劉海濤，張亞東

（1.濰坊市第二建筑工程公司，山東 濰坊 261021；2.山東海龍建筑科技有限公司，山東 濟寧 272000）

在現(xiàn)階段，科學技術的進步帶來了人們生產(chǎn)和生活質量水平的提高，也帶來了基礎建設的現(xiàn)代化，是實現(xiàn)住宅建設由粗放型向集約化，提高住宅質量，節(jié)約住宅能耗的一項重大舉措，是保證建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。在以往的建筑施工中，其施工流程復雜，施工時間長，且容易發(fā)生質量問題，不能適應現(xiàn)在急速發(fā)展的經(jīng)濟需求。為適應社會發(fā)展趨勢和人口對生活質量的高要求，裝配式建筑憑借節(jié)能、環(huán)保、綠色、高效、高速等高質量的特點，極大地滿足了社會需求，是將來建筑業(yè)的發(fā)展方向[1]。

反映裝配式水平的最重要指標是外墻的裝配化程度，普及應用組裝式保溫一體化疊層混凝土外墻板符合國家建筑節(jié)能和綠色建筑的產(chǎn)業(yè)政策,這是實現(xiàn)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內容。建筑外墻是建筑的主要組成部分,其結構和使用的材料影響建筑能耗指標和室內居住舒適性[2]。

在住宅建筑的圍護結構能耗中：外墻可占34%，樓梯間隔墻占11%。發(fā)展高質量保溫一體化疊合外墻是實現(xiàn)建筑裝配化和推廣節(jié)能建筑的重要捷徑[3]。鋼筋混凝土外墻的力學性能、抗?jié)B性和抗裂性普遍不足，但在混凝土中摻入鋼纖維有利于提高混凝土的抗拉強度、抗壓強度、抗折強度與折壓比[4]。鋼纖維混凝土外墻具有良好的耐久性能和力學性能，如具有良好的耐火、耐腐蝕、抗?jié)B等耐久性能和良好的抗剪、拉伸、彎曲、變形等力學性能，極大地彌補了鋼筋混凝土外墻的缺陷[5]。丁一寧等[6]采用三點彎曲試驗研究不同纖維摻量下鋼纖維自密實混凝土的彎曲韌性。周平等[7]研究了層間接觸效應的鋼纖維混凝土隧道單層襯砌內力分布規(guī)律。江學良等[8]通過對國內外大量拉拔試驗和梁式試驗得到GFRP筋與混凝上粘結性能試驗結果的調查分析,探討了GFRP筋的表面形狀與表面處理方法。

1 設計原理

保溫一體化（疊合）外墻多采取夾心保溫三明治板的構造形式，即外葉板+保溫板+內葉墻的構造形式。外葉板板厚較薄，且與內葉墻板之間存在保溫板隔開，通過保溫連接件和內葉墻聯(lián)系在一起。尺寸較大的保溫一體化疊合外墻板在構件安裝后，長期使用過程中多會存在外葉板表面出現(xiàn)不同程度的裂縫問題[9]。在保溫一體化疊合外墻中，預制構件的構造形式采用外葉板+保溫板，構件尺寸較大，構件上面有門窗及洞口開設時，外葉板在構件生產(chǎn)后很容易出現(xiàn)表面龜裂和貫通現(xiàn)象，增加了構件生產(chǎn)的難度。對預制構件的產(chǎn)品感官造成不利影響，增加了裝配式建筑產(chǎn)品的質量隱患。在保溫一體化生產(chǎn)工藝中，外葉板需配置單層冷軋帶肋鋼筋網(wǎng)片，增加了施工工藝，提高了構件生產(chǎn)成本，同時單層鋼筋網(wǎng)片的敷設所起到的增加外葉板整體性及避免外葉板出現(xiàn)裂縫所起到的作用不顯著，經(jīng)濟性也得不到很好的體現(xiàn)。

圖1 鋼纖維保溫一體化疊合外墻的平面設計圖

預制外墻作為鋼筋混凝土墻體中的重要一環(huán)，是在工廠中對預制外墻進行預制，待其達到設計強度后運至施工現(xiàn)場進行裝配。通過鋼纖維材料的選取可顯著減少裂縫的數(shù)量、長度和寬度，降低生成貫通裂縫的可能性，起到了阻斷混凝土內毛細裂縫的作用，使混凝土的抗?jié)B性、抗裂性能得到明顯改善。使混凝土內水分、氯離子、空氣的轉移率降低，從而起到延緩鋼筋銹蝕的作用[10]。此外，如圖1所示，鋼纖維保溫一體化疊合外墻通過鋼纖維的使用，代替或減少外葉板單層雙向鋼筋的使用，可有效提高保溫一體化疊合外墻外葉板整體性、耐久性、經(jīng)濟性，降低外葉板表面裂縫的產(chǎn)生。創(chuàng)新優(yōu)化改進保溫一體化疊合外墻流水化生產(chǎn)工藝，研究探索鋼纖維材料使用和添加的最優(yōu)實施和生產(chǎn)方案。

