高性能多功能一體化復合墻板連接設(shè)計與性能研究

程寶軍，麻鵬飛，史博元，康升榮

（中建西部建設(shè)建材科學研究院有限公司，四川 成都610064）

0 前言

預制墻板是裝配式建筑的基本圍護構(gòu)件。由于外墻葉暴露在外，預制墻板應(yīng)具有防水、防污以及耐用美觀等多個功能。預制墻板作為建筑物的圍護構(gòu)件，體積大、外露面積大，會受到各種外部作用。除了在制作、翻轉(zhuǎn)、吊運等過程中受力外，使用中也受到風荷載、地震等多方面作用。因此，對墻板的靜力學性能開展研究具有重要意義。預制復合夾芯外掛墻板主要由外葉、夾芯層、內(nèi)葉三部分組成，分別起到飾面、保溫、結(jié)構(gòu)作用，如圖1所示，三者間通過專用連接件進行連接。作為預制復合夾芯外掛墻板中的關(guān)鍵部件，連接件對保證墻板內(nèi)外葉共同工作具有重要作用，其力學性能將直接影響到墻板的安全性、適用性和耐久性[1]。

圖1 復合外掛墻板構(gòu)造

近年來發(fā)展的超高韌性水泥基復合材料（Engineered Cementations Composites，ECC）是將水泥基材料與纖維增強增韌技術(shù)相結(jié)合，具有高強度、高耐久性，在較高抗壓強度前提下大幅提高材料的抗拉、抗裂強度[2]。高性能多功能一體化外掛墻板通過反打、轉(zhuǎn)印等方式實現(xiàn)外掛墻板的飾面層，實現(xiàn)裝飾、保溫、圍護一體化設(shè)計。由于復合夾芯墻板外墻葉中纖維摻入，有效提高了其抗剪性能，增強了抗疲勞、抗沖擊和耐久性能，使圍護結(jié)構(gòu)具有較好抗震耗能能力[3]。本文圍繞該新型墻板的關(guān)鍵技術(shù)問題進行分析和探討。

1 構(gòu)造設(shè)計研究

1.1 高性能多功能一體化復合墻板標準板構(gòu)造設(shè)計

高性能多功能一體化復合墻板標準板構(gòu)造設(shè)計為100 mm高性能薄壁大空腔殼體+多功能芯體[見圖2（a）]。其中，高性能薄壁大空腔殼體采用高韌性水泥基復合材料：水泥為P·O42.5R普通硅酸鹽水泥，硅灰為半加密硅灰，粉煤灰為優(yōu)質(zhì)Ⅰ級灰。多功能芯體可根據(jù)實際需求采用不同保溫材料[4]。圖2（b）為高性能多功能一體化復合墻板標準板，其多功能芯體采用改性聚苯顆粒泡沫混凝土：發(fā)泡劑改性所用納米材料包括疏水納米SiO2、碳酸鈣晶須，其中疏水納米SiO2為江蘇天行新材料有限公司的TSP-L12，碳酸鈣晶須來自東莞市漢騰塑膠有限公司。墻板外側(cè)為飾面層，其裝飾效果多樣，可定制紋路實現(xiàn)自裝飾。

圖2 高性能多功能一體化復合墻板構(gòu)造

標準板之間的拼縫防水采用材料防水為主、構(gòu)造防水為輔的防水方案，在墻板接縫處設(shè)置企口坡度，并在企口中間采用連接砂漿，企口接縫內(nèi)、外側(cè)用耐候膠處理，防止水汽進入板縫向室內(nèi)流動滲透，如圖3所示。

圖3 標準板之間的拼縫防水方案

1.2 定制化外墻構(gòu)造設(shè)計

針對高性能多功能一體化復合墻板標準板，本文提出定制化外墻構(gòu)造。定制化外墻是通過輕型型鋼與螺栓將標準板拼接而成，且根據(jù)不同地區(qū)的建筑節(jié)能要求以及應(yīng)用場景，調(diào)整標準板中的多功能芯體與外墻構(gòu)造使其滿足實際需求[5]。

