加氣混凝土復合保溫外墻板的研發

苗紀奎，莊贈楷，胡藍皓

（山東建筑大學 建筑城規學院，山東 濟南 250101）

0 引言

建筑工業化是建筑業發展的必然趨勢，裝配式建筑技術滿足我國建筑業的各相關標準，得到了廣泛應用[1]。住建部建筑市場監管司2019年工作要點提出選擇部分地區開展裝配式鋼結構住宅建設試點，推動建立成熟的裝配式鋼結構住宅建設體系。2020年7月，住建部等七部門印發《綠色建筑創建行動方案》，提出推廣裝配化建造方式，大力發展鋼結構等裝配式建筑，新建公共建筑原則上采用鋼結構。在國內多重利好政策的推動下，裝配式鋼結構建筑將會迎來高速發展期[2]。

在裝配式建筑結構中，裝配式鋼結構具備輕量化、模塊化、易于拆解循環利用等優點，且與傳統現澆混凝土框架建筑相比，采用裝配式鋼結構體系的建筑全壽命周期成本低[3-5]，適用于工業化住宅建筑，是實現住宅產業化的方式[6-7]。但目前國內裝配式鋼結構建筑比例和規模化程度較低，技術集成度與發展裝配式建筑的有關要求相比差距較大[8-9]。鋼結構住宅只有試點工程而未大面積推廣的原因之一，就是與鋼結構裝配式住宅相配套外墻板的研發、應用技術及標準圖集相對滯后[10-11]。目前應用于裝配式鋼結構建筑的墻板主要有蒸壓加氣混凝土條板、預制混凝土夾芯板、輕鋼龍骨復合墻板和鋼絲網架水泥夾芯板。以上4種墻板還存在以下技術問題：（1）蒸壓加氣混凝土條板無法滿足寒冷與嚴寒地區對墻體熱工性能的要求，且存在凍融破壞問題[12]；（2）預制混凝土夾芯板自重大，運輸與吊裝難度大，且安裝精度不易控制；（3）輕鋼龍骨復合墻板易形成熱橋，墻板保溫與隔聲效果差，在墻體上釘掛重物困難，且輕鋼龍骨組合結構存在應力傳遞不明確、理論分析方法尚不充分的問題[13-14]；（4）鋼絲網架水泥夾芯板易發生鋼筋變形，使抹灰層下墜，造成水泥砂漿抹灰層開裂。

基于目前常用外墻板存在問題分析，結合裝配式鋼結構建筑對外墻板的性能要求，提出一種新型保溫與結構一體化墻板——加氣混凝土復合保溫外墻板[15]，并借助于試驗與理論分析，研究了新型復合保溫外墻板的性能。

1 新型復合保溫外墻板的提出

1.1 裝配式鋼結構建筑外墻板的性能要求

外墻圍護系統可用墻板種類多，施工工藝與節點構造各異，為保證外墻圍護系統的工程質量，GB/T 51232—2016《裝配式鋼結構建筑技術標準》對外墻圍護系統提出了具體的性能要求，主要包括安全性、功能性和耐久性3個方面。安全性要求是涉及人身安全的關鍵性能指標，對于裝配式建筑外墻圍護系統而言，應符合基本的承載力及防火要求，具體可分為抗風壓性、抗震性、耐撞擊性及防火性4個方面。功能性要求是指作為外墻圍護系統應該滿足居住使用功能的基本要求，具體包括水密性、氣密性、隔聲性和熱工性4個方面。耐久性要求直接影響外墻圍護系統使用壽命和維護保養時限，具體包括耐候性、抗凍性、耐熱雨性及耐干濕性等。另外，外墻板還應具有良好的經濟性和環境協調性。經濟性要求制作墻板的原材料來源廣泛、就地取材，且設計制作簡單，以降低生產成本。環境協調性要求墻板的組成材料資源及能源消耗少、環境污染小、再生循環利用率高。裝配式建筑外墻板是把傳統外墻施工方式中的大量現場作業轉移到工廠進行，在工廠加工制作好墻板，再運輸到建筑施工現場，通過可靠的連接方式裝配安裝而成的墻體。因此，外墻板還應符合工業化要求：（1）工廠標準化、自動化、流水線生產；（2）自重輕，運輸吊裝方便；（3）節點構造簡單、安裝施工便捷。

1.2 新型復合保溫外墻板基本構造

加氣混凝土復合保溫外墻板是以蒸壓加氣混凝土板為基層，復合有機保溫板及35 mm厚A級保溫漿料在工廠預制成型的一種新型保溫與結構一體化外墻板[以下簡稱復合保溫外墻板（見圖1）]。復合保溫外墻板利用加氣混凝土板基層承受墻板自重及作用于其上的水平荷載，利用有機保溫板作為保溫層，以滿足嚴寒與寒冷地區外墻的節能設計要求，利用保溫漿料作為防護層，以滿足墻板的防火性能要求。

