淺談超高性能混凝土在裝配式疊合剪力墻中的應用

【摘要】國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，帶動了在國民經(jīng)濟中占據(jù)重要地位的建筑業(yè)不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的建筑材料和施工工藝制約了建筑行業(yè)的發(fā)展，為高效率、低污染的裝配式建筑的出現(xiàn)提供了發(fā)展的機遇，裝配式建筑滿足了人們對施工方法已經(jīng)不能滿足大規(guī)模的。通過對目前裝配式建筑中的剪力墻的施工技術(shù)的總結(jié)，了解既有方法的缺陷上，提出了采用超高性能混凝土制作疊合剪力墻內(nèi)外葉板，將葉板厚度由50mm減小為10～20mm。葉板厚度減小后，使現(xiàn)澆層厚度增加，空腔內(nèi)后澆筑混凝土后剪力墻結(jié)構(gòu)整體性更好。疊合剪力墻的預制件減輕，可大大節(jié)約運輸和吊裝成本。

【關(guān)鍵詞】超高性能混凝土;疊合剪力墻;葉板厚度;裝配式

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.09.056

引言：

裝配式建筑指建筑物中的部分構(gòu)件在工廠流水線生產(chǎn)后，再在施工現(xiàn)場進行組裝的建筑結(jié)構(gòu)形式。由于裝配式構(gòu)件的復雜程度不高，需要數(shù)量多，可以實現(xiàn)工廠批量化生產(chǎn)，批量的構(gòu)件在施工現(xiàn)場進行構(gòu)件安裝，其工作量小于現(xiàn)場支模現(xiàn)澆的工作量。加工好的構(gòu)配件在施工現(xiàn)場，實現(xiàn)工序穿插過程，下道工序及時穿插進預埋好的構(gòu)配件孔內(nèi)，將建筑物的構(gòu)件組裝起來，實現(xiàn)整個建筑物的完工。

傳統(tǒng)建筑建造方式大多采用人工和機械為主，但建筑工人老齡化、短缺化趨勢明顯，因此未來住宅將變?yōu)轭愃朴诮M裝手機的裝配式的建造方式。建筑工業(yè)化的前提條件是建筑構(gòu)件和部品的標準化、系列化、專業(yè)化、商品化等，國內(nèi)外的裝配式住宅主要采用疊合板、樓梯、陽臺等水平構(gòu)件，而針對住宅建筑的主要豎向構(gòu)件剪力墻則采用疊合的方式，疊合墻的內(nèi)外葉板一般采用普通混凝土，本文則考慮采用超高性能混凝土進行制作。

1、裝配式建筑施工特點和施工流程

1.1構(gòu)件生產(chǎn)的專業(yè)化，質(zhì)量可控化

大量建筑物的構(gòu)配件在工廠中幾乎都能滿足生產(chǎn)的可能，通常這些構(gòu)配件都市通過標準化的模模板和工藝生產(chǎn)出來。另外，因為這些構(gòu)件要在施工現(xiàn)場進行組合拼裝，所以，對于構(gòu)件來說，生產(chǎn)的構(gòu)件要達到精準化，才能滿足安裝需求。

1.2減少成本，節(jié)約勞動力

用于裝配的構(gòu)配件都是在工廠生產(chǎn)和加工，大量的工作量轉(zhuǎn)移到了工廠，使得施工現(xiàn)場的生產(chǎn)和施工工作量減少，對于現(xiàn)場使用的工器具也相對減少，節(jié)省了這些機械和相應材料的租賃費用，相對傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工來說，減少了很多工序，相應也節(jié)省了工序之間的交叉時間。對于施工人員來說，減少了不同工種的施工人員，達到了精簡施工人員的組成，將現(xiàn)場的工作量轉(zhuǎn)移到了工廠規(guī)模化、專業(yè)化、批量化生產(chǎn)，大大的減少施工人員的數(shù)量，同時，也解決了建筑業(yè)中務工人員缺乏的問題。