依據(jù)GB/T 50189—2019《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》中外墻傳熱系數(shù)K，將定制化外墻分為2類[6]，即K≤1 W/（m2·K）（夏熱冬冷地區(qū)公共建筑外墻傳熱系數(shù)要求）與K≤0.5 W/（m2·K）（嚴寒地區(qū)公共建筑外墻傳熱系數(shù)要求）。定制化外墻傳熱系數(shù)K≤1 W/（m2·K）的構(gòu)造設(shè)計為5塊100 mm×600 mm×3000 mm的標準板（100 mm高性能薄壁大空腔殼體＋改性聚苯顆粒泡沫混凝土芯體）通過型鋼拼接而成[如圖4（a）]；定制化外墻傳熱系數(shù)K≤0.5 W/（m2·K）的構(gòu)造設(shè)計為外側(cè)采用100 mm×600 mm×3000 mm的標準板（100 mm高性能薄壁大空腔殼體＋改性聚苯顆粒泡沫混凝土芯體），中間填充35 mm巖棉，內(nèi)側(cè)使用紙面石膏板，其中巖棉采用鋼絲網(wǎng)固定，紙面石膏板通過連接件與型鋼連接[如圖4（b）]。

圖4 定制化外墻的構(gòu)造

定制化外墻之間的拼縫防水同樣采用材料防水為主、構(gòu)造防水為輔的防水方案。在上下墻板接縫處用PE條封堵，接縫內(nèi)外側(cè)均用耐候膠處理，防止水汽進入板縫向室內(nèi)流動滲透。

2 連接節(jié)點設(shè)計研究

2.1 標準板之間拼接設(shè)計

在墻板內(nèi)側(cè)的高性能薄壁大空腔殼體上預埋定制螺帽（如圖5），通過預埋定制螺帽可避免開孔時產(chǎn)生應(yīng)力集中，減少人為操作誤差，提高定位精度，同時能夠在墻板任意尺寸預埋[7]。標準板拼接時，在每塊標準板的兩端各預埋2個定制M18螺帽，用于固定連接其兩端型鋼，如圖6所示。

圖5 定制螺帽結(jié)構(gòu)示意

圖6 預埋定制螺帽

依據(jù)GB/T 51231—2016《裝配式混凝土建筑技術(shù)標準》相關(guān)規(guī)定，為保證外掛墻板多遇地震下正常使用的性能目標，接縫處的密封材料不應(yīng)損壞；為保證外掛墻板在罕遇地震下不脫落的性能目標，板間接縫寬度應(yīng)足夠大。由現(xiàn)有的外掛墻板系統(tǒng)可知：板間接縫寬度不小于15 mm，且不宜大于35 mm，對于密封材料厚度建議不小于8 mm，且不宜小于縫寬的1/2[8]。結(jié)合標準板的相關(guān)尺寸，取板間接縫寬度為15 mm。同時，在標準板拼接型鋼上開橢圓孔，以便于控制板間接縫。

2.2 定制化外墻的連接節(jié)點設(shè)計

外掛墻板通過鋼連接組件與主體結(jié)構(gòu)采用四點簡支連接，外掛墻板所受水平荷載主要考慮自身重心偏移造成的水平力、風荷載以及水平地震力[9]。節(jié)點采用均布荷載簡支連接形式，外掛墻板的節(jié)點均為加寬型Z型連接件。外掛墻板節(jié)點通過預埋Z型連接板與連接組件連接，為提高連接板的水平向抗拉拔能力和豎向抗滑移能力，Z型連接板通過錨固鋼筋與鋼板焊接后預埋在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)；Z型鋼板焊接在型鋼上。定制化外墻的連接構(gòu)造如圖7所示。

