钢骨增强微孔混凝土装配式外墙复合挂板的研制与应用

装配式混凝土结构(Precast Concrete Strcture，简称PC)近年来迅速发展，形成了具有中国特色的高层PC剪力墙住宅技术体系。虽然目前该体系结构主要是“等同现浇”设计计算方法与构造措施，尚需进一步突破，真正实现“像搭积木一样造房子”。推行装配式建筑的目的在于使构件在工厂高质量制作，现场快速吊装简化繁杂的作业量，追求高质量、快速、省工、省料、节能环保的新型建筑建造形式，即不偏离提高建筑品质、提高建造效率、减少人工用量、减少环境污染的"两提两减"的初衷。PC建筑需要"等同钢结构施工"，大幅度减少现场作业量;而钢结构装配式建筑作为最具优势的装配式建筑形式，"三板"问题的解决是重点。装配式建筑对墙体的高效保温性、防火性、抗震性、装饰性、施工便捷性的要求更高了，亟需研发具有高效长久的保温性、可靠的防火性能、耐久性、装饰性、便利的施工性、可实现装配化的新型墙体材料制品。针对这一要求，依据采用“以墙材精细化复杂化制造技术来实现简便快捷的标准化施工"的研发思想，我们研制开发了各项性能优良的钢骨增强微孔混凝土装配式外墙复合挂板(以下简称装配式外墙复合挂板)。

装配式外墙复合挂板采用轻钢龙骨框架增强，内复合岩棉或改性聚苯板等高效保温材料，采取轻集料微孔混凝土一次浇注成型，保温材料上面设有钢丝网，形成钢骨框架和钢丝网双增强微孔混凝土夹芯保温结构，内侧铺设玻璃纤维增强网格布。具有围护、保温、装饰一体化功能，工厂化生产，装配式施工，是装配式建筑的首选墙材。其基材是以低收缩性的复合快硬硫铝酸盐水泥为主要胶凝材料，以陶粒、膨胀珍珠岩等轻集料为集料，以短纤维为增强材料，以多种外加剂为功能调节材料，在水泥石中引起微小泡沫而制成的微孔轻质混凝土，是制造新型墙材制品的理想材料。产品各项性能优良，具有质量轻、保温隔音、施工便捷、防火性能好、无安全隐患、与建筑物同寿命等优良特性。

装配式外墙复合挂板结构见图1。

装配式外墙复合挂板通过轻质微孔混凝土基体和聚苯保温板以燕尾榫式增强无隙紧密连接,具有较好的抗渗性和防护性。轻质微孔混凝土连接层通过玻璃纤维网格布、钢丝网、轻钢框架进行增强，作为墙板的承受荷载的钢质龙骨框架，力学性能好，承载强度高，起到较好的板体支撑作用;同时微孔混凝土层自身具有较好的热工性能，具有保温过渡和提供较大刚度的效果;复合的聚苯板保温效果好，填放在轻钢龙骨框架内两侧由轻质混凝土结构增强防护，共同实现了保温装饰及围护一体化墙板结构，解决了目前预制钢筋混凝土外墙板重量大、保温性差、连接节点处理难度大的技术难题。

装配式外墙复合挂板通过在钢框架上设置挂件与主体结构连接，企口方式连接，板缝填密封胶，隔绝了板缝间冷热桥，形成具有与建筑主体结构同寿命，集装饰、保温、围护功能于一体的高性能复合墙体结构，具有预制化生产、施工速度快、墙面造型装饰美观多样、耐久性好等特点。

装配式外墙复合挂板采用塑性轻集料微孔混凝土浇注模制工艺，所制备的轻集料微孔混凝土浆料是一种流态自密实浆体，一般可采用普通硅酸盐水泥，但其硬化慢，不能满足浇注工艺的快速脱模要求。不采用蒸汽养护时，也可采用快硬硫铝酸盐水泥，以提高模具周转速度和微孔泡沫的稳定性及减低收缩性。水泥强度等级应不小于42.5级。同时该种水泥凝结快、早期强度高，有利微孔的稳定形成，故一般选用快硬硫铝酸盐水泥。但由于该型水泥抗碳化能力较差，表面易起粉，一般要与普通硅酸盐水泥和矿渣粉等复配成快硬型复合水泥使用。选取低收缩快硬硫铝酸盐水泥作为粘结加强层、粘结层、微孔混凝土保温过渡层和加强筋的主要胶凝材料。

本试验采用自主研发的HF早强快硬复合水泥. 已获国家发明专利(ZL200510096428.1)。其HF-32.5型水泥物理力学性能检测结果见表1，符合兰州海锋建材科技有限公司企标《早强快硬复合水泥》Q/HF01-2006标准指标要求。

可选用烧结、烧胀或免烧型粘土陶粒和粉煤灰陶粒。骨料为自然级配，并要求粒形好、级配合理。陶粒的堆积密度小于等于1200kg/m³，筒压强度应不小于4MPa，吸水率应不大于20%。细轻集料应尽量采用陶砂或其他轻砂，以降低板材密度，如无轻砂资源可以采用河砂。

