絲產(chǎn)品主要用于保溫板[1]。1990年，菲律賓的Pablo博士開發(fā)了密度約為900 kg/m3的木絲水泥板，2000年荷蘭的Eltomation公司將密度提高到1100 kg/m3，稱為EltoBoard（艾托板），彎曲強(qiáng)度可以高達(dá)20MPa[3]。其所用木絲寬度更寬（約8 mm），稱為Wood Strand，增加了木絲水泥板的一個產(chǎn)品系列。這種板的密度比水泥刨花板（約1250～1400 kg/m3）略低，彎曲強(qiáng)度卻比水泥刨花板高1倍多，主要用于外墻板和永久模板。但是，高強(qiáng)度木絲水泥板仍然是條板，寬度600 mm，長度2000～3000 mm，厚度6～25 mm，最常見厚度為10 mm。大型木絲水泥板墻體構(gòu)件（或稱大型木絲水泥墻板）是木絲水泥板的第3種系列產(chǎn)品。2003年開始，瑞典Tr?ullit公司開發(fā)了一種木絲水泥板大型墻體構(gòu)件（Large Wall Elements of WWCB），并申請了歐洲專利[4]。墻體構(gòu)件的高度與房屋層高相同，厚度400 mm，長度可達(dá)6 m，可以預(yù)制成各種尺寸的墻體，提高房屋建造速度，而且由于保溫性能好，特別適合建造被動式房屋[5]。起初，木絲水泥板大型墻體構(gòu)件的生產(chǎn)采用人工與機(jī)械相結(jié)合的半自動鋪裝方式，約在2008年，荷蘭的Eltomation公司與瑞典Tr?ullit公司緊密合作開發(fā)了全自動的大型木絲水泥板墻體構(gòu)件（Large WWCB Wall Element）生產(chǎn)線，構(gòu)件的長度6 m，寬度3 m，厚度最高可達(dá)500 mm[6]。

本文主要介紹大型木絲水泥板墻體構(gòu)件（或稱大型木絲水泥墻板）的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)，并分析其發(fā)展前景。

1 大型木絲水泥板墻體構(gòu)件的生產(chǎn)

按照Tr?ullit公司Rückert的專利，大型木絲水泥板墻體構(gòu)件的干密度應(yīng)控制在200～300 kg/m3。為此，生產(chǎn)時，木絲的含水率控制為25%，濕木絲與干水泥的質(zhì)量比控制在1∶1.88～ 1∶1.92。一般木絲水泥板生產(chǎn)時，依據(jù)產(chǎn)品要求不同，干木絲與干水泥的比例為1∶1～1∶3不等[7]。生產(chǎn)大型木絲水泥墻板時，濕木絲與干水泥的攪拌機(jī)是一種連續(xù)攪拌設(shè)備。將混合物鋪裝到模具中時，可以根據(jù)需要在模具內(nèi)放置適當(dāng)尺寸的模塊，以便在構(gòu)件周邊成型建筑所需要的溝槽。例如頂邊放置U型模塊，2個側(cè)邊放置三角形模塊，其用途見后文。

圖1為瑞典Tr?ullit公司開發(fā)初期生產(chǎn)大型木絲水泥板墻體構(gòu)件時機(jī)械與人工相結(jié)合鋪裝模具的狀況。模具鋪裝完成后，為了將物料壓實到一定程度，在板上面壓一定質(zhì)量的重物。例如，生產(chǎn)6 m×2.6 m×0.4 m構(gòu)件時，所壓重物的質(zhì)量約15 t[5]。全自動的大型木絲水泥板墻體構(gòu)件物料混合與鋪裝生產(chǎn)線見圖2[6]。