圖7 定制化外墻的連接構(gòu)造設(shè)計

3 性能試驗

3.1 抗彎性能

預制混凝土外掛墻板主要考慮風載荷與地震載荷對其造成的變形破環(huán)，基于此，開展了墻板的靜力試驗，對高性能多功能一體化復合墻板標準板在平面外荷載作用下的極限荷載開展研究。具體實驗方法參照GB/T 30100—2013《建筑墻板試驗方法》。

抗彎試驗采用均布加載的試驗方法，試件兩端采用簡支的形式，試驗中標準板的多功能芯體采用改性聚苯顆粒泡沫混凝土。在板材中間位置前后及兩端正中位置各放置1個千分表，測試在逐級加載過程中的板中撓度。加載制度為：空載靜置2 min，之后不少于5級施加荷載，每級荷載為20 kg，由兩端向中間均勻加載，前4級每級加載后靜置2 min，第5級加載至板重的1.5倍后靜置5 min。按照上述方式加載直至板破壞或產(chǎn)生明顯裂縫，記載斷裂前1級荷載為最終試驗結(jié)果。采取上述加載制度，將養(yǎng)護至28 d齡期的標準板進行3次抗彎試驗，極限抗彎荷載試驗如圖8所示，測試結(jié)果如表1所示。

表1 極限抗彎荷載試驗

圖8 極限抗彎荷載試驗

由表1可知，多功能芯體為改性聚苯顆粒泡沫混凝土的高性能多功能一體化復合墻板標準板的面密度≤75 kg/m2，極限抗彎荷載最小為2333 N/m2，最大撓度均在12 mm左右，抗彎破壞荷載/板自重倍數(shù)均＞3倍，滿足預制混凝土外掛墻板抗彎性能要求。

3.2 抗彎數(shù)值模擬

為了進一步研究墻板的受力性能，特別是了解生產(chǎn)過程中一些產(chǎn)品缺陷對受力性能的影響，本節(jié)運用ANSYS對3.1部分墻板平面外均布荷載試驗進行數(shù)值模擬。根據(jù)基材性能試驗，保守地取值：抗壓強度80 MPa，軸拉強度4.5 MPa，彈性模量38 GPa，密度2000 kg/m3，泊松比0.25，開放裂縫傳力系數(shù)0.375，38 GPa閉合裂縫傳力系數(shù)0.95，網(wǎng)格邊長10 mm，抗壓試驗應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表2 墻材基材抗壓曲線

墻板約束條件如圖9，本質(zhì)上是3.1均部彎載試驗。

圖9 墻板約束條件

利用ANSYS建模如圖10，共劃分52 500個單元，經(jīng)檢驗所有單元都具有較高質(zhì)量（沒有任何單元出現(xiàn)形狀異常的警告或錯誤），拉應(yīng)力分布如圖11，壓應(yīng)力分布如圖12，墻板受壓失效荷載為3.598 kPa。與數(shù)值模擬結(jié)果相比，試驗所獲得的墻板抗彎載能力偏小，證明在實際生產(chǎn)中還存在細微的產(chǎn)品缺陷，使得墻板受力性能受到影響。

圖10 ANSYS模型

圖11 拉應(yīng)力分布

圖12 壓應(yīng)力分布

3.3 熱工性能計算及驗證

建筑內(nèi)圍護墻作為建筑圍護結(jié)構(gòu)的重要組成部分，不僅應(yīng)滿足相應(yīng)的力學性能要求，也要使外掛墻板自身的保溫隔熱構(gòu)造系統(tǒng)符合建筑物建筑節(jié)能設(shè)計對外墻的傳熱系數(shù)要求。因此，依據(jù)GB/T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定標定和防護熱箱法》研究了高性能多功能一體化復合墻板標準板的傳熱系數(shù)，多功能芯體為改性聚苯顆粒泡沫混凝土的標準板傳熱系數(shù)為0.77 W/（m2·K），其傳熱系數(shù)測試設(shè)備為WTRZ-穩(wěn)態(tài)熱傳遞性能試驗機。根據(jù)GB 50189—2019《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》，多功能芯體為改性聚苯顆粒泡沫混凝土的標準板在厚度為100 mm基礎(chǔ)上達到了夏熱冬冷地區(qū)公共建筑外墻傳熱系數(shù)的標準要求。