1.3實現(xiàn)資源節(jié)約，有利于環(huán)境保護

在傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑物施工中，因有不同的工序，還要伴隨著半成品的加工，會造成在工序的不同施工過程中產(chǎn)生的各種建筑資源的使用，在施工中產(chǎn)生的建筑垃圾，還有對不同材料的需求，以及涉及到各種設(shè)備和器具的使用。而裝配式建筑大大的改變了這一模式，在工廠生產(chǎn)構(gòu)配件，更具專業(yè)化和規(guī)模化，減少了資源的使用，節(jié)約了現(xiàn)有資源，同時，實現(xiàn)了保護環(huán)境的目的。

1.4對現(xiàn)場吊裝設(shè)備和組裝拼接人員能力提出了要求

裝配式建筑的構(gòu)配件一般重量較大，超出了現(xiàn)場常規(guī)的建筑物部件重量，在吊裝之前就要根據(jù)構(gòu)配件的重量選擇合適的吊裝設(shè)備。預制好的構(gòu)件要在現(xiàn)場進行組裝拼接，構(gòu)件之間要相互咬合，在這個施工過程中，對組裝人員的專業(yè)化提出了要求。

1.5裝配式建筑整個施工工藝流程

建筑物的構(gòu)件在工廠完成施工后，要將其構(gòu)件運輸至施工現(xiàn)場，在現(xiàn)場，用吊裝設(shè)備進行吊裝，吊裝至要安裝的所在位置，通過施工人員的配合精準安裝拼接在建筑物的相應位置，對于安裝好的構(gòu)件，如樓梯板和樓板，還需要支撐其重量，在其相應位置進行水電預埋，隨后進行混凝土澆筑，收面亞光。

2、普通裝配式剪力墻存在缺陷

2.1裝配式全預制剪力墻

全預制剪力墻的主要關(guān)注問題是如何將豎向鋼筋進行連接，目前主要的方法是采用套筒+后注漿技術(shù)，鑄鐵套筒連接接頭由帶孔鑄鐵管、封漿橡膠墊和后注高強灌漿料組成。鋼筋套筒灌漿技術(shù)施工過程是利用帶孔鑄鐵管，鋼筋從鑄鐵管兩端孔口插入套筒內(nèi)部，在套簡和封漿橡膠墊之間由下部注漿孔注入高強微膨脹灌漿料。其套筒連接技術(shù)機理主要是由灌漿料受到套管的約束作用，加上灌漿料本身具有微膨脹特性，以此強化與鋼筋、套簡內(nèi)側(cè)間法向應力，鋼筋由該法向應力與粗糙表面的摩擦系數(shù)產(chǎn)生的摩擦力，來傳遞鋼筋的應力。但此方法存在缺點：（1）套筒+后注漿技術(shù)安裝工藝復雜且技術(shù)難度高，（2）套筒灌漿技術(shù)需要專用高強灌漿料，（3）套筒灌漿飽滿度不易控制，連接質(zhì)量檢測驗收技術(shù)比較困難，（4）預制剪力墻自重較大，吊放裝配不易施工。