本研究中细轻集料采用粒化高炉水渣轻集料，由酒钢集团榆中钢厂提供物理性能依照《轻集料及其试验方法》GB/T17431.1-1998并参照《建筑用砂》GB14684-2001的有关规定进行试验测定。测定结果见表2。

试验结果表明：粒化高炉水渣轻集料符合粗砂轻集料级配要求，10mm以上颗粒较少，筒压强度高。

在实际装配式外墙复合挂板生产中，我们采用破碎烧胀粘土陶粒和钢厂粒化高炉水渣制备陶粒轻集料微孔混凝土，均取得了良好的效果。

纤维是一种重要的增强、增韧组分，主要用于提高混凝土材料的断裂韧性和抗裂防渗性能。在轻集料微孔混凝土中掺加一定数量的纤维，形成三维网络结构，不仅可以起到增强、增韧的作用，而且还可以有效防止轻集料的上浮，提高混凝土的稳定性。这是由于有机纤维非常细小，比表面积大，需要吸附大量水泥浆包裹，因而在胶凝材料用量、砂率不变的情况下，掺加纤维将使混凝土的粘度有所增加。因此掺加纤维能够有效控制轻集料的自由运动，从而减小混凝土的分层离析程度，改善混凝土的各项性能。

选用8mm长无机矿物与聚丙烯短切复合纤维，经采用自行研制的高效分散剂处理后，具有很好的分散性，可均匀分散于混凝土中减小干缩，提高抗裂性。

装配式外墙复合挂板用轻集料微孔混凝土需采用高效减水剂和引气发泡剂。其中高效减水剂使用的主要目的是能够改善和易性，增加坍落度。水泥用量不变，强度也大致不变，高效减水剂可使坍落度增加10cm以上，从而获得坍落度为20±2cm的流态混凝土。而采用引气发泡剂是获得基体微孔泡沫结构的必需。引气发泡剂品种有蛋白类、植物皂素类、松香胶类、合成活性剂类，均可使用。从稳泡性、发泡倍数、泌水率三大技术性能及使用成本综合考虑，建议选用复合型高效发泡剂，其发泡倍数不小于30，可满足发泡技术要求，用量小。

使用高起泡稳泡性的引气发泡剂和高效减水剂，是获得高性能轻集料微孔混凝土的关键。这就要求外加剂体系针对流态轻集料微孔混凝土特点，具备高效减水促流、抗裂减缩、起泡稳泡和增强水泥石与集料粘结力的性能。要协调解决陶粒轻集料微孔混凝土微孔形成、拌和物稳定性和流动性，工业化的生产工艺对轻集料微孔混凝土拌和物的流动性和稳定性都提出了非常高的要求，本研究中在使用市售FDN10高效减水剂的同时，采用自主研发出的轻集料微孔混凝土专用HFPM引气发泡剂。

采用硅灰、粉煤灰、矿渣微粉可增强复合胶凝材料的安定性，从而提高轻集料微孔混凝土的耐久性。加入少量粉煤灰，可以提高板材强度。粉煤灰最好采用I级灰或Ⅱ级灰。如采用Ⅲ级灰，可超细粉磨至比表面积不小于400m²/kg。

主要有发泡稳定剂、膨胀减缩剂、普硅水泥促凝剂(禁用速凝剂)等。当采用低碱度硫铝酸盐水泥时，为克服其强度倒缩，应使用专用增强剂，以保证外墙板混凝土的后期强度。

脱模剂选用自制的HF-2型乳化油皂液，具有无毒味、高隔离和不污面性能，可使用于喷涂工艺。

选择密度≥100kg/m³的岩棉板或B1级聚苯板作为装配式外墙复合挂板保温材料。岩棉导热系数小，抗压强度和抗冲击性能较高，吸水率低，抗老化及防火性能优异，是目前一种较好的轻质保温材料。

根据外墙挂板水平与竖向荷载，设计选用合理型号的轻质钢材作挂板四边及内部结构框架，其在生产过程中起边部模具作用，轻钢骨架使得外墙复合挂板刚度增强可快速起吊。一般选用镀锌薄壁冷弯钢龙骨。

采用的钢筋网片，一般可由直径4mm钢筋焊接成100mm×100mm的网片，可有效地对装配式外墙复合挂板轻集料微孔混凝土层进行增强，提高板材的承载力并防止其混凝土层出现裂缝、空鼓现象。钢筋网片与轻钢龙骨通过支架钢筋连接生根。

选取专用耐碱玻璃纤维网格布对装配式外墙复合挂板轻集料微孔混凝土面层增强，进一步提高了装配式外墙复合挂板的抗裂性。

水泥基胶凝材料：300kg/m³~400kg/m³;轻集料：200kg/m³~400kg/m³;粉煤灰(Ⅰ级干灰)：水泥量20%~30%;短纤维：0.5kg;微孔泡沫气泡率：20%~30%;高效减水剂：水泥量的1%;水灰比0.5，控制拌和物料浆密度1300kg/m³~1500kg/m³。