2 研究內容

①通過分析保溫一體化疊合外墻在已建成工程長期使用過程中外葉板表面出現(xiàn)不同程度的裂縫問題，分類匯總表面裂縫、龜裂、通縫等質量問題，分析查找影響裂縫產(chǎn)生及擴大的關鍵因素。

②從材料角度優(yōu)化外葉板構造組成，采用鋼纖維代替或減少外葉板鋼筋使用，提高外葉板整體剛度和耐久性，建立數(shù)值模擬模型，分析優(yōu)化研究設計方案。

③采用添加鋼纖維類附加材料，提高和改善預制混凝土裂縫開裂現(xiàn)象技術方案，分析對比不同纖維材料的性能，從技術、經(jīng)濟和可實施性等方面綜合考慮鋼纖維材料的選取和應用。

④如圖2所示，試驗對比保溫一體化疊合外墻鋼纖維不同配合比下材料實驗數(shù)據(jù)，了解構件不同配合比作用下實驗室材料力學和物理性能；篩選確定最優(yōu)保溫一體化疊合外墻構件材料配比。

圖2 保溫一體化疊合外墻的鋼纖維配合比試驗

⑤調整保溫一體化疊合外墻流水化生產(chǎn)工藝，確保鋼纖維的正常使用和下料，使鋼纖維技術效果實現(xiàn)最優(yōu)。

⑥保溫一體化疊合外墻試生產(chǎn)及構件安裝，跟蹤預制構件全過程質量問題，及時掌握和記錄出現(xiàn)的新問題，確保構件的質量安全可靠。

3 技術難點

3.1 鋼纖維最優(yōu)配合比選取

3.1.1 存在問題

鋼纖維混凝土攪拌時易結團，混凝土和易性差，泵送困難、難以施工且易銹蝕。

鋼纖維在使用過程中破壞形態(tài)主要是被拔出，而不會被拉斷，這說明鋼纖維與混凝土的粘附性不足，這會影響提高混凝土抗拉強度的效果，它增韌增強的原理是當裂縫產(chǎn)生后由于鋼材的高模量和單根的高抗拉強度，阻止了裂縫的進一步開展；但由于數(shù)量有限，對微觀裂縫約束效果不大，對抗?jié)B、凍融等性能提高并不明顯。

施工中鋼纖維密度過大，振動澆筑時往往會沉于混凝土下部，不可能均勻分布。

3.1.2 解決方式

如圖3所示，在進行配合比試驗時，重點選取能增進混凝土的韌性、抗疲勞性，提高混凝土抗沖磨性能的最優(yōu)配合比。攪拌時將鋼纖維攪拌均勻，擇優(yōu)選取鋼纖維，保證鋼纖維質量，防止鋼纖維在施工中銹蝕。

圖3 鋼纖維保溫一體化疊合外墻的成組立模生產(chǎn)

混凝土主要用于保溫一體化疊合外墻板，其類型不屬于高強混凝土，主要為了改善混凝土裂縫問題，對粘附性沒有很高的要求。

疊合外墻板的鋼纖維主要用于外葉板，總厚度只有60mm，采用振動臺施工，會大大降低鋼纖維沉降，避免振動時的分布不均勻。

對比不同配合比下鋼纖維材料的材料性能，從技術、經(jīng)濟和可實施性等綜合考慮鋼纖維材料的選取和應用；重點在配合比試驗時，選取增進混凝土的韌性、抗疲勞性，提高混凝土的抗沖磨性能的最優(yōu)配合比。

3.2 經(jīng)濟性與安全性

3.2.1 存在問題

經(jīng)濟性與安全可靠性要在使鋼纖維材料發(fā)揮自身材料性能的基礎上，確保材料本身及和其他材料共用時安全環(huán)保，經(jīng)久耐用。在長期使用過程中，化學及力學性能不會發(fā)生根本性變化。