圖1 大型木絲水泥墻體構(gòu)件機(jī)械與人工相結(jié)合的鋪裝方式

圖2 大型木絲水泥板墻體構(gòu)件物料混合與鋪裝生產(chǎn)線

2010年，Eltomation公司報道了另一種鋪裝成型生產(chǎn)線（見圖3）。在這種生產(chǎn)線上，木絲水泥混合料被鋪裝到連續(xù)運行的模具中，形成連續(xù)的坯料。該生產(chǎn)線的另一個特別之處是，鋪裝部分有一個循環(huán)回路，模具可以分2次鋪裝。第1次鋪裝時，模具只鋪裝一半厚度的物料，然后預(yù)置功能或結(jié)構(gòu)元件，包括前文提到的成型構(gòu)件周邊溝槽的模具零件，然后模具通過回路重新回到鋪裝位置進(jìn)行剩余物料的鋪裝。最普通的預(yù)置元件是吊裝用的構(gòu)件（一般用圓木）和吊帶（見圖4）。然后這種連續(xù)的坯料在下一個工位被飛鋸切開。分開的坯料和模具被運送到固化區(qū)域，并在板上面壓一定質(zhì)量的重物，帶模具進(jìn)行初始養(yǎng)護(hù)，初始養(yǎng)護(hù)時間一般為24h。之后，模具被運送到脫模工位進(jìn)行自動脫模，墻板構(gòu)件被豎直放置，運往養(yǎng)護(hù)區(qū)進(jìn)行后續(xù)養(yǎng)護(hù)?？粘鰜淼哪＞邉t經(jīng)過清潔和涂刷脫模劑后回到鋪裝成型線上[8]。

圖3 帶回路的大型木絲水泥墻體構(gòu)件鋪裝成型生產(chǎn)線

圖4 鋪裝大型木絲水泥墻板時預(yù)置吊裝用圓木和吊帶等模塊示意

2012年無錫泛亞環(huán)保科技有限公司從Eltomation公司引進(jìn)了這種大型木絲水泥板墻體構(gòu)件生產(chǎn)線。構(gòu)件的長度和寬度分別為6 m和3 m，厚度可以由鋪裝控制，一般為200～400 mm。生產(chǎn)400 mm厚度構(gòu)件時，每天生產(chǎn)能力達(dá)到1000 m3。

2 大型木絲水泥墻體構(gòu)件的應(yīng)用

2.1 大型木絲水泥墻板的主要性能指標(biāo)與結(jié)構(gòu)設(shè)計大型木絲水泥墻板的主要性能指標(biāo)見表1[5，8]。

表1 40 cm厚大型木絲水泥板的主要性能指標(biāo)

從表1可以看出，這種墻板承載能力很小。因此，當(dāng)將其用作房屋建筑時，承載結(jié)構(gòu)主要由設(shè)置在兩塊板之間的方形混凝土立柱和墻板頂部的U型混凝土圈梁構(gòu)成，如圖5所示。

立柱的斷面尺寸一般為70 mm×70 mm，U型圈梁的斷面尺寸一般為寬100 mm，高160 mm。根據(jù)風(fēng)力和承載能力需要，圈梁和立柱尺寸也可以更大，并使用更多鋼筋增強(qiáng)[5，8]。

由圖5可知，圈梁中用4根直徑12 mm的鋼筋增強(qiáng)。有1個用3 mm鋼板制造的固定用零件用于固定鋼筋，以確保鋼筋外面的混凝土保護(hù)層厚度。這個鋼板零件突出圈梁的位置部分，還用來固定屋頂。這個固定用零件以及圈梁澆筑及完成后的情況見圖6[5]。

圖5 大型木絲水泥墻板建筑結(jié)構(gòu)原理

圖6 用3 mm厚鋼板制造的固定用零件以及圈梁澆筑及完成后的情況

如果房屋超過1層，樓板安裝的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)見圖7。如果使用木樓板，在圈梁澆鑄時預(yù)埋用于安裝樓板的不銹鋼錨固件。

墻板安裝到位且混凝土立柱和圈梁澆筑之后，用防水透氣的砂漿將木絲水泥板的表面全部封閉。砂漿用增強(qiáng)網(wǎng)（玻纖網(wǎng)格布或鋼絲網(wǎng)）增強(qiáng)。墻板接縫位置用雙層網(wǎng)增強(qiáng)，第1層增強(qiáng)網(wǎng)跨接縫兩邊至少各200 mm，第2層增強(qiáng)網(wǎng)覆蓋全部墻面。

圖7 木樓板和混凝土樓板與墻體連接示意

2.2 大型木絲水泥墻板的應(yīng)用實例

2.2.1 國外應(yīng)用實例

最初幾年，在瑞典使用大型木絲水泥墻板建造的房屋數(shù)量如下[3]：

2003年：少數(shù)幾棟試驗建筑；2004年：20套房子；2005年：25套房子；2006年：60套房子；2007年：比上年有更多訂單。

這些房子一般都是1層或2層的別墅或聯(lián)排別墅。典型實例如圖8所示[5，8]。

圖8 用大型木絲水泥板建造的建筑

由于大型木絲水泥墻板具有非常好的保溫和隔熱性能，在瑞典和歐洲的其它國家用其建造了一些被動式建筑。2010年的瑞典建筑工業(yè)雜志報道了大型木絲水泥板發(fā)明人Rückert先生用600mm厚的木絲水泥墻體為自己建造被動房別墅的例子[9]。這棟房子使用面積143 m2，建造成本150萬克朗，其中使用大型木絲水泥板15.5萬克朗。圖9為在芬蘭建造中的1棟大型木絲水泥墻板被動式建筑。

