加氣混凝土復(fù)合保溫外墻板的研發(fā)

苗紀(jì)奎，莊贈楷，胡藍皓

（山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟南 250101）

0 引言

建筑工業(yè)化是建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢，裝配式建筑技術(shù)滿足我國建筑業(yè)的各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，得到了廣泛應(yīng)用[1]。住建部建筑市場監(jiān)管司2019年工作要點提出選擇部分地區(qū)開展裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建設(shè)試點，推動建立成熟的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建設(shè)體系。2020年7月，住建部等七部門印發(fā)《綠色建筑創(chuàng)建行動方案》，提出推廣裝配化建造方式，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)等裝配式建筑，新建公共建筑原則上采用鋼結(jié)構(gòu)。在國內(nèi)多重利好政策的推動下，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑將會迎來高速發(fā)展期[2]。

在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中，裝配式鋼結(jié)構(gòu)具備輕量化、模塊化、易于拆解循環(huán)利用等優(yōu)點，且與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土框架建筑相比，采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的建筑全壽命周期成本低[3-5]，適用于工業(yè)化住宅建筑，是實現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化的方式[6-7]。但目前國內(nèi)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑比例和規(guī)模化程度較低，技術(shù)集成度與發(fā)展裝配式建筑的有關(guān)要求相比差距較大[8-9]。鋼結(jié)構(gòu)住宅只有試點工程而未大面積推廣的原因之一，就是與鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅相配套外墻板的研發(fā)、應(yīng)用技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)圖集相對滯后[10-11]。目前應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的墻板主要有蒸壓加氣混凝土條板、預(yù)制混凝土夾芯板、輕鋼龍骨復(fù)合墻板和鋼絲網(wǎng)架水泥夾芯板。以上4種墻板還存在以下技術(shù)問題：（1）蒸壓加氣混凝土條板無法滿足寒冷與嚴(yán)寒地區(qū)對墻體熱工性能的要求，且存在凍融破壞問題[12]；（2）預(yù)制混凝土夾芯板自重大，運輸與吊裝難度大，且安裝精度不易控制；（3）輕鋼龍骨復(fù)合墻板易形成熱橋，墻板保溫與隔聲效果差，在墻體上釘掛重物困難，且輕鋼龍骨組合結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力傳遞不明確、理論分析方法尚不充分的問題[13-14]；（4）鋼絲網(wǎng)架水泥夾芯板易發(fā)生鋼筋變形，使抹灰層下墜，造成水泥砂漿抹灰層開裂。

基于目前常用外墻板存在問題分析，結(jié)合裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑對外墻板的性能要求，提出一種新型保溫與結(jié)構(gòu)一體化墻板——加氣混凝土復(fù)合保溫外墻板[15]，并借助于試驗與理論分析，研究了新型復(fù)合保溫外墻板的性能。

1 新型復(fù)合保溫外墻板的提出

1.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻板的性能要求

外墻圍護系統(tǒng)可用墻板種類多，施工工藝與節(jié)點構(gòu)造各異，為保證外墻圍護系統(tǒng)的工程質(zhì)量，GB/T 51232—2016《裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對外墻圍護系統(tǒng)提出了具體的性能要求，主要包括安全性、功能性和耐久性3個方面。安全性要求是涉及人身安全的關(guān)鍵性能指標(biāo)，對于裝配式建筑外墻圍護系統(tǒng)而言，應(yīng)符合基本的承載力及防火要求，具體可分為抗風(fēng)壓性、抗震性、耐撞擊性及防火性4個方面。功能性要求是指作為外墻圍護系統(tǒng)應(yīng)該滿足居住使用功能的基本要求，具體包括水密性、氣密性、隔聲性和熱工性4個方面。耐久性要求直接影響外墻圍護系統(tǒng)使用壽命和維護保養(yǎng)時限，具體包括耐候性、抗凍性、耐熱雨性及耐干濕性等。另外，外墻板還應(yīng)具有良好的經(jīng)濟性和環(huán)境協(xié)調(diào)性。經(jīng)濟性要求制作墻板的原材料來源廣泛、就地取材，且設(shè)計制作簡單，以降低生產(chǎn)成本。環(huán)境協(xié)調(diào)性要求墻板的組成材料資源及能源消耗少、環(huán)境污染小、再生循環(huán)利用率高。裝配式建筑外墻板是把傳統(tǒng)外墻施工方式中的大量現(xiàn)場作業(yè)轉(zhuǎn)移到工廠進行，在工廠加工制作好墻板，再運輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場，通過可靠的連接方式裝配安裝而成的墻體。因此，外墻板還應(yīng)符合工業(yè)化要求：（1）工廠標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、流水線生產(chǎn)；（2）自重輕，運輸?shù)跹b方便；（3）節(jié)點構(gòu)造簡單、安裝施工便捷。

