程寶軍，麻鵬飛，史博元，康升榮

（中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院有限公司，四川 成都610064）

0 前言

預(yù)制墻板是裝配式建筑的基本圍護(hù)構(gòu)件。由于外墻葉暴露在外，預(yù)制墻板應(yīng)具有防水、防污以及耐用美觀等多個(gè)功能。預(yù)制墻板作為建筑物的圍護(hù)構(gòu)件，體積大、外露面積大，會(huì)受到各種外部作用。除了在制作、翻轉(zhuǎn)、吊運(yùn)等過(guò)程中受力外，使用中也受到風(fēng)荷載、地震等多方面作用。因此，對(duì)墻板的靜力學(xué)性能開展研究具有重要意義。預(yù)制復(fù)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(guò)專用連接件進(jìn)行連接。作為預(yù)制復(fù)合夾芯外掛墻板中的關(guān)鍵部件，連接件對(duì)保證墻板內(nèi)外葉共同工作具有重要作用，其力學(xué)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(fù)合外掛墻板構(gòu)造

近年來(lái)發(fā)展的超高韌性水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementations Composites，ECC）是將水泥基材料與纖維增強(qiáng)增韌技術(shù)相結(jié)合，具有高強(qiáng)度、高耐久性，在較高抗壓強(qiáng)度前提下大幅提高材料的抗拉、抗裂強(qiáng)度[2]。高性能多功能一體化外掛墻板通過(guò)反打、轉(zhuǎn)印等方式實(shí)現(xiàn)外掛墻板的飾面層，實(shí)現(xiàn)裝飾、保溫、圍護(hù)一體化設(shè)計(jì)。由于復(fù)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(qiáng)了抗疲勞、抗沖擊和耐久性能，使圍護(hù)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(wèn)題進(jìn)行分析和探討。

1 構(gòu)造設(shè)計(jì)研究

1.1 高性能多功能一體化復(fù)合墻板標(biāo)準(zhǔn)板構(gòu)造設(shè)計(jì)

高性能多功能一體化復(fù)合墻板標(biāo)準(zhǔn)板構(gòu)造設(shè)計(jì)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(fù)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(jí)灰。多功能芯體可根據(jù)實(shí)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(fù)合墻板標(biāo)準(zhǔn)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(lái)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(shí)現(xiàn)自裝飾。

圖2 高性能多功能一體化復(fù)合墻板構(gòu)造

標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入板縫向室內(nèi)流動(dòng)滲透，如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)板之間的拼縫防水方案

1.2 定制化外墻構(gòu)造設(shè)計(jì)

針對(duì)高性能多功能一體化復(fù)合墻板標(biāo)準(zhǔn)板，本文提出定制化外墻構(gòu)造。定制化外墻是通過(guò)輕型型鋼與螺栓將標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)景，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)板中的多功能芯體與外墻構(gòu)造使其滿足實(shí)際需求[5]。

依據(jù)GB/T 50189—2019《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》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(yán)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(jì)為5塊100 mm×600 mm×3000 mm的標(biāo)準(zhǔn)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(guò)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(jì)為外側(cè)采用100 mm×600 mm×3000 mm的標(biāo)準(zhǔn)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(guò)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(jìn)入板縫向室內(nèi)流動(dòng)滲透。

2 連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)研究

2.1 標(biāo)準(zhǔn)板之間拼接設(shè)計(jì)

在墻板內(nèi)側(cè)的高性能薄壁大空腔殼體上預(yù)埋定制螺帽（如圖5），通過(guò)預(yù)埋定制螺帽可避免開孔時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，減少人為操作誤差，提高定位精度，同時(shí)能夠在墻板任意尺寸預(yù)埋[7]。標(biāo)準(zhǔn)板拼接時(shí)，在每塊標(biāo)準(zhǔn)板的兩端各預(yù)埋2個(gè)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(yù)埋定制螺帽

依據(jù)GB/T 51231—2016《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》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(biāo)，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(biāo)，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(duì)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(biāo)準(zhǔn)板的相關(guān)尺寸，取板間接縫寬度為15 mm。同時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)設(shè)計(jì)

外掛墻板通過(guò)鋼連接組件與主體結(jié)構(gòu)采用四點(diǎn)簡(jiǎn)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(fēng)荷載以及水平地震力[9]。節(jié)點(diǎn)采用均布荷載簡(jiǎn)支連接形式，外掛墻板的節(jié)點(diǎn)均為加寬型Z型連接件。外掛墻板節(jié)點(diǎn)通過(guò)預(yù)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(guò)錨固鋼筋與鋼板焊接后預(yù)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(jì)

3 性能試驗(yàn)

