輕質超薄保溫裝飾一體化墻板的研究

趙志剛，羅小平，王飛波，張靜，王文歡，劉興華

（1.北京市燕通建筑構件有限公司，北京 102202；2.河北建工建筑裝配股份有限公司，河北石家莊 050500；3.北京城建六建設集團有限公司，北京 101500）

0 引 言

非承重圍護結構及內隔墻在裝配式建筑評分中占有很大比例，且建筑墻體的節能比率占整棟建筑50%以上。為了推進京津冀、長江三角等重點區域制定更高水平節能標準，開展超低能耗建筑規?；ㄔO，推動零碳建筑、零碳社區建設試點[1]。大力推廣節能高效、材質輕便的裝配式建筑墻板具有重大的實際價值[2]。

保溫裝飾一體化墻板由保溫材料、裝飾面板及連接件構成，集防火、保溫、裝飾等功能于一體，可應用于鋼結構、混凝土框架結構等建筑圍護體系中[3-4]。保溫裝飾一體化墻板作為建筑節能與結構一體化技術的組成部分，不僅使保溫建筑材料永久性地納入了建筑圍護結構中，使建筑圍護結構的強度及施工安全都得以加強，同時滿足建筑節能、防火等需求[5-6]。目前，建筑行業逐漸轉向綠色化、產業化、信息化，保溫裝飾一體化墻板符合我國低碳生態建設發展理念和戰略規劃。因此，加大對建筑節能與結構一體化技術的研究具有重要意義。

隨著建筑節能要求不斷提高，達到80%節能要求的保溫裝飾一體化墻板的保溫層厚度要達到120 mm，墻板的總厚度接近400 mm，這將導致建筑物的有效使用面積進一步降低。因此，對墻板進行減重優化，研究超薄保溫裝飾一體化墻板具有重要意義。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 水泥，北京水泥廠；粉煤灰：Ⅱ級，唐山市豐潤區鵬利達建材廠；砂子：Ⅱ區中砂，遷西縣羅家屯鎮慶沅采砂場；石子：3~8 mm 碎石，北京盛世安平建筑工程有限公司；減水劑：聚羧酸減水劑，天津冶建特種材料有限公司。增稠劑：黃原膠，白色粉末，河北景素生物科技有限公司；溫輪膠，白色粉末，江蘇奧福生物科技有限公司；聚丙烯酰胺，白色粉末，北京海暢清環?？萍加邢薰?；脫模劑：水性，阿克思建筑科技河北有限公司；水：自來水。

1.2 試驗方案

通過正交試驗研究不同砂率、漿骨比、水膠比和粉煤灰摻量對自密實混凝土擴展度、T500和抗壓強度的影響，確定制備自密實混凝土的初步配合比。根據增稠劑的種類及摻量對自密實混凝土工作性能和力學性能的影響，確定制備自密實混凝土的最佳配合比。使用輕骨料混凝土和自密實混凝土制備輕質超薄保溫裝飾一體化墻板，確定生產工藝，并對其性能進行分析。

1.3 自密實混凝土配合比設計

外葉板采用自密實混凝土，按照JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》設計配合比。以擴展度和T500衡量自密實混凝土工作性能，以28 d 抗壓強度衡量自密實混凝土力學性能，通過極差、方差分析，判斷各因素對試驗指標的影響及其顯著性。正交試驗因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平

2 結果與分析

正交試驗設計及測試結果見表2。

表2 正交試驗設計及測試結果

2.1 自密實混凝土的工作性能

自密實混凝土擴展度和T500的極差分析見表3。

表3 自密實混凝土擴展度及T500 的極差分析

由表3 可以看出：各因素對混凝土擴展度和T500的影響順序均為A＞C＞B＞D，混凝土擴展度越大，T500越小，流動性越好，最佳因素水平為A2B2C3D2。

混凝土的擴展度隨著砂率、漿骨比和粉煤灰摻量的增加先增大后減小，隨水膠比的增加而增大，T500則相反。原因是：（1）在一定砂率范圍內，砂子與水泥漿體組成的砂漿在粗骨料間起潤滑和滾珠作用，隨著砂率的增加，潤滑和滾珠作用明顯，粗骨料之間的摩擦力逐漸降低，混凝土漿體的流動性不斷增大。但是，由于砂的比表面積較粗骨料大，隨著砂率的持續增加，其總比表面積也不斷增大，在相同膠凝材料用量情況下，粗細骨料表面包裹的漿體層變薄，增大粗細骨料之間的摩擦力，使混凝土的流動性降低，嚴重時混凝土無法成漿，呈團聚狀；（2）漿骨比較小時，混凝土拌合物中水泥漿體含量較少，骨料含量較多，材料間的粘聚力不足以抵抗粗集料下沉，導致混凝土拌合物出現離析現象，混凝土拌合物整體摩擦力變大，流動度降低。隨著漿骨比的增加，混凝土拌合物的流動性增加。當漿骨比過大時，混凝土拌合物中水泥漿體含量較多，骨料含量較低，混凝土拌合物粘聚力增大，流動性再次降低；（3）粉煤灰顆粒具有形態效應[7]，在一定范圍內，可以改善混凝土的流動性。但粉煤灰的微集料效應使其在摻量較高時，粒徑較小的顆粒填充于水泥顆粒之前，增加了混凝土拌合物粘聚力，導致其流動性降低；（4）隨著水膠比的增加，混凝土的工作性能逐漸變好，即擴展度不斷增加，T500不斷減小，但水膠比過高將導致混凝土拌合物出現泌水情況。

