淺談超高性能混凝土在裝配式疊合剪力墻中的應用

文／趙茜 三門峽職業技術學院建筑工程學院 河南三門峽 472000

引言:

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

傳統建筑建造方式大多采用人工[1]和機械為主，但建筑工人老齡化、短缺化趨勢明顯，因此未來住宅將變為類似于組裝手機的裝配式[2]的建造方式。建筑工業化的前提條件是建筑構件和部品的標準化、系列化、專業化、商品化等，國內外的裝配式住宅主要采用疊合板、樓梯、陽臺等水平構件，而針對住宅建筑的主要豎向構件剪力墻[3]則采用疊合的方式，疊合墻的內外葉板[4]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 構件生產的專業化，質量可控化

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

1.2 減少成本，節約勞動力

用于裝配的構配件都是在工廠生產和加工，大量的工作量轉移到了工廠，使得施工現場的生產和施工工作量減少，對于現場使用的工器具也相對減少，節省了這些機械和相應材料的租賃費用，相對傳統現澆施工來說，減少了很多工序，相應也節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，將現場的工作量轉移到了工廠規模化、專業化、批量化生產，大大的減少施工人員的數量，同時，也解決了建筑業中務工人員缺乏的問題。

1.3 實現資源節約，有利于環境保護

在傳統現澆建筑物施工中，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生的各種建筑資源的使用，在施工中產生的建筑垃圾，還有對不同材料的需求，以及涉及到各種設備和器具的使用。而裝配式建筑大大的改變了這一模式，在工廠生產構配件，更具專業化和規模化，減少了資源的使用，節約了現有資源，同時，實現了保護環境的目的。

1.4 對現場吊裝設備和組裝拼接人員能力提出了要求

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

1.5 裝配式建筑整個施工工藝流程

建筑物的構件在工廠完成施工后，要將其構件運輸至施工現場，在現場，用吊裝設備進行吊裝，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，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、套簡內側間法向應力，鋼筋由該法向應力與粗糙表面的摩擦系數產生的摩擦力，來傳遞鋼筋的應力。但此方法存在缺點：（1）套筒+后注漿技術安裝工藝復雜且技術難度高，（2）套筒灌漿技術需要專用高強灌漿料，（3）套筒灌漿飽滿度不易控制，連接質量檢測驗收技術比較困難，（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。半預制疊合剪力墻是由內外2 片帶格構式或桁架鋼筋的預制墻板葉板，現場將疊合墻預制件安裝就位后，在內外葉板空腔內澆筑普通混凝土，剪力墻的邊緣構件則采用現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構住宅建筑。疊合剪力墻由工廠預制件和施工現場澆筑2 部分組成，又稱為半預制結構體系，這種技術具有節約木模板、施工速度快、機械化程度高、所需人工少和現澆整體性好的優點。疊合剪力墻由內葉板和外葉板兩部分構成，內葉板和外葉板均在預制構件廠加工完成，現場施工時吊裝就位、調整方向和臨時固定即可；疊合剪力墻的連接部分是在現場綁扎邊緣鋼筋和現澆混凝土，此時內葉板和外葉板既作為模板，又作為結構受力構件。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化階段，國家發改委關于建筑智能化與建筑工業化協同發展的指導意見也指出，建筑業在十一五規劃中仍是國民經濟的支柱產業，且國家正大力推廣裝配式建造模式，對具有節約造價、縮短工期、節能降耗、綠色環保且具有較好的結構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，因此技術的提出對社會的經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構性能，采用標準化分塊設計和機械工業化制作，預計降低建筑主體結構工程造價約18%～22%，節約模板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點，有利于建筑在裝配化方面的發展，也有利于實現建筑節能環保、節約木材和減少建筑對施工環境的影響，符合我國建筑向工業化調整的發展方向。

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側的內葉板和包覆在鋼筋骨架外側的外葉板。外葉板靠近鋼筋骨架一側的側面上設置有保溫板，內葉板和外葉板之間設置有多個成排成列布設的水平連接件，水平連接件的一端設置有固定板，內葉板和外葉板均為超高性能混凝土薄板，內葉板和外葉板的底端平齊，內葉板的頂端低于外葉板的頂端，內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。在工廠生產預制構件時，設置了桁架鋼筋，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。在工地現場使用階段，三角桁架鋼筋作為連接剪力墻內外葉板的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點：

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

⑵與普通疊合剪力墻相比，吊裝尺寸可設計較大，墻面拼接縫數量，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，可與現澆剪力墻結構采用相同的方法進行結構分析與設計，其主要力學技術指標與現澆混凝土結構基本相同。

4、裝配式超高性能混凝土疊合剪力墻的技術難點及創新點

4.1 葉板厚度較薄

國內在裝配式疊合剪力墻方面編制了相關規范和技術規程，已經較為詳盡地給出了疊合墻之間或疊合墻與混凝土構件連接的詳細構造做法。但由于現有疊合墻的內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廢料替代部分水泥，屬于一種綠色可持續的新型建筑材料。研究結果表明，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生、演化和擴展，進而發生鋼纖維從水泥基材料中拔出而開裂破壞的宏觀現象。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，施工質量及精度較差，因外保溫燃燒事件引起的安全質量事故頻頻發生。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，主要難點是內外葉板空腔內現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外葉板的厚度或者最小的無支承間距。

在建筑施工現場，經常會出現外保溫層失火、脫落、開裂滲水等事故頻發。這也是外保板的質量通病，從2009年之后，人們對于外保溫板施工的問題十分關注，人們對外墻保溫建筑節能的快速發展勢頭略受影響。現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，對發展迅速的現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，而超高性能混凝土以其優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共性及關鍵技術

5.1 行業共性

根據《裝配整體式疊合剪力墻結構技術規程》（DG/TJ 08-2266-2018）的規定，裝配整體式疊合剪力墻產品的應用非常廣泛，適用于框架結構、框架-剪力墻結構、剪力墻結構和框筒結構等多種混凝土結構類型的多層和高層工業與民用建筑，如圖書館、百貨商場、多層工業廠房、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水平和科技含量，大幅降低成本和提高效益，實現了建筑結構的裝配化。與相同尺寸的普通疊合剪力墻相比，內外葉板的厚度減小，便于吊運，降低了運輸成本。與普通疊合剪力墻相比，吊裝尺寸可設計較大，墻面拼接縫數量少，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，可與現澆剪力墻結構相同的方法進行結構分析與設計，其主要力學技術指標與現澆混凝土結構相同。

5.2 關鍵技術

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。纖維混凝土具有抗裂性、抗滲性、耐腐蝕性等優點。

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、數值模擬與理論分析相結合的方法，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關系及抗拉強度、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，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展規律，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資料和技術支撐。

結語:

總結了普通裝配式剪力墻存在缺陷，套筒灌漿連接技術施工質量難控制及難檢測，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。