3.1 抗彎性能

預(yù)制混凝土外掛墻板主要考慮風(fēng)載荷與地震載荷對(duì)其造成的變形破環(huán)，基于此，開展了墻板的靜力試驗(yàn)，對(duì)高性能多功能一體化復(fù)合墻板標(biāo)準(zhǔn)板在平面外荷載作用下的極限荷載開展研究。具體實(shí)驗(yàn)方法參照GB/T 30100—2013《建筑墻板試驗(yàn)方法》。

抗彎試驗(yàn)采用均布加載的試驗(yàn)方法，試件兩端采用簡(jiǎn)支的形式，試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)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(gè)千分表，測(cè)試在逐級(jí)加載過(guò)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(jí)施加荷載，每級(jí)荷載為20 kg，由兩端向中間均勻加載，前4級(jí)每級(jí)加載后靜置2 min，第5級(jí)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(jí)荷載為最終試驗(yàn)結(jié)果。采取上述加載制度，將養(yǎng)護(hù)至28 d齡期的標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行3次抗彎試驗(yàn)，極限抗彎荷載試驗(yàn)如圖8所示，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 極限抗彎荷載試驗(yàn)

圖8 極限抗彎荷載試驗(yàn)

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(fù)合墻板標(biāo)準(zhǔn)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(yù)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(jìn)一步研究墻板的受力性能，特別是了解生產(chǎn)過(guò)程中一些產(chǎn)品缺陷對(duì)受力性能的影響，本節(jié)運(yùn)用ANSYS對(duì)3.1部分墻板平面外均布荷載試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)基材性能試驗(yàn)，保守地取值：抗壓強(qiáng)度80 MPa，軸拉強(qiáng)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(zhǎng)10 mm，抗壓試驗(yàn)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(yàn)。

圖9 墻板約束條件

利用ANSYS建模如圖10，共劃分52 500個(gè)單元，經(jīng)檢驗(yàn)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(cuò)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(yàn)所獲得的墻板抗彎載能力偏小，證明在實(shí)際生產(chǎn)中還存在細(xì)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(jì)算及驗(yàn)證

建筑內(nèi)圍護(hù)墻作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，不僅應(yīng)滿足相應(yīng)的力學(xué)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(jì)對(duì)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(cè)定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》研究了高性能多功能一體化復(fù)合墻板標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)板傳熱系數(shù)為0.77 W/（m2·K），其傳熱系數(shù)測(cè)試設(shè)備為WTRZ-穩(wěn)態(tài)熱傳遞性能試驗(yàn)機(jī)。根據(jù)GB 50189—2019《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，多功能芯體為改性聚苯顆粒泡沫混凝土的標(biāo)準(zhǔn)板在厚度為100 mm基礎(chǔ)上達(dá)到了夏熱冬冷地區(qū)公共建筑外墻傳熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

針對(duì)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(fù)合墻板標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行熱工理論計(jì)算研究。在墻板熱工理論計(jì)算中，主要用傳熱組R0、傳熱系數(shù)K評(píng)價(jià)墻板的保溫隔熱性能[10]。

（1）熱阻計(jì)算

熱阻R是評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(fù)合墻板標(biāo)準(zhǔn)板為由2種或2種以上材料組成，兩向非均質(zhì)圍護(hù)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(jì)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(gè)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(gè)墻板的傳熱阻R0由式（2）計(jì)算：

（2）傳熱系數(shù)計(jì)算

傳熱系數(shù)是評(píng)價(jià)墻板保溫性能的重要指標(biāo)，空心墻板和填充不同密度等級(jí)的復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)K由式（3）計(jì)算：

根據(jù)熱工性能計(jì)算理論[11]，計(jì)算出多功能芯體采用改性聚苯顆粒泡沫混凝土的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)板的傳熱系數(shù)實(shí)測(cè)值0.77 W/（m2·K）的誤差為1.8%，理論值與試驗(yàn)值較為接近。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）高性能多功能一體化復(fù)合墻板體系與主體結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，構(gòu)件與功能構(gòu)造相對(duì)獨(dú)立，構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化，并實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配式化，構(gòu)造上靈活多變，可實(shí)現(xiàn)多種組合，同時(shí)構(gòu)造多種組合可滿足不同氣候區(qū)、不同節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）研發(fā)了適用于高性能多功能一體化復(fù)合墻板體系的連接節(jié)點(diǎn)、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(fù)合墻板整體力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)對(duì)外墻的傳熱系數(shù)要求。

（4）對(duì)復(fù)合墻板殼體受力進(jìn)行數(shù)值模擬，得出均布彎載與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了材料在數(shù)值模擬中的各項(xiàng)性能參數(shù)，為墻材的實(shí)際應(yīng)用提供了理論支撐。