轻质超薄保温装饰一体化墙板的研究

赵志刚，罗小平，王飞波，张静，王文欢，刘兴华

（1.北京市燕通建筑构件有限公司，北京 102202；2.河北建工建筑装配股份有限公司，河北石家庄 050500；3.北京城建六建设集团有限公司，北京 101500）

0 引 言

非承重围护结构及内隔墙在装配式建筑评分中占有很大比例，且建筑墙体的节能比率占整栋建筑50%以上。为了推进京津冀、长江三角等重点区域制定更高水平节能标准，开展超低能耗建筑规模化建设，推动零碳建筑、零碳社区建设试点[1]。大力推广节能高效、材质轻便的装配式建筑墙板具有重大的实际价值[2]。

保温装饰一体化墙板由保温材料、装饰面板及连接件构成，集防火、保温、装饰等功能于一体，可应用于钢结构、混凝土框架结构等建筑围护体系中[3-4]。保温装饰一体化墙板作为建筑节能与结构一体化技术的组成部分，不仅使保温建筑材料永久性地纳入了建筑围护结构中，使建筑围护结构的强度及施工安全都得以加强，同时满足建筑节能、防火等需求[5-6]。目前，建筑行业逐渐转向绿色化、产业化、信息化，保温装饰一体化墙板符合我国低碳生态建设发展理念和战略规划。因此，加大对建筑节能与结构一体化技术的研究具有重要意义。

随着建筑节能要求不断提高，达到80%节能要求的保温装饰一体化墙板的保温层厚度要达到120 mm，墙板的总厚度接近400 mm，这将导致建筑物的有效使用面积进一步降低。因此，对墙板进行减重优化，研究超薄保温装饰一体化墙板具有重要意义。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 水泥，北京水泥厂；粉煤灰：Ⅱ级，唐山市丰润区鹏利达建材厂；砂子：Ⅱ区中砂，迁西县罗家屯镇庆沅采砂场；石子：3~8 mm 碎石，北京盛世安平建筑工程有限公司；减水剂：聚羧酸减水剂，天津冶建特种材料有限公司。增稠剂：黄原胶，白色粉末，河北景素生物科技有限公司；温轮胶，白色粉末，江苏奥福生物科技有限公司；聚丙烯酰胺，白色粉末，北京海畅清环保科技有限公司；脱模剂：水性，阿克思建筑科技河北有限公司；水：自来水。

1.2 试验方案

通过正交试验研究不同砂率、浆骨比、水胶比和粉煤灰掺量对自密实混凝土扩展度、T500和抗压强度的影响，确定制备自密实混凝土的初步配合比。根据增稠剂的种类及掺量对自密实混凝土工作性能和力学性能的影响，确定制备自密实混凝土的最佳配合比。使用轻骨料混凝土和自密实混凝土制备轻质超薄保温装饰一体化墙板，确定生产工艺，并对其性能进行分析。

1.3 自密实混凝土配合比设计

外叶板采用自密实混凝土，按照JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》设计配合比。以扩展度和T500衡量自密实混凝土工作性能，以28 d 抗压强度衡量自密实混凝土力学性能，通过极差、方差分析，判断各因素对试验指标的影响及其显著性。正交试验因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平

2 结果与分析

正交试验设计及测试结果见表2。

表2 正交试验设计及测试结果

2.1 自密实混凝土的工作性能

自密实混凝土扩展度和T500的极差分析见表3。

表3 自密实混凝土扩展度及T500 的极差分析

由表3 可以看出：各因素对混凝土扩展度和T500的影响顺序均为A＞C＞B＞D，混凝土扩展度越大，T500越小，流动性越好，最佳因素水平为A2B2C3D2。

混凝土的扩展度随着砂率、浆骨比和粉煤灰掺量的增加先增大后减小，随水胶比的增加而增大，T500则相反。原因是：（1）在一定砂率范围内，砂子与水泥浆体组成的砂浆在粗骨料间起润滑和滚珠作用，随着砂率的增加，润滑和滚珠作用明显，粗骨料之间的摩擦力逐渐降低，混凝土浆体的流动性不断增大。但是，由于砂的比表面积较粗骨料大，随着砂率的持续增加，其总比表面积也不断增大，在相同胶凝材料用量情况下，粗细骨料表面包裹的浆体层变薄，增大粗细骨料之间的摩擦力，使混凝土的流动性降低，严重时混凝土无法成浆，呈团聚状；（2）浆骨比较小时，混凝土拌合物中水泥浆体含量较少，骨料含量较多，材料间的粘聚力不足以抵抗粗集料下沉，导致混凝土拌合物出现离析现象，混凝土拌合物整体摩擦力变大，流动度降低。随着浆骨比的增加，混凝土拌合物的流动性增加。当浆骨比过大时，混凝土拌合物中水泥浆体含量较多，骨料含量较低，混凝土拌合物粘聚力增大，流动性再次降低；（3）粉煤灰颗粒具有形态效应[7]，在一定范围内，可以改善混凝土的流动性。但粉煤灰的微集料效应使其在掺量较高时，粒径较小的颗粒填充于水泥颗粒之前，增加了混凝土拌合物粘聚力，导致其流动性降低；（4）随着水胶比的增加，混凝土的工作性能逐渐变好，即扩展度不断增加，T500不断减小，但水胶比过高将导致混凝土拌合物出现泌水情况。