2.2裝配式半預制疊合剪力墻

目前，相關(guān)學者針對裝配式全預制剪力墻存在的問題，研究了疊合剪力墻及其施工技術(shù)。半預制疊合剪力墻是由內(nèi)外2片帶格構(gòu)式或桁架鋼筋的預制墻板葉板，現(xiàn)場將疊合墻預制件安裝就位后，在內(nèi)外葉板空腔內(nèi)澆筑普通混凝土，剪力墻的邊緣構(gòu)件則采用現(xiàn)澆混凝土用于墻片的橫向和豎向的連接、疊合樓板進行橫向支撐，共同形成的疊合剪力墻結(jié)構(gòu)住宅建筑。疊合剪力墻由工廠預制件和施工現(xiàn)場澆筑2部分組成，又稱為半預制結(jié)構(gòu)體系，這種技術(shù)具有節(jié)約木模板、施工速度快、機械化程度高、所需人工少和現(xiàn)澆整體性好的優(yōu)點。疊合剪力墻由內(nèi)葉板和外葉板兩部分構(gòu)成，內(nèi)葉板和外葉板均在預制構(gòu)件廠加工完成，現(xiàn)場施工時吊裝就位、調(diào)整方向和臨時固定即可;疊合剪力墻的連接部分是在現(xiàn)場綁扎邊緣鋼筋和現(xiàn)澆混凝土，此時內(nèi)葉板和外葉板既作為模板，又作為結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件。但普通混凝土疊合剪力墻依然存在以下問題：（1）雙面疊合剪力墻的內(nèi)外葉普通混凝土強度預制板厚度大于50mm，整體自重較大;（2）制作尺寸受吊裝能力限制，分塊尺寸較小。

3、裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻的提出

我國正處于全面城鎮(zhèn)化階段，國家發(fā)改委關(guān)于建筑智能化與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見也指出，建筑業(yè)在十一五規(guī)劃中仍是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，且國家正大力推廣裝配式建造模式，對具有節(jié)約造價、縮短工期、節(jié)能降耗、綠色環(huán)保且具有較好的結(jié)構(gòu)性能的裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻，具有巨大的市場需求，因此技術(shù)的提出對社會的經(jīng)濟效益的提高是非常有意義的。采用裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻的建筑具有良好的結(jié)構(gòu)性能，采用標準化分塊設(shè)計和機械工業(yè)化制作，預計降低建筑主體結(jié)構(gòu)工程造價約18%～22%，節(jié)約模板60.66%，縮短工程工期28.68%，提高了剪力墻的裝配化率，具有外保溫層一體等優(yōu)點，有利于建筑在裝配化方面的發(fā)展，也有利于實現(xiàn)建筑節(jié)能環(huán)保、節(jié)約木材和減少建筑對施工環(huán)境的影響，符合我國建筑向工業(yè)化調(diào)整的發(fā)展方向。

裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻是單層或雙層帶桁架鋼筋的預制墻板，包括包覆在鋼筋骨架內(nèi)側(cè)的內(nèi)葉板和包覆在鋼筋骨架外側(cè)的外葉板。外葉板靠近鋼筋骨架一側(cè)的側(cè)面上設(shè)置有保溫板，內(nèi)葉板和外葉板之間設(shè)置有多個成排成列布設(shè)的水平連接件，水平連接件的一端設(shè)置有固定板，內(nèi)葉板和外葉板均為超高性能混凝土薄板，內(nèi)葉板和外葉板的底端平齊，內(nèi)葉板的頂端低于外葉板的頂端，內(nèi)葉板的頂端與外葉板的頂端之間的高度差等于與裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻配合安裝的疊合板的厚度，保溫板上開設(shè)有多個水平連接件穿過孔，多個水平連接件穿過孔與多個所述水平連接件一一對應。在工廠生產(chǎn)預制構(gòu)件時，設(shè)置了桁架鋼筋，既可作為臨時吊點，又增加葉板平面外剛度，防止起吊時開裂。在工地現(xiàn)場使用階段，三角桁架鋼筋作為連接剪力墻內(nèi)外葉板的2層預制片與二次澆筑夾心混凝土之間的拉接固定鋼筋，可提高裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻整體性能和抗剪性能。同時，這種連接方式區(qū)別于全預制裝配式剪力墻體系，板與板之間無貫通施工拼縫，防水性好。

裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻具有以下優(yōu)點：

⑴與相同尺寸的普通疊合剪力墻相比，內(nèi)外葉板的厚度減小，便于吊運，降低了運輸成本。

⑵與普通疊合剪力墻相比，吊裝尺寸可設(shè)計較大，墻面拼接縫數(shù)量，省工省料，降低了工程造價。

⑶與裝配式剪力墻相比，僅需在拼縫處放置連接鋼筋，無需采用套筒灌漿，節(jié)省工時，降低了工程造價。

⑷采裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻，可與現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)采用相同的方法進行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計，其主要力學技術(shù)指標與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)基本相同。

4、裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻的技術(shù)難點及創(chuàng)新點

4.1葉板厚度較薄

國內(nèi)在裝配式疊合剪力墻方面編制了相關(guān)規(guī)范和技術(shù)規(guī)程，已經(jīng)較為詳盡地給出了疊合墻之間或疊合墻與混凝土構(gòu)件連接的詳細構(gòu)造做法。但由于現(xiàn)有疊合墻的內(nèi)外葉板均采用普通混凝土材料制作，厚度至少為50mm左右，厚度較厚。以具體的建筑裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻預制件的吊裝需求，確定超高性能混凝土的最佳厚度，厚度為10～20mm。在保證底板強度的前提下得到最大的塌落度，達到自流平混凝土對塌落度的要求，以便于工廠化施工。

超高性能混凝土是國內(nèi)外學者研究較熱的話題與土木工程材料之一，超高性能混凝土材料利用硅灰等電廠工業(yè)廢料替代部分水泥，屬于一種綠色可持續(xù)的新型建筑材料。研究結(jié)果表明，超高性能混凝土材料在細觀層面上是由水泥砂漿、纖維及其交接面組成的復合材料，造成超高性能混凝土材料的開裂也呈層次特性，水泥砂漿基體的受拉微裂縫、纖維與交界面的剝離是導致超高性能混凝土材料的開裂的最主要原因。超高性能混凝土材料多尺度的開裂機理為其細觀層面上水泥基材料的受拉微裂紋產(chǎn)生、演化和擴展，進而發(fā)生鋼纖維從水泥基材料中拔出而開裂破壞的宏觀現(xiàn)象。纖維的加入增加了水泥基體材料的韌性和強度，因此，可將超高性能混凝土的內(nèi)外葉板制作成10mm-20mm左右即可滿足承載力的要求。

4.2耐火等級高

目前現(xiàn)澆剪力墻外保溫施工藝復雜，費時費工，施工速度較慢，施工質(zhì)量及精度較差，因外保溫燃燒事件引起的安全質(zhì)量事故頻頻發(fā)生。為解決上述問題，采用施工精度、平整度較好的超高性能混凝土剪力墻外葉板和保溫板一體的預制件，其剛度和彈性模量相比木模板大很多，主要難點是內(nèi)外葉板空腔內(nèi)現(xiàn)澆混凝土臨時施工荷載對裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻的影響，以確定滿足臨時施工荷載的最薄內(nèi)外葉板的厚度或者最小的無支承間距。

在建筑施工現(xiàn)場，經(jīng)常會出現(xiàn)外保溫層失火、脫落、開裂滲水等事故頻發(fā)。這也是外保板的質(zhì)量通病，從2009年之后，人們對于外保溫板施工的問題十分關(guān)注，人們對外墻保溫建筑節(jié)能的快速發(fā)展勢頭略受影響。現(xiàn)場粘貼易燃的保溫板引起的火災事故，給社會造成較大的財產(chǎn)損失和人員傷亡。可以說，如何解決建筑物外保溫片施工中的耐火問題，對發(fā)展迅速的現(xiàn)代化建筑建造施工方式顯得具有重大的意義。近年來隨著一些新材料的不斷涌現(xiàn)，而超高性能混凝土以其優(yōu)越的性能將成為未來住宅建筑中必不可少的材料，因此具有較好耐火能力的超高性能混凝土引起人們的重視。為了防止和減少高層民用建筑火災的危害，保護人身和財產(chǎn)的安全，采用超高性能混凝土外葉板與保溫層一體的預制件，進行裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻進行防火保護。超高性能混凝土外葉板屬于無機材料、不燃燒體，滿足Ι級耐火等級的建筑物對外保溫必須為不燃燒體的具體要求。