圖9 用大型木絲水泥墻板建造的被動房（芬蘭，2012年）

此外，大型木絲水泥墻板還用于一些公共建筑。例如，幼兒園（見圖10）[10]、體育場（見圖11）[11]。

圖10 用大型木絲水泥墻板建造幼兒園（2012年）

圖11 用大型木絲水泥墻板建造的體育場（2015年）

2.2.2 國內(nèi)應(yīng)用實例

2012年無錫泛亞環(huán)?？萍加邢薰緩腅ltomation公司引進(jìn)了這種大型木絲水泥板墻體構(gòu)件生產(chǎn)線后，對大型木絲水泥墻板的應(yīng)用進(jìn)行了開拓性的研究。墻板的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方式與國外完全不同，并成功應(yīng)用于高層住宅項目（見圖12）[12]。

圖12 使用無錫泛亞環(huán)保公司木絲水泥板預(yù)制墻體的高層建筑（2015年）

3 應(yīng)用前景分析和展望

盡管木絲水泥板作為建筑材料已經(jīng)有近百年的歷史，但大型木絲水泥墻板卻是一種新型的墻體構(gòu)件，其性能還未被充分了解，因而，其應(yīng)用也還非常有限。

按照Rückert先生的介紹[5]，他與Tr?ullit公司的擁有者Bengt R??f先生從1990年代起就致力于新型木絲水泥墻體材料的開發(fā)。1995年時發(fā)明了一種砌塊材料，并于1995年在瑞典南部的Lund用其建造了一棟單層建筑。但使用這種砌塊建造房子仍然比較費人工，因而沒有什么突破。之后，他們繼續(xù)努力，終于在2003年試制了高2.4 m、寬2.4 m，厚度40 cm的大型板材，用這種板材，不到1 d就能把一棟房子搭建起來，大大節(jié)約了現(xiàn)場人工。因此，大型木絲水泥墻板開發(fā)是初衷是開發(fā)一種能夠取消現(xiàn)場墻體砌筑工作，同時并不降低墻體性能的一種建筑材料。

目前，大型木絲水泥墻板的最大尺寸可達(dá)長6 m，高3 m，厚度600 mm。按照國外的方法現(xiàn)場澆筑混凝土立柱和圈梁的話，建筑可以逐層搭建。按照國內(nèi)的做法，將大型木絲水泥板預(yù)制成可以現(xiàn)場安裝的墻體，用于框架建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)。兩種做法實際上都是將墻體做成了工廠預(yù)制件，只是現(xiàn)場安裝的方式不同，但都大大節(jié)約了現(xiàn)場施工時間。GB/T 51129—2015《工業(yè)化建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》于2016年5月1日起正式實施，許多省市都通過地方法規(guī)要求提高建筑的預(yù)制率，因此，輕質(zhì)大型木絲水泥墻板面臨著很好的發(fā)展機(jī)遇。

為了更好地說明這種板的應(yīng)用前景，可以將其與現(xiàn)有同類建筑材料進(jìn)行對比。工業(yè)化建筑體系主要有大板建筑和框架建筑兩個大類。大板建筑以預(yù)制混凝土大墻板（剪力墻）為代表，其預(yù)制墻體既是支撐結(jié)構(gòu)，也是建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。框架建筑的支撐體系為框架，可以是混凝土或者鋼架構(gòu)，其墻體一般使用輕質(zhì)材料。在近幾年鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的實踐中，還沒有出現(xiàn)好的輕質(zhì)大型外墻板。不少鋼結(jié)構(gòu)住宅的外墻仍然使用輕型砌塊如加氣混凝土砌塊進(jìn)行砌筑。近幾年來，包括寶鋼建筑在內(nèi)，有很多單位致力于開發(fā)與框架結(jié)構(gòu)配套的輕質(zhì)大型墻板。寶鋼建筑在2014年底發(fā)布新一代裝配式鋼結(jié)構(gòu)百年住宅體系——Baohouse，推出了“寶鋼保溫裝飾一體化板”，是一種預(yù)制輕質(zhì)夾心復(fù)合外墻板。國外STO公司的預(yù)制輕質(zhì)大墻板也是一種復(fù)合板，更確切地講，是一種輕鋼龍骨覆面板。遠(yuǎn)大可建科技有限公司在其網(wǎng)頁介紹了其外墻圍護(hù)復(fù)合板材由150 mm厚的巖棉和幕墻組成，傳熱系數(shù)為0.23 W/（m2·K）。