自密实混凝土扩展度方差分析见表4。

表4 自密实混凝土扩展度方差分析

由表4 可以看出，对自密实混凝土扩展度影响的显著性依次为A＞C＞B＞D。F2，2（0.10）＜FA＜F2，2（0.05），砂率对自密实混凝土扩展度的影响显著；F2，2（0.15）＜FC＜F2，2（0.10），水胶比对自密实混凝土扩展度有一定影响；FB、FD＜F2，2（0.20），浆骨比和粉煤灰掺量对自密实混凝土扩展度影响不大。

自密实混凝土T500方差分析见表5。

表5 自密实混凝土T500 方差分析

由表5 可以看出，各因素对自密实混凝土T500影响的显著性依次为A＞C＞B＞D。由于F2，2（0.25）＜FA、FC＜F2，2（0.10），故砂率和水胶比对自密实混凝土T500的影响显著；而FB、FD＜F2，2（0.25），说明浆骨比和粉煤灰掺量对自密实混凝土T500影响相对较小。

2.2 自密实混凝土的力学性能

自密实混凝土抗压强度试验结果的极差分析见表6。

表6 自密实混凝土抗压强度极差分析

通过表6 可以看出，上述4 个因素对自密实混凝土抗压强度的影响顺序为B＞C＞D＞A，最佳因素水平为A3B2C2D2。

自密实混凝土的抗压强度随着浆骨比、水胶比和粉煤灰掺量的增加均呈先提高后降低趋势，随着砂率的增加而不断提高。这是因为：（1）浆骨比较小时，自密实混凝土内部形成的界面过渡区较多，导致其抗压强度较低，随着浆骨比的增加，浆体相对含量增加，骨料被浆体严密包裹，致使骨料间的粘结力和机械咬合力增强，自密实混凝土的抗压强度提高[8-9]。当浆骨比超过一定范围时，混凝土中骨料含量相对较低，导致其骨架结构变弱，混凝土强度再次降低。（2）水胶比较小时，新拌混凝土浆体流动性差，成型混凝土结构不密实，内部有害大孔较多，抗压强度较低，当水胶比过大时，混凝土拌和物容易出现泌水的情况，影响混凝土强度。（3）由于粉煤灰的微集料效应和火山灰效应，在适当掺量下，粉煤灰中细小的微珠可以提高混凝土结构的密实度，其中大量活性物质与水泥水化产物中碱性物质进一步发生化学反应，生成的水化产物可填充于混凝土结构，提高混凝土的抗压强度，但掺量过大时，水泥水化形成的产物减少，抗压强度降低。（4）在一定砂率范围内，砂子可以填充于石子空隙，增加混凝土结构的密实度，提高其抗压强度。

自密实混凝土抗压强度方差分析见表7。

表7 自密实混凝土抗压强度方差分析

由表7 可以看出，各因素对混凝土抗压强度影响的显著性依次为B＞C＞D＞A。由于F2，2（0.025）＜FB＜F2，2（0.010），故浆骨比对混凝土抗压强度的影响较显著；由于F2，2（0.150）＜FC＜F2，2（0.100），故水胶比对混凝土抗压强度的有一定影响，而FD、FA＜F2，2（0.200），说明粉煤灰掺量和砂率对自密实混凝土抗压强度影响相对较小。

2.3 试验验证

对于新拌混凝土工作性能来说，混凝土最佳基础配合比为A2B2C3D2，对于成型试样抗压强度来说，混凝土最佳基础配合比为A3B2C2D2。由于因素A 对工作性影响程度最大，对抗压强度影响程度最小，确定其取值为A2。由于因素C 对于新拌混凝土浆体工作性和成型试样抗压强度影响程度相当，为保证混凝土具有一定的抗压强度，确定其取值为C2。因此，按照配合比A2B2C2D2进行验证试验，试验结果见表8。