復合保溫外墻板各構造層間為無空腔構造，即加氣混凝土板基層涂刷界面處理劑后，借助粘結砂漿與保溫板復合在一起，再在保溫板的上表面澆筑保溫漿料防護層，保溫漿料將保溫板完全包裹。為提高保溫漿料防護層與保溫板的粘結面積與咬合力，保溫板表面開設沿寬度方向的鍵槽，并通過塑料錨栓將保溫漿料防護層、保溫層與加氣混凝土板基層機械錨固在一起。

圖1 復合保溫外墻板的構造示意

2 粘結砂漿與加氣混凝土板粘結性能試驗

復合保溫外墻板的保溫層通過粘結砂漿與加氣混凝土板基層粘結在一起，因而粘結砂漿與加氣混凝土板的粘結性能直接影響保溫層與加氣混凝土板基層的連接安全性。為研究粘結砂漿與加氣混凝土板基層的粘結性能，對20個粘結試樣進行了拉伸試驗，分析了有無界面處理劑以及粘結砂漿厚度對拉伸粘結強度的影響，以優化復合保溫外墻板保溫層與基層的連接構造。

圖2 涂刷界面劑的粘結試樣

2.1 試驗概況

本次試驗共設計2組粘結試樣，一組試樣的加氣混凝土板表面涂刷界面劑，另一組試件的加氣混凝土板不進行界面處理，試樣尺寸為100 mm×100 mm。制作試樣的材料由山東易通建材有限公司提供，加氣混凝土板的規格為150 mm厚，界面劑為加氣混凝土專用界面劑。每組試樣按照粘結砂漿的不同厚度又分為5種類型，每種類型的試樣制作2個，共計20個試樣，涂刷界面劑的試樣見圖2，各試樣參數見表1。試樣制作時，將粘結砂漿填滿放置在加氣混凝土板基層的成型框內，成型框的厚度分為2、4、6、8、10 mm共5種，試樣制作完成后，在溫度（23±2）℃，相對濕度（50±5）%的環境條件下養護28d后進行拉伸試驗。試驗參照JGJ144—2019《外墻外保溫工程技術標準》附錄C.1基層墻體與膠粘劑的拉伸試驗方法，采用數顯式粘結強度檢測儀（見圖3）進行測試。

圖3 數顯式粘結強度檢測儀

2.2 試驗結果分析

各粘結試樣的拉伸粘結強度見表1。JGJ 144—2019第5.2.7條規定，基層與膠粘劑的拉伸粘結強度應≥0.3 MPa。

表1 粘結試樣的拉伸粘結強度

由表1可見：（1）未涂刷界面處理劑的試樣，各厚度粘結砂漿與加氣混凝土板基層的拉伸粘結強度平均值均低于0.3 MPa；而涂刷界面處理劑的試樣，各厚度粘結砂漿與加氣混凝土板的拉伸粘結強度平均值均大于0.4 MPa。因此，在加氣混凝土板表面涂刷界面處理劑可以顯著提高粘結砂漿與加氣混凝土板的拉伸粘結強度，從而提高保溫層與加氣混凝土板基層的連接安全性。（2）對于涂刷界面處理劑的試樣，改變粘結砂漿的厚度對其拉伸粘結強度影響較小。因此，為降低復合保溫外墻板的生產成本，應盡可能減小粘結砂漿的厚度，從而減少材料用量。為保證連接安全性，并兼顧生產制作的要求，建議復合保溫外墻板粘結砂漿的厚度取4～6 mm。

3 復合保溫外墻板隔聲性能與耐火性能試驗

3.1 隔聲性能試驗

理想的外墻板要求墻板自重輕，在滿足熱工性能的前提下盡可能減小厚度，以降低運輸和吊裝費用，但自重輕、厚度薄的墻體通常存在隔聲差的問題。為檢驗復合保溫外墻板的隔聲性能，依據GB/T 19889.3—2005《聲學 建筑和建筑構件隔聲測量 第3部分：建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量》對其進行隔聲性能試驗，試件尺寸為2480 mm×600 mm×230 mm（見圖4），墻板各構造層由內而外依次為：150 mm厚加氣混凝土板基層（A3.5，B05）、5mm厚粘結砂漿、40mm厚擠塑板保溫層和35 mm厚保溫漿料防護層，制作試件的材料均為山東易通建材有限公司提供。試驗結果表明，復合保溫外墻板的空氣計權隔聲量為45 dB，符合GB 50118—2010《民用建筑隔聲設計規范》第4.2.6條規定的外墻的空氣計權隔聲量≥45 dB的要求。