自密實混凝土擴展度方差分析見表4。

表4 自密實混凝土擴展度方差分析

由表4 可以看出，對自密實混凝土擴展度影響的顯著性依次為A＞C＞B＞D。F2，2（0.10）＜FA＜F2，2（0.05），砂率對自密實混凝土擴展度的影響顯著；F2，2（0.15）＜FC＜F2，2（0.10），水膠比對自密實混凝土擴展度有一定影響；FB、FD＜F2，2（0.20），漿骨比和粉煤灰摻量對自密實混凝土擴展度影響不大。

自密實混凝土T500方差分析見表5。

表5 自密實混凝土T500 方差分析

由表5 可以看出，各因素對自密實混凝土T500影響的顯著性依次為A＞C＞B＞D。由于F2，2（0.25）＜FA、FC＜F2，2（0.10），故砂率和水膠比對自密實混凝土T500的影響顯著；而FB、FD＜F2，2（0.25），說明漿骨比和粉煤灰摻量對自密實混凝土T500影響相對較小。

2.2 自密實混凝土的力學性能

自密實混凝土抗壓強度試驗結果的極差分析見表6。

表6 自密實混凝土抗壓強度極差分析

通過表6 可以看出，上述4 個因素對自密實混凝土抗壓強度的影響順序為B＞C＞D＞A，最佳因素水平為A3B2C2D2。

自密實混凝土的抗壓強度隨著漿骨比、水膠比和粉煤灰摻量的增加均呈先提高后降低趨勢，隨著砂率的增加而不斷提高。這是因為：（1）漿骨比較小時，自密實混凝土內部形成的界面過渡區較多，導致其抗壓強度較低，隨著漿骨比的增加，漿體相對含量增加，骨料被漿體嚴密包裹，致使骨料間的粘結力和機械咬合力增強，自密實混凝土的抗壓強度提高[8-9]。當漿骨比超過一定范圍時，混凝土中骨料含量相對較低，導致其骨架結構變弱，混凝土強度再次降低。（2）水膠比較小時，新拌混凝土漿體流動性差，成型混凝土結構不密實，內部有害大孔較多，抗壓強度較低，當水膠比過大時，混凝土拌和物容易出現泌水的情況，影響混凝土強度。（3）由于粉煤灰的微集料效應和火山灰效應，在適當摻量下，粉煤灰中細小的微珠可以提高混凝土結構的密實度，其中大量活性物質與水泥水化產物中堿性物質進一步發生化學反應，生成的水化產物可填充于混凝土結構，提高混凝土的抗壓強度，但摻量過大時，水泥水化形成的產物減少，抗壓強度降低。（4）在一定砂率范圍內，砂子可以填充于石子空隙，增加混凝土結構的密實度，提高其抗壓強度。

自密實混凝土抗壓強度方差分析見表7。

表7 自密實混凝土抗壓強度方差分析

由表7 可以看出，各因素對混凝土抗壓強度影響的顯著性依次為B＞C＞D＞A。由于F2，2（0.025）＜FB＜F2，2（0.010），故漿骨比對混凝土抗壓強度的影響較顯著；由于F2，2（0.150）＜FC＜F2，2（0.100），故水膠比對混凝土抗壓強度的有一定影響，而FD、FA＜F2，2（0.200），說明粉煤灰摻量和砂率對自密實混凝土抗壓強度影響相對較小。

2.3 試驗驗證

對于新拌混凝土工作性能來說，混凝土最佳基礎配合比為A2B2C3D2，對于成型試樣抗壓強度來說，混凝土最佳基礎配合比為A3B2C2D2。由于因素A 對工作性影響程度最大，對抗壓強度影響程度最小，確定其取值為A2。由于因素C 對于新拌混凝土漿體工作性和成型試樣抗壓強度影響程度相當，為保證混凝土具有一定的抗壓強度，確定其取值為C2。因此，按照配合比A2B2C2D2進行驗證試驗，試驗結果見表8。

表8 混凝土驗證試驗結果

2.4 增稠劑對自密實混凝土性能的影響

為保證自密實混凝土具有較大流動性的同時不離析，研究了不同摻量下的黃原膠、溫輪膠和聚丙烯酰胺3 種增稠劑對自密實混凝土性能的影響，以此確定最佳增稠劑種類及摻量，結果見表9。