表8 混凝土验证试验结果

2.4 增稠剂对自密实混凝土性能的影响

为保证自密实混凝土具有较大流动性的同时不离析，研究了不同掺量下的黄原胶、温轮胶和聚丙烯酰胺3 种增稠剂对自密实混凝土性能的影响，以此确定最佳增稠剂种类及掺量，结果见表9。

表9 增稠剂对混凝土性能的影响

由表9 可以看出，无论掺加哪一种增稠剂，混凝土的工作性能均随着增稠剂掺量的增加而变差，离析率逐渐减小。这是因为掺加增稠剂后，水泥浆中部分自由水被约束，使得水泥粒子之间的间隙得以保存，粒子间摩擦阻力减小，流动性增大且不离析。过度掺加增稠剂会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变形，抗剪强度提高，流动性降低[10]。与基准组混凝土相比，掺加增稠剂后混凝土的抗压强度均提高，这是因为增稠剂可以在一定程度上改善因离析泌水导致的试块不均匀性[11]。温轮胶和黄原胶具有优异的保水性，使混凝土内部水分蒸发慢，混凝土结构有害气孔减少且塑性收缩减小，展现出优异的力学性能[12]。综合考虑混凝土的工作性能及力学性能，确定最佳增稠剂种类为温轮胶，最佳掺量为0.12%，此时其扩展度为680 mm，T500为3 s，离析率为10.2%，抗压强度为59.4 MPa。

3 轻质超薄保温装饰一体化墙板生产工艺

轻质超薄保温装饰一体化墙板生产施工工艺如下：

（1）准备工作：清理模具、支模，涂刷脱模剂，绑扎钢筋网片并固定拉结件，制作并铺设带装饰的聚氨酯弹性衬模等[13]。

（2）浇筑外叶板自密实混凝土：自密实混凝土应严格按照配合比进行配制，均匀浇筑至指定厚度。然后将绑扎有拉结件的钢筋网片埋入混凝土，调整拉结件位置，保证其与保温板预留孔成功对接。浇筑外叶板自密实混凝土见图1，固定拉结件、铺设饰面层钢筋网见图2。

图1 浇筑自密实混凝土

图2 固定拉结件、铺设饰面层钢筋网

（3）VIP 板铺设：由于VIP 板具有不可裁剪、开洞、表面不可锚固、保护层易破损等特点，因此，在制作时已根据排板提前预留拉结件的孔洞，在外叶板混凝土初凝前按照拉结件位置将保温板紧密铺设，铺设缝隙用发泡胶填塞。VIP 板铺设见图3。

图3 铺设VIP 板

（4）绑扎固定内叶板钢筋：利用附加锚筋将绑扎好的钢筋网片与拉结件绑扎牢固。

（5）浇筑内叶板轻骨料混凝土[14]：轻骨料混凝土干密度为1470 kg/m3，抗压强度为39 MPa。内叶板混凝土浇筑时应注意VIP 板及拉结件位置，以免发生位移。

（6）养护成型：养护温度不超过60 ℃，升温速率不超过15 ℃/h，墙板成品见图4。

图4 墙板成品

4 轻质超薄保温装饰一体化墙板的性能及成本分析

4.1 性能对比

试验采用的轻质超薄保温装饰一体化墙板内叶墙板厚150 mm，VIP 板厚30 mm，外叶板厚30 mm，样板尺寸为1500 mm×1500 mm，拉结件为FRP 拉结件。采用智能型稳态热传递性质测定系统CEETC-A-GC224 对墙板传热系数进行测试，如图5 所示。

图5 构件传热系数测试

经测试，制备的轻质超薄保温装饰一体化墙板传热系数为0.19 W/（m2·K），与传统夹芯保温外墙板[厚度360 mm，传热系数0.37 W/（m2·K）]相比，厚度减少41.7%，传热系数降低48.6%，单位面积质量降低53.1%。

4.2 成本对比

预制轻质超薄保温装饰一体化墙板和预制保温装饰一体化墙板的成本相近，具体成本分析见表10。

表10 成本分析

5 结 论

（1）各因素对混凝土拌合物的工作性能影响程度为：砂率＞水胶比＞浆骨比＞粉煤灰掺量，对混凝土力学性能的影响程度为：浆骨比＞水胶比＞粉煤灰掺量＞砂率。

（2）随着增稠剂掺量的增加，混凝土拌合物的流动性和离析率均逐渐降低，抗压强度提高。综合考虑混凝土的工作性能和力学性能，确定增稠剂最佳种类为温轮胶，最佳掺量为0.12%。

（3）通过试验，确定制备轻质超薄保温装饰一体化墙板的最佳生产工艺，制得的墙板与传统夹芯保温外墙板相比，厚度减少41.7%，传热系数降低48.6%，单位面积质量降低53.1%，成本相近。