5、裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻的行業(yè)共性及關(guān)鍵技術(shù)

5.1行業(yè)共性

根據(jù)《裝配整體式疊合剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ 08-2266-2018）的規(guī)定，裝配整體式疊合剪力墻產(chǎn)品的應用非常廣泛，適用于框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)等多種混凝土結(jié)構(gòu)類型的多層和高層工業(yè)與民用建筑，如圖書館、百貨商場、多層工業(yè)廠房、寫字樓、辦公樓、展覽館、教學樓、地下車庫和住宅樓等;并提供了具體拼裝構(gòu)造詳圖及做法。

裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻通過提升技術(shù)水平和科技含量，大幅降低成本和提高效益，實現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)的裝配化。與相同尺寸的普通疊合剪力墻相比，內(nèi)外葉板的厚度減小，便于吊運，降低了運輸成本。與普通疊合剪力墻相比，吊裝尺寸可設(shè)計較大，墻面拼接縫數(shù)量少，省工省料，降低了工程造價。與裝配式剪力墻相比，僅需在拼縫處放置連接鋼筋，無需采用套筒灌漿，節(jié)省工時，降低了工程造價。采裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻，可與現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)相同的方法進行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計，其主要力學技術(shù)指標與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相同。

5.2關(guān)鍵技術(shù)

隨著河沙開采的限制，河沙采購價增加，引起普通混凝土成本上漲，越來越多的超高層建筑的出現(xiàn)對混凝土性能提出了更高的要求，這為超高性能混凝土材料的應用提供了最為有力的條件。在基體中摻入纖維、CaCO3晶須等，可明顯減少基體的細微裂縫，阻止水泥基體既有裂紋的擴展并有效抑制新裂縫的出現(xiàn)。纖維混凝土具有抗裂性、抗?jié)B性、耐腐蝕性等優(yōu)點。

對超高性能混凝土材料的實際需要，考慮摻入微米級CaCO3晶須、毫米級鋼纖維的多尺度層面，將超高性能混凝土材料的研究從宏觀尺度拓展至微觀尺度層面。采用試驗研究、數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，研究CaCO3晶須-長、短鋼纖維超高性能混凝土材料的力學性能和開裂機理，確定此類材料的本構(gòu)關(guān)系及抗拉強度、抗壓強度、彈性模量等力學性能指標;引入纖維混雜效應系數(shù)，建立相應的強度計算方法;并基于棱柱體試塊的彎曲變形發(fā)展規(guī)律，建立考慮纖維混雜效應的超高性能混凝土材料抗彎韌性計算方法;本項目不僅為多尺度、多層次超高性能混凝土材料增韌理論提供了重要補充，也使纖維混雜效應系數(shù)從定性分析上升到了量化指標研究層面，可為CaCO3晶須-長、短鋼纖維的超高性能混凝土材料的工程應用提供基礎(chǔ)資料和技術(shù)支撐。

結(jié)語：

總結(jié)了普通裝配式剪力墻存在缺陷，套筒灌漿連接技術(shù)施工質(zhì)量難控制及難檢測，疊合剪力墻葉板采用普通混凝土的厚度大于50mm。

提出了采用超高性能混凝土來代替普通混凝土制作疊合剪力墻葉板，大大減小了預制件的施工質(zhì)量和重量，減小了運輸成本。

分析了采用超高性能混凝土的制作疊合剪力墻葉板的難點和創(chuàng)新點，指出了應控制葉板厚度在10～20mm，可大大地減小運輸及吊裝成本。為抑制葉板的早期微裂縫，可考慮摻入CaCO3晶須、聚丙烯纖維等。

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作者簡介：

趙茜（1990-），助教，三門峽職業(yè)技術(shù)學院。