針對多功能芯體為改性聚苯顆粒泡沫混凝土的高性能多功能一體化復合墻板標準板進行熱工理論計算研究。在墻板熱工理論計算中，主要用傳熱組R0、傳熱系數(shù)K評價墻板的保溫隔熱性能[10]。

（1）熱阻計算

熱阻R是評價墻板本身或其中某層材料阻抗傳熱能力的物理量。傳熱阻R0是評價墻板阻抗傳熱能力的物理量，其為傳熱系數(shù)K的倒數(shù)。

本研究中高性能多功能一體化復合墻板標準板為由2種或2種以上材料組成，兩向非均質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)（包括各種形式的空心砌塊、填充保溫材料的墻體等）平均熱阻由式（1）計算：

F0——與熱流方向垂直的總傳熱面積，m2；

F1、F2…Fn——按平行方向與熱流方向劃分的各個傳熱面積，m2；

R0.1、R0.2…R0.n——各傳熱面積部位的傳熱阻，（m2·K）/W；

Ri——內(nèi)表面換熱阻，取0.11（m2·K）/W；

Re——外表面換熱阻，取0.04（m2·K）/W。

整個墻板的傳熱阻R0由式（2）計算：

（2）傳熱系數(shù)計算

傳熱系數(shù)是評價墻板保溫性能的重要指標，空心墻板和填充不同密度等級的復合墻板的傳熱系數(shù)K由式（3）計算：

根據(jù)熱工性能計算理論[11]，計算出多功能芯體采用改性聚苯顆粒泡沫混凝土的標準板熱阻為1.323（m2·K）/W，傳熱系數(shù)為0.756 W/（m2·K）；構(gòu)造設(shè)計為標準板（100 mm高性能薄壁大空腔殼體+改性聚苯顆粒泡沫混凝土芯體）+35 mm巖棉+紙面石膏板的熱阻為2.079（m2·K）/W，傳熱系數(shù)為0.481 W/（m2·K）。此結(jié)果與標準板的傳熱系數(shù)實測值0.77 W/（m2·K）的誤差為1.8%，理論值與試驗值較為接近。

4 結(jié)語

（1）高性能多功能一體化復合墻板體系與主體結(jié)構(gòu)相對獨立，構(gòu)件與功能構(gòu)造相對獨立，構(gòu)件標準化、模數(shù)化，并實現(xiàn)預制裝配式化，構(gòu)造上靈活多變，可實現(xiàn)多種組合，同時構(gòu)造多種組合可滿足不同氣候區(qū)、不同節(jié)能設(shè)計標準的要求。

（2）研發(fā)了適用于高性能多功能一體化復合墻板體系的連接節(jié)點、拼接防水等構(gòu)造，提高了安裝效率，并可很好地滿足保溫、防水等要求。

（3）高性能多功能一體化復合墻板整體力學性能優(yōu)異，面密度≤75 kg/m2，極限抗彎荷載最小為2333 N/m2，最大撓度在12 mm左右，抗彎破壞荷載/板自重倍數(shù)均＞3倍；多功能芯體為改性聚苯顆粒泡沫混凝土的標準板傳熱系數(shù)為0.77 W/（m2·K），符合建筑物建筑節(jié)能設(shè)計對外墻的傳熱系數(shù)要求。

（4）對復合墻板殼體受力進行數(shù)值模擬，得出均布彎載與試驗結(jié)果相吻合，驗證了材料在數(shù)值模擬中的各項性能參數(shù)，為墻材的實際應(yīng)用提供了理論支撐。