1.2 新型復(fù)合保溫外墻板基本構(gòu)造

加氣混凝土復(fù)合保溫外墻板是以蒸壓加氣混凝土板為基層，復(fù)合有機保溫板及35 mm厚A級保溫漿料在工廠預(yù)制成型的一種新型保溫與結(jié)構(gòu)一體化外墻板[以下簡稱復(fù)合保溫外墻板（見圖1）]。復(fù)合保溫外墻板利用加氣混凝土板基層承受墻板自重及作用于其上的水平荷載，利用有機保溫板作為保溫層，以滿足嚴(yán)寒與寒冷地區(qū)外墻的節(jié)能設(shè)計要求，利用保溫漿料作為防護層，以滿足墻板的防火性能要求。

復(fù)合保溫外墻板各構(gòu)造層間為無空腔構(gòu)造，即加氣混凝土板基層涂刷界面處理劑后，借助粘結(jié)砂漿與保溫板復(fù)合在一起，再在保溫板的上表面澆筑保溫漿料防護層，保溫漿料將保溫板完全包裹。為提高保溫漿料防護層與保溫板的粘結(jié)面積與咬合力，保溫板表面開設(shè)沿寬度方向的鍵槽，并通過塑料錨栓將保溫漿料防護層、保溫層與加氣混凝土板基層機械錨固在一起。

圖1 復(fù)合保溫外墻板的構(gòu)造示意

2 粘結(jié)砂漿與加氣混凝土板粘結(jié)性能試驗

復(fù)合保溫外墻板的保溫層通過粘結(jié)砂漿與加氣混凝土板基層粘結(jié)在一起，因而粘結(jié)砂漿與加氣混凝土板的粘結(jié)性能直接影響保溫層與加氣混凝土板基層的連接安全性。為研究粘結(jié)砂漿與加氣混凝土板基層的粘結(jié)性能，對20個粘結(jié)試樣進行了拉伸試驗，分析了有無界面處理劑以及粘結(jié)砂漿厚度對拉伸粘結(jié)強度的影響，以優(yōu)化復(fù)合保溫外墻板保溫層與基層的連接構(gòu)造。

圖2 涂刷界面劑的粘結(jié)試樣

2.1 試驗概況

本次試驗共設(shè)計2組粘結(jié)試樣，一組試樣的加氣混凝土板表面涂刷界面劑，另一組試件的加氣混凝土板不進行界面處理，試樣尺寸為100 mm×100 mm。制作試樣的材料由山東易通建材有限公司提供，加氣混凝土板的規(guī)格為150 mm厚，界面劑為加氣混凝土專用界面劑。每組試樣按照粘結(jié)砂漿的不同厚度又分為5種類型，每種類型的試樣制作2個，共計20個試樣，涂刷界面劑的試樣見圖2，各試樣參數(shù)見表1。試樣制作時，將粘結(jié)砂漿填滿放置在加氣混凝土板基層的成型框內(nèi)，成型框的厚度分為2、4、6、8、10 mm共5種，試樣制作完成后，在溫度（23±2）℃，相對濕度（50±5）%的環(huán)境條件下養(yǎng)護28d后進行拉伸試驗。試驗參照J(rèn)GJ144—2019《外墻外保溫工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》附錄C.1基層墻體與膠粘劑的拉伸試驗方法，采用數(shù)顯式粘結(jié)強度檢測儀（見圖3）進行測試。