表9 增稠劑對混凝土性能的影響

由表9 可以看出，無論摻加哪一種增稠劑，混凝土的工作性能均隨著增稠劑摻量的增加而變差，離析率逐漸減小。這是因為摻加增稠劑后，水泥漿中部分自由水被約束，使得水泥粒子之間的間隙得以保存，粒子間摩擦阻力減小，流動性增大且不離析。過度摻加增稠劑會使得混凝土拌和物的粘聚性大大提高，限制了混凝土拌和物的變形，抗剪強度提高，流動性降低[10]。與基準組混凝土相比，摻加增稠劑后混凝土的抗壓強度均提高，這是因為增稠劑可以在一定程度上改善因離析泌水導致的試塊不均勻性[11]。溫輪膠和黃原膠具有優異的保水性，使混凝土內部水分蒸發慢，混凝土結構有害氣孔減少且塑性收縮減小，展現出優異的力學性能[12]。綜合考慮混凝土的工作性能及力學性能，確定最佳增稠劑種類為溫輪膠，最佳摻量為0.12%，此時其擴展度為680 mm，T500為3 s，離析率為10.2%，抗壓強度為59.4 MPa。

3 輕質超薄保溫裝飾一體化墻板生產工藝

輕質超薄保溫裝飾一體化墻板生產施工工藝如下：

（1）準備工作：清理模具、支模，涂刷脫模劑，綁扎鋼筋網片并固定拉結件，制作并鋪設帶裝飾的聚氨酯彈性襯模等[13]。

（2）澆筑外葉板自密實混凝土：自密實混凝土應嚴格按照配合比進行配制，均勻澆筑至指定厚度。然后將綁扎有拉結件的鋼筋網片埋入混凝土，調整拉結件位置，保證其與保溫板預留孔成功對接。澆筑外葉板自密實混凝土見圖1，固定拉結件、鋪設飾面層鋼筋網見圖2。

圖1 澆筑自密實混凝土

圖2 固定拉結件、鋪設飾面層鋼筋網

（3）VIP 板鋪設：由于VIP 板具有不可裁剪、開洞、表面不可錨固、保護層易破損等特點，因此，在制作時已根據排板提前預留拉結件的孔洞，在外葉板混凝土初凝前按照拉結件位置將保溫板緊密鋪設，鋪設縫隙用發泡膠填塞。VIP 板鋪設見圖3。

圖3 鋪設VIP 板

（4）綁扎固定內葉板鋼筋：利用附加錨筋將綁扎好的鋼筋網片與拉結件綁扎牢固。

（5）澆筑內葉板輕骨料混凝土[14]：輕骨料混凝土干密度為1470 kg/m3，抗壓強度為39 MPa。內葉板混凝土澆筑時應注意VIP 板及拉結件位置，以免發生位移。

（6）養護成型：養護溫度不超過60 ℃，升溫速率不超過15 ℃/h，墻板成品見圖4。

圖4 墻板成品

4 輕質超薄保溫裝飾一體化墻板的性能及成本分析

4.1 性能對比

試驗采用的輕質超薄保溫裝飾一體化墻板內葉墻板厚150 mm，VIP 板厚30 mm，外葉板厚30 mm，樣板尺寸為1500 mm×1500 mm，拉結件為FRP 拉結件。采用智能型穩態熱傳遞性質測定系統CEETC-A-GC224 對墻板傳熱系數進行測試，如圖5 所示。

圖5 構件傳熱系數測試

經測試，制備的輕質超薄保溫裝飾一體化墻板傳熱系數為0.19 W/（m2·K），與傳統夾芯保溫外墻板[厚度360 mm，傳熱系數0.37 W/（m2·K）]相比，厚度減少41.7%，傳熱系數降低48.6%，單位面積質量降低53.1%。

4.2 成本對比

預制輕質超薄保溫裝飾一體化墻板和預制保溫裝飾一體化墻板的成本相近，具體成本分析見表10。

表10 成本分析

5 結 論

（1）各因素對混凝土拌合物的工作性能影響程度為：砂率＞水膠比＞漿骨比＞粉煤灰摻量，對混凝土力學性能的影響程度為：漿骨比＞水膠比＞粉煤灰摻量＞砂率。

（2）隨著增稠劑摻量的增加，混凝土拌合物的流動性和離析率均逐漸降低，抗壓強度提高。綜合考慮混凝土的工作性能和力學性能，確定增稠劑最佳種類為溫輪膠，最佳摻量為0.12%。

（3）通過試驗，確定制備輕質超薄保溫裝飾一體化墻板的最佳生產工藝，制得的墻板與傳統夾芯保溫外墻板相比，厚度減少41.7%，傳熱系數降低48.6%，單位面積質量降低53.1%，成本相近。