3.2.2 解決方式

在進行配合比試驗時，重點考慮外加劑原材料供應、現(xiàn)場配比難易程度、人員生產(chǎn)效率及配置設備費用等綜合因素。選取能增進混凝土的韌性、抗疲勞性，提高混凝土抗沖磨性能的最優(yōu)配合比。進而分析對比保溫一體化疊合外墻采用鋼纖維材料的經(jīng)濟性和安全可靠性。

4 創(chuàng)新點

鋼纖維保溫一體化疊合外墻，不僅有效降低了預制混凝土表面出現(xiàn)混凝土裂縫、崩角、表面彎曲等問題的產(chǎn)生，而且有效提高預制構件產(chǎn)品的質量，而且降低了運輸過程中由于碰撞導致的掉角、裂縫的產(chǎn)生，且在長期使用過程中，化學及力學性能不會發(fā)生根本性變化。

圖4 鋼纖維保溫一體化疊合外墻的成品修補

如圖4和圖5所示，通過對鋼纖維的使用，代替或減少外葉板單層雙向鋼筋的使用，有效提高保溫一體化疊合外墻外葉板整體性、耐久性、經(jīng)濟性。通過生產(chǎn)完成后的成品進行檢驗修補后采用車輛進行運輸至施工現(xiàn)場。創(chuàng)新優(yōu)化了保溫一體化疊合外墻流水化生產(chǎn)工藝，研究了探索鋼纖維材料使用和添加的最優(yōu)實施和生產(chǎn)方案。

圖5 鋼纖維保溫一體化疊合外墻的運輸

從材料角度選取鋼纖維作為較少和避免保溫一體化疊合外墻裂縫產(chǎn)生的添加材料，鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復合材料。這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內部微裂縫的擴展及宏觀裂縫的形成，顯著減少裂縫的數(shù)量、長度和寬度，避免生成貫通裂縫。鋼纖維的使用有效阻斷混凝土內毛細裂縫的作用，明顯提高和改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的抗?jié)B性與延性。

5 應用分析

綠色建筑及建筑產(chǎn)業(yè)化是未來建筑業(yè)發(fā)展的方向，研究分析對比不同配合比下鋼纖維材料性能，從技術、經(jīng)濟和可實施性的角度綜合考慮鋼纖維材料的選取和應用。如圖6所示，通過綜合考慮外加劑的原材料供應、現(xiàn)場配比難易程度、人員生產(chǎn)效率等綜合因素，得出鋼纖維保溫一體化疊合外墻的經(jīng)濟性遠優(yōu)于其他類型的外墻。且在長期使用過程中，安全可靠性也在鋼纖維材料發(fā)揮自身材料優(yōu)勢性能的基礎上，與其他材料結合后更加安全環(huán)保，經(jīng)久耐用，材料穩(wěn)定性強。

圖7 鋼纖維保溫一體化疊合外墻的裝配式項目

如圖7所示，在使用鋼纖維保溫一體化疊合外墻的裝配式項目中，不僅有效降低了預制混凝土構件表面出現(xiàn)的龜裂、裂縫等問題，且有效地增加了預制構件的材料性能，可以降低模具成本、加快施工速度，提高經(jīng)濟效益。鋼纖維保溫一體化疊合外墻在底部加強區(qū)的成功應用，擴大了保溫一體化墻體的適用范圍，對實現(xiàn)建筑裝配化和推廣節(jié)能建筑具有重要意義。符合當前可持續(xù)發(fā)展和綠色低碳環(huán)保的節(jié)能理念。同時鋼纖維保溫一體化疊合外墻符合節(jié)能減排、低碳環(huán)保的理念，社會效益顯著，有助于在市場快速推廣。

6 結論

通過依托工程實踐經(jīng)驗，系統(tǒng)分析研究保溫一體化疊合外墻表面裂縫的原因，采用添加鋼纖維以及附加纖維類材料，提高預制混凝土耐久性，改善外葉板裂縫開裂現(xiàn)象。通過采用鋼纖維代替或減少外葉板鋼筋使用，提高外葉板整體性、耐久性以及經(jīng)濟性，降低外葉板表面裂縫的產(chǎn)生，減少裂縫的數(shù)量、長度和寬度，降低生成貫通裂縫的可能性，起到了阻斷混凝土內毛細裂縫的作用，使混凝土的抗?jié)B性、抗裂性能得到明顯改善，從而起到延緩鋼筋銹蝕的作用。

從分析結果可得出，附加纖維類材料，可極大提高預制混凝土的耐久性，改善外葉板裂縫開裂現(xiàn)象?？梢灶A期的是，在未來的結構中，鋼纖維保溫一體化疊合外墻的使用可獲得更高的耐久性能和力學性能。