圖3 數(shù)顯式粘結(jié)強度檢測儀

2.2 試驗結(jié)果分析

各粘結(jié)試樣的拉伸粘結(jié)強度見表1。JGJ 144—2019第5.2.7條規(guī)定，基層與膠粘劑的拉伸粘結(jié)強度應(yīng)≥0.3 MPa。

表1 粘結(jié)試樣的拉伸粘結(jié)強度

由表1可見：（1）未涂刷界面處理劑的試樣，各厚度粘結(jié)砂漿與加氣混凝土板基層的拉伸粘結(jié)強度平均值均低于0.3 MPa；而涂刷界面處理劑的試樣，各厚度粘結(jié)砂漿與加氣混凝土板的拉伸粘結(jié)強度平均值均大于0.4 MPa。因此，在加氣混凝土板表面涂刷界面處理劑可以顯著提高粘結(jié)砂漿與加氣混凝土板的拉伸粘結(jié)強度，從而提高保溫層與加氣混凝土板基層的連接安全性。（2）對于涂刷界面處理劑的試樣，改變粘結(jié)砂漿的厚度對其拉伸粘結(jié)強度影響較小。因此，為降低復(fù)合保溫外墻板的生產(chǎn)成本，應(yīng)盡可能減小粘結(jié)砂漿的厚度，從而減少材料用量。為保證連接安全性，并兼顧生產(chǎn)制作的要求，建議復(fù)合保溫外墻板粘結(jié)砂漿的厚度取4～6 mm。

3 復(fù)合保溫外墻板隔聲性能與耐火性能試驗

3.1 隔聲性能試驗

理想的外墻板要求墻板自重輕，在滿足熱工性能的前提下盡可能減小厚度，以降低運輸和吊裝費用，但自重輕、厚度薄的墻體通常存在隔聲差的問題。為檢驗復(fù)合保溫外墻板的隔聲性能，依據(jù)GB/T 19889.3—2005《聲學(xué) 建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量 第3部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實驗室測量》對其進行隔聲性能試驗，試件尺寸為2480 mm×600 mm×230 mm（見圖4），墻板各構(gòu)造層由內(nèi)而外依次為：150 mm厚加氣混凝土板基層（A3.5，B05）、5mm厚粘結(jié)砂漿、40mm厚擠塑板保溫層和35 mm厚保溫漿料防護層，制作試件的材料均為山東易通建材有限公司提供。試驗結(jié)果表明，復(fù)合保溫外墻板的空氣計權(quán)隔聲量為45 dB，符合GB 50118—2010《民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》第4.2.6條規(guī)定的外墻的空氣計權(quán)隔聲量≥45 dB的要求。

圖4 隔聲性能試驗

圖5 耐火性能試驗

3.2 耐火性能試驗

耐火極限是劃分外墻板耐火性能等級的重要指標(biāo)，為檢驗復(fù)合保溫外墻板的耐火性能，依據(jù)GB/T 9978.1—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗方法 第1部分：通用要求》對其進行耐火性能試驗，試件尺寸為1200 mm×600 mm×200 mm（見圖5），墻板各構(gòu)造層由內(nèi)而外依次為：120 mm厚加氣混凝土板基層（A3.5，B05）、5 mm厚粘結(jié)砂漿、40 mm厚擠塑板保溫層和35 mm厚保溫漿料防護層，制作試件的材料均為山東易通建材有限公司提供。試驗結(jié)果表明，復(fù)合保溫外墻板的耐火極限大于1.0 h，符合GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》第5.1.2條規(guī)定的非承重外墻耐火等級為一級的要求。