圖4 隔聲性能試驗

圖5 耐火性能試驗

3.2 耐火性能試驗

耐火極限是劃分外墻板耐火性能等級的重要指標，為檢驗復合保溫外墻板的耐火性能，依據GB/T 9978.1—2008《建筑構件耐火試驗方法 第1部分：通用要求》對其進行耐火性能試驗，試件尺寸為1200 mm×600 mm×200 mm（見圖5），墻板各構造層由內而外依次為：120 mm厚加氣混凝土板基層（A3.5，B05）、5 mm厚粘結砂漿、40 mm厚擠塑板保溫層和35 mm厚保溫漿料防護層，制作試件的材料均為山東易通建材有限公司提供。試驗結果表明，復合保溫外墻板的耐火極限大于1.0 h，符合GB 50016—2014《建筑設計防火規范》第5.1.2條規定的非承重外墻耐火等級為一級的要求。

4 復合保溫外墻板的適用性分析

隨著節能設計標準的提高，加氣混凝土單一材料墻板難以滿足嚴寒和寒冷地區對墻體傳熱系數限值的要求，因此衡量墻板適用性的一項重要指標就是其熱工性能。另外，從上述復合保溫外墻板的性能分析可見，墻板的自重小，不僅運輸吊裝方便，還可以減輕建筑質量，降低地震作用和基礎工程造價。因此，本文通過理論計算對比分析了復合保溫外墻板和加氣混凝土外墻板的熱工性能及自重，研究了復合保溫外墻板在嚴寒和寒冷地區裝配式鋼結構建筑中的適用性。

4.1 熱工性能

傳熱系數是衡量外墻熱工性能的主要指標，JGJ26—2018《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》按照建筑層數的不同，規定了外墻傳熱系數限值（見表2）。為了便于問題的討論，選取相同厚度的復合保溫外墻板和加氣混凝土外墻板，以嚴寒和寒冷地區外墻傳熱系數限值為衡量標準，探討新型復合保溫外墻板的適用性。依據GB50176—2016《民用建筑熱工設計規范》，多層勻質材料組成的外墻的傳熱系數可按式（1）計算：

式中：K——外墻傳熱系數，W/（m2·K）；

δi——墻板各構造層材料厚度，m；

λi——材料導熱系數，W/（m·K）；

αi——材料導熱系數修正系數；

Ri——內表面換熱阻，取0.11 m2·K/W；

Re——外表面換熱阻，取0.04 m2·K/W。

表2 外墻傳熱系數限值

選取240、280、320 mm三種厚度的墻板進行計算。結合工程常用做法和住宅建筑外墻板的受力要求，復合保溫外墻板的基層加氣混凝土板的厚度取150 mm，保溫層采用擠塑板，厚度取50、90、120 mm三種規格，粘結砂漿的厚度為5 mm，保溫漿料的厚度為35 mm，根據GB 50176—2016、DB 37/5026—2014《居住建筑節能設計標準》規定的墻板各構造層材料的性能參數（見表3），依據式（1）計算得到2種墻板的傳熱系數見表4。

表3 各構造層材料性能參數

表4 外墻板傳熱系數及自重對比

由表4可見，與相同厚度加氣混凝土外墻板相比，復合保溫外墻板的傳熱系數降低了39.6%～56.7%。復合保溫外墻板厚度為240 mm時，可應用于寒冷地區的建筑和嚴寒地區4層及以上的建筑；墻板厚度為280 mm時，可應用于嚴寒和寒冷地區各層數的建筑；而加氣混凝土外墻板厚度為320mm時，僅可用于寒冷地區4層及以上的建筑。因此，復合保溫外墻板在嚴寒和寒冷地區具有廣闊的應用前景。

4.2 墻板自重

墻板自重計算時，各構造層材料密度取值見表3，為了便于比較，加氣混凝土板取525 kg/m3，擠塑板取35 kg/m3，玻化微珠保溫漿料取400 kg/m3，粘結砂漿取1800 kg/m3。由表4可見，與相同厚度的加氣混凝土外墻板相比，復合保溫外墻板自重降低了17.9%～36.7%。因此，在裝配式鋼結構建筑中推廣應用復合保溫墻板，更能充分發揮鋼結構體系自重輕、承載力高、抗震性能好的優勢。

5 結論

（1）基于裝配式外墻板現存問題分析，結合鋼結構裝配式建筑對外墻板的性能要求，提出一種新型保溫結構一體化外墻板，并確定了各構造層間的連接方式。

（2）拉伸試驗表明，界面劑可以顯著提高粘結砂漿與加氣混凝土板的拉伸粘結強度，復合保溫外墻板粘結砂漿的厚度建議取4～6 mm。

（3）隔聲性能試驗與耐火性能試驗表明，復合保溫外墻板的隔聲量不小于45 dB，耐火極限大于1.0 h，滿足現行規范對非承重外墻板的隔聲與防火性能要求。

（4）與同厚度的加氣混凝土外墻板相比，復合保溫外墻板傳熱系數降低39.6%～56.7%，自重降低17.9%～36.7%，適用于嚴寒及寒冷地區裝配式鋼結構建筑。