对以S2号试验配比生产的700级陶粒微孔泡沫混凝土砌块的主要、性能指标进行了测试。抗压强度超过3.5MPa;快速法测定干缩值小于0.5mm/m;干燥状态导热系数小于0.18W/(m·K)。燃烧性能测定：微孔水泥保温板属非燃烧体，依据《建筑材料及制品燃烧性能分级》GB8624，测试评定为A级。

装配式外墙复合挂板单点吊挂力荷载1000N，静置24h板面无宽度超过0.5mm的裂缝;装配式外墙复合挂板抗冲击性经30kg沙袋落差500mm，5次抗冲击试验后板面无裂纹。

复合岩棉芯材装配式外墙复合挂板：燃烧性能为A级，耐火极限为≥3h。

为了验证复合有机聚苯乙烯泡沫芯材的轻集料微孔混凝土复合体的耐火性能，我们进行了多批次耐火极限试验送检，经四川都江堰国家级防火建筑材料质量监督检测中心和北京建科院检测，均表明轻集料微孔混凝土具有卓越的隔热性能和防火性能。检测时试验中心控制系统电脑显示：耐火3h27min时炉内平均温度1149.46℃，试件表面平均温度16.26℃。

试验结束后，将耐火构件吊出，可以看到受火面轻集料微孔混凝土上部分水泥抹灰砂浆脱落，但复合块体整体完好。用钢钎将其沿边开缝后才能被破坏震出。从砸破的复合块结构看，靠受火面一侧的EPS泡沫板部分融化挥发，但靠背火面一侧的EPS泡沫板均尚未融化。流态轻集料微孔混凝土基体仍具有较高的强度，无粉化破裂现象。充分说明轻集料微孔混凝土基体材料具有极好的保温隔热和抗裂耐火性能。

即使是复合B1级聚苯乙烯保温板的装配式外墙复合挂板，无机防护层微孔混凝土层厚度超过50mm，其具有更好的防火性能，耐火极限更长。防火性能满足《建筑设计防火规范》GB50016-2014标准的要求。

试验结论：装配式外墙复合挂板属无空腔的建筑节能与结构一体化墙体系统，其保温芯材完全被无机材料包覆，隔绝了空气与明火，防火性不再受芯材燃烧性能的影响，用耐火极限评价其防火性能更符合工程实际。设计使用时耐火极限值符合《建筑设计防火规范》GB 50016-2014的规定时，可不再限定保温芯材的燃烧性能等级。

轻集料微孔混凝土装配式外墙复合挂板热阻测定如下：

装配式外墙复合挂板墙体(单面粉刷25mm水泥砂浆，计内外表面换热阻0.15m2·K/W)主断面总热阻1.633m²·K/W，传热系数0.612W/(m²·K)，可满足国家寒冷地区65%建筑节能对9层以上建筑外墙围护结构传热系数≤0.70W/(m2·K)的限制要求。

装配式外墙复合挂板可采用先进的工艺技术以实现工厂大规模工业化生产。由原材料处理、轻集料微孔混凝土料浆制备、大平模多组模浇注成型、低温干热养护、码垛包装等工艺组成。为减少挂板运输成本，也可采用钢质大平模在建设现场制备，主要包括：在钢质大底模上支组辅助边模和内模，轻钢龙骨框架及连接件的拼装支模(预留门窗洞口)，铺设玻璃纤维网格布、岩棉等保温芯板板的裁切铺设，铺设钢丝网，使用WHZ型装配式建筑构件微孔混凝土现场搅拌站浇注微孔混凝土层等，自然养护后便可脱模起板安装。

装配式外墙复合挂板移动工厂成套设备由西北民族大学和兰州海锋建材科技有限公司研发提供。主要由轻集料微孔混凝土制备电子计量装置、WHZ型装配式建筑构件微孔混凝土现场搅拌系统(图2)、泵送浇注系统、岩棉等保温芯板切割系统等组成。WHZ型装配式建筑构件微孔混凝土现场制配泵送系统自动配料、电子计量，自动化程度高，计量准确;全套设备具有结构设计合理、生产操作方便、成型周期短、生产效率高、产品质量好等特点。装配式外墙复合挂板工艺流程见图3，制作和安装见图4、图5。

装配式外墙复合挂板上设置两个吊点，四边由140C型钢作为框架增强，在装配式外墙复合挂板钢框架和H型钢梁上定位上下连接件尺寸位置。连接件可直接与C型钢焊接。

装配式外墙复合挂板之间通过板自身的企口安装缝搭接，一般企口留缝宽为20mm，缝间填塞PE橡胶棒和密封膏，以便在主体结构变形时随之移动，并符合有关结构柔性连接和适应变形的要求;采取措施消除板缝热桥，提高热工性。

装配式外墙复合挂板基体材料结构独特合理，充分发挥了轻钢骨架和轻集料微孔混凝土的优良特性，刚柔相济，轻质高强，防火保温，生产安装便捷可靠，适于工厂或现场工业化规模生产，其建筑装配式墙体系统结构安全、可实现围护保温装饰多功能一体化，耐久性可与建筑主体同寿命。