作為外墻維護(hù)結(jié)構(gòu)，除了要求傳熱系數(shù)比較低，從而有較好的保溫性能外，還應(yīng)該有較好的蓄熱性能。熱惰性指標(biāo)D可以很好地表征這兩方面的要求。熱惰性指標(biāo)D是材料熱阻R與蓄熱系數(shù)S的乘積，即D=RS。對于多層材料，D=∑（RS）。從表1可知，木絲水泥板具有很高的蓄熱能力，與輕質(zhì)混凝土和多孔磚相當(dāng)。根據(jù)復(fù)合外墻的結(jié)構(gòu)和其組成材料的熱工數(shù)據(jù)（見表2）[13]，我們可以計算得到2種墻體的熱惰性指標(biāo)，見表3。表2中木絲水泥板的蓄熱系數(shù)根據(jù)式（1）計算[14]：

表2 材料的熱物理計算參數(shù)

表3 2種墻體的熱惰性指標(biāo)

由表3可以看到，輕質(zhì)大型木絲水泥墻板做成的墻體的熱惰性指標(biāo)是巖棉與水泥板和玻璃幕墻組合成的復(fù)合墻體的約4倍或者更大。因此可以說，用輕質(zhì)大型木絲水泥墻板做外墻圍護(hù)的建筑，熱工性能更加優(yōu)秀，舒適性更好。

另外，水泥粘結(jié)木材復(fù)合材料（CBWC）的彎曲荷載位移曲線示意圖見圖13。在經(jīng)過荷載峰值之后不是立即斷裂，而是緩慢下降30%～50%，其初裂位移（δR）和3倍初裂位移（3δR）所對應(yīng)的荷載曲線下的面積用來評價纖維增強(qiáng)水泥的韌性。水泥刨花板和木絲水泥板的面積比值（A3R/AR）約為6，而純水泥材料是脆性的，初裂即相當(dāng)于斷裂[15]。大型木絲水泥墻板具有非常好的韌性，其抗折強(qiáng)度甚至高于抗壓強(qiáng)度。它的這種柔韌性，使其可以用于需要吸收較多能量的建筑場合。用木絲水泥預(yù)制大型墻板的承載能力還可以通過板材的組合方式變化來提高[16]。利用新型大型木絲水泥墻板生產(chǎn)線分2次鋪裝的特點，也可以在木絲水泥板中間預(yù)置增強(qiáng)材料，得到所需要的結(jié)構(gòu)性能。

圖13 水泥粘結(jié)木材復(fù)合材料（CBWC）彎曲荷載-位移曲線

4 結(jié)語

輕質(zhì)大型木絲水泥墻板是一種預(yù)制墻體。其表觀密度小，保溫隔熱性能好，熱惰性指標(biāo)是一般巖棉與水泥板和玻璃幕墻組合成的復(fù)合墻體的3倍以上，特別適合做框架結(jié)構(gòu)建筑的圍護(hù)材料。此外，它具有優(yōu)良的韌性，通過進(jìn)一步的優(yōu)化開發(fā)，有望在工業(yè)化建筑時代獲得廣泛的應(yīng)用。

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Large wood wool cement board wall element and its application

ZHONG Shiyun
（School of Materials Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

In order to satisfy the growing demand for construction comfort and industrialized construction，a new prefab-wall element，large wood wool cement board wall element with light and very high performance of thermal insulation was developed in Sweden in 2003.It was soon used for construction of the houses and public buildings like kindergarten and sport hall.In 2012 the producing technology for this wall element was imported in China.Afterwards the technology for production and use of this wall element is further developed.In this paper the history，production，main technical characteristic and application references of such wall elements are introduced，and its further developing and application are analyzed.

prefab-wall element，large wood wool cement board wall element，production，application references

TU525.5

A

1001-702X（2016）08-0100-06

2016-01-14；

2016-03-23

鐘世云，男，1961年生，江西興國人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事建筑材料的研究和教學(xué)工作。