4 復(fù)合保溫外墻板的適用性分析

隨著節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的提高，加氣混凝土單一材料墻板難以滿足嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)對墻體傳熱系數(shù)限值的要求，因此衡量墻板適用性的一項重要指標(biāo)就是其熱工性能。另外，從上述復(fù)合保溫外墻板的性能分析可見，墻板的自重小，不僅運輸?shù)跹b方便，還可以減輕建筑質(zhì)量，降低地震作用和基礎(chǔ)工程造價。因此，本文通過理論計算對比分析了復(fù)合保溫外墻板和加氣混凝土外墻板的熱工性能及自重，研究了復(fù)合保溫外墻板在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中的適用性。

4.1 熱工性能

傳熱系數(shù)是衡量外墻熱工性能的主要指標(biāo)，JGJ26—2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》按照建筑層數(shù)的不同，規(guī)定了外墻傳熱系數(shù)限值（見表2）。為了便于問題的討論，選取相同厚度的復(fù)合保溫外墻板和加氣混凝土外墻板，以嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)外墻傳熱系數(shù)限值為衡量標(biāo)準(zhǔn)，探討新型復(fù)合保溫外墻板的適用性。依據(jù)GB50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》，多層勻質(zhì)材料組成的外墻的傳熱系數(shù)可按式（1）計算：

式中：K——外墻傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

δi——墻板各構(gòu)造層材料厚度，m；

λi——材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

αi——材料導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)；

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。

表2 外墻傳熱系數(shù)限值

選取240、280、320 mm三種厚度的墻板進行計算。結(jié)合工程常用做法和住宅建筑外墻板的受力要求，復(fù)合保溫外墻板的基層加氣混凝土板的厚度取150 mm，保溫層采用擠塑板，厚度取50、90、120 mm三種規(guī)格，粘結(jié)砂漿的厚度為5 mm，保溫漿料的厚度為35 mm，根據(jù)GB 50176—2016、DB 37/5026—2014《居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的墻板各構(gòu)造層材料的性能參數(shù)（見表3），依據(jù)式（1）計算得到2種墻板的傳熱系數(shù)見表4。

表3 各構(gòu)造層材料性能參數(shù)

表4 外墻板傳熱系數(shù)及自重對比

由表4可見，與相同厚度加氣混凝土外墻板相比，復(fù)合保溫外墻板的傳熱系數(shù)降低了39.6%～56.7%。復(fù)合保溫外墻板厚度為240 mm時，可應(yīng)用于寒冷地區(qū)的建筑和嚴(yán)寒地區(qū)4層及以上的建筑；墻板厚度為280 mm時，可應(yīng)用于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)各層數(shù)的建筑；而加氣混凝土外墻板厚度為320mm時，僅可用于寒冷地區(qū)4層及以上的建筑。因此，復(fù)合保溫外墻板在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.2 墻板自重

墻板自重計算時，各構(gòu)造層材料密度取值見表3，為了便于比較，加氣混凝土板取525 kg/m3，擠塑板取35 kg/m3，玻化微珠保溫漿料取400 kg/m3，粘結(jié)砂漿取1800 kg/m3。由表4可見，與相同厚度的加氣混凝土外墻板相比，復(fù)合保溫外墻板自重降低了17.9%～36.7%。因此，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中推廣應(yīng)用復(fù)合保溫墻板，更能充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)體系自重輕、承載力高、抗震性能好的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

（1）基于裝配式外墻板現(xiàn)存問題分析，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑對外墻板的性能要求，提出一種新型保溫結(jié)構(gòu)一體化外墻板，并確定了各構(gòu)造層間的連接方式。

（2）拉伸試驗表明，界面劑可以顯著提高粘結(jié)砂漿與加氣混凝土板的拉伸粘結(jié)強度，復(fù)合保溫外墻板粘結(jié)砂漿的厚度建議取4～6 mm。

（3）隔聲性能試驗與耐火性能試驗表明，復(fù)合保溫外墻板的隔聲量不小于45 dB，耐火極限大于1.0 h，滿足現(xiàn)行規(guī)范對非承重外墻板的隔聲與防火性能要求。

（4）與同厚度的加氣混凝土外墻板相比，復(fù)合保溫外墻板傳熱系數(shù)降低39.6%～56.7%，自重降低17.9%～36.7%，適用于嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑。