预制混凝土夹芯墙板的研究与应用
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第31卷第3期 2014年6月 吉林建筑工程学院学报 Vo1.31 No.3 Journal of Jilin Institute of Architecture&Civil Engineering Jun.2014 预制混凝土夹芯墙板的研究与应用术 肖力光 许晓睨 (吉林建筑大学材料科学与工程学院,长春1301 18) 摘要:本文介绍了一种新型节能保温墙体——预制混凝土夹芯保温墙板,阐述了应用这种新型墙体的必要性及这 种新型节能墙体的国内外发展现状与进展,并展望了其发展趋势,该技术为实现住宅产业化提供了重要支撑. 关键词:建筑节能;保温节能技术;预制复合墙板;住宅产业化 中图分类号:TU 391 文献标志码:A 文章编号:1009—0185(2014)03—0015—04 The Development Situation of Concrete Sandwich Panel XIAO Li—guang,XU Xiao—xian (School of Material and Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun,China 1301 18) Abstract:This article introduced a new type of energy——saving insulation panel--concrete sandwich insulation pan・- el,and expounds the necessity of the application of this new type of panel,describes the current situation of the de- velopment of new energy saving panel and progress,and prospected its development trend. Keywords:energy conservation in building;heat preservation and heat insulation technology;composite panel;hous- ing industrialization 1 混凝土夹芯保温墙板发展的必要性 《关于转发发展改革委、住房城乡建设部绿色建筑行动方案的通知》 指出:我国建筑业 “十二五”期间重点任务之一是切实抓好新建建筑节能工作和推进既有建筑节能改造.自1973年世界能源 危机以来,各国纷纷开展节能技术的研发与推广,这对资源相对匮乏的中国来说,节能更是一项基本国策.近 些年来,随着我国城乡生活水平的提高以及生活质量的提升,城镇化的快速发展,使我国一直保持较高的住 宅需求量,2000—201 1年问,平均每年城市住宅的建造面积增加达到3亿m ,如此之大的建筑量使建筑耗 能占我国能耗总量近三成,因此建筑节能刻不容缓. 由于使用实心粘土砖,全国每年60多万亩良田被毁、粮食产量减产约4亿多公斤,我国已经禁止使用粘 土砖,大力推行新型墙体及其节能技术.节能技术中,外保温复合墙体技术比较成熟、成本低、使用最广泛.目 前建筑用无机保温材料极易受潮而降低保温隔热性能,且生产过程中严重污染环境,有机保温材料即使采用 加入阻燃剂等也无法阻止材料燃烧,燃烧同时会释放大量有害气体.加快发展防火隔热性能好的建筑保温体 系和材料,积极发展多功能复合一体化墙体材料¨ ,推进利废环保的多功能复合一体化新型墙体材料的生 产应用 j,重点研发和推广外墙复合保温墙板产品及装备 等相继出台,为新型墙体的发展指明了方 向. 混凝土夹芯保温墙板作为新型墙体发展的代表性产品,其防火性能、保温性能优越,可实现预制生产,具 备推动部品的标准化、实现建筑新型墙体工业化的条件 J,为实现住宅产业化提供了重要技术支撑. 收稿日期:2013—11—10. 作者简介:肖力光(1962~),男,吉林春市人,教授,博士. 基金项目:吉林省科技发展计划重大攻关项目(20130204009SF);吉林省新型墙体材料研发项目(2012314) 16 吉林建筑工程学 院学报 第31卷 2 混凝土夹芯保温墙板的特点 混凝土夹芯保温墙板一般由三部分构成:一部分为内核功 能层(内核保温层);另一部分为内、外隔板.三者以相应的方式 连接起来,形成整体.内核功能层材料多采用轻质材料,其有效 增大了结构厚度,提高了截面的惯性矩,因此这种结构具有密度 低、比刚度和比强度高等优点.从所用材料的特点来看,内、外隔 板采用混凝土制成,其具有抗压强度高、耐久性好、不燃烧等特 性,内核保温层多选用硬质泡沫塑料制成,这种材料容重低、导 热率低,用混凝土材料做成的隔板将由硬质泡沫塑料制成的内 核保温层“保护起来”,就形成了热工性能优良的新型墙体.混 凝土夹芯保温墙板具有如下优势: (a)嵌内式砌筑方式 (b)外挂式连接方式 (1)实现预制化和施工装配化,提高工作效率及建筑质 短施工工期,降低工程成本; 图1夹芯墙板与结构主体的连接方式 量,半手工半机械化的建筑施工方式将会被替代,这使得部品的质量受到严格控制,并能实现装配化安装,缩 (2)应用混凝土夹芯保温墙板,施工现场省去了外墙砌筑施工以及墙体外保温施工,大大缩短工期; (3)采用混凝土夹芯保温墙板作为建筑围护结构时,增加了建筑使用面积,提高了建筑利用率.非承重 型混凝土夹芯墙板与结构主体之间的连接可以采用“挂”在主体结构外侧的方式,与传统的嵌内式砌筑方式 截然不同,增加了建筑的使用面积(见图1); (4)墙体保温材料设置于由混凝土制成的内、外隔板间,能有效地防止火灾、外部侵蚀环境等不利因素 对保温材料的破坏,防火性能与耐久性良好. 混凝土夹芯保温墙板技术解决了墙体保温节能技术的安全隐患,且保温性能优越、节约资源、大大缩短 工期、降低工程成本,发展此种技术符合我国基本国情. 3 国内外研究及其应用现状 汽车产业构件中,就广泛的应用到了这种技术 .在建筑领域, ( )非复合式 上世纪9O年代,Amin Einea,David C,Salmon等人 对混凝土 (b)半复合式 (C)复合式 图2夹芯墙板类型 夹芯墙板做了系统研究,依旧采用平截面假定来分析这种结构,基于保温性能的考虑,认为使用普通钢筋作 为连接件降低了混凝土夹芯墙板的保温性能,因而采用导热系数小、抗拉强度高、强耐腐性的纤维增强复合 塑料(FRP)代替普通钢筋,使得性能优于采用普通钢筋为连接件的混凝土夹芯墙板,并以此假设为依据进行 相应的测试和实验,建立起混凝土夹芯墙板的理论体系.无论是承重型还是非承重型墙板,从复合方式看,墙 板被分类为非复合式、复合式和半复合式三种 (见图2).非复合式墙板是指两层混凝土隔板被垂直于保温 内核层的柔性连接器连接在一起,两层隔板均作用,共同承担荷载作用,但一般重量较大;复合式墙板是 第3期 肖力光,许晓观:预制混凝土夹芯墙板的研究与应用 17 指由钢筋所构成的桁架穿过内核保温层连接内外两层混凝土隔板,桁架起到连接件的作用——传递剪切,将 墙板三部分连接起来.这种墙板抗侧向作用的能力优异,但是钢筋的传热系数高,容易形成冷桥,使保温性能 大打折扣;半复合式墙板是将保温内核层沿板长方向非连续布置,非连续处与内外隔板整浇在一起,形成非 复合点.这种墙板的刚度和强度介于上述两种墙板之间,而且不稳定因素较多 J.三种墙板各有利弊,均得 到了广泛的应用.同期还有R.N.Swamy及Mohamed【10]对混凝土夹芯墙板进行的研究,他们所研制的墙板是 承重型夹芯墙板,这种墙板是两个由普通混凝土所制成的隔板和由一种低密度轻质混凝土所制成的功能内 核层组成的,隔板可以提供强度和耐久性,可以有效的承担荷载,增强耐候性,轻质内核提供隔热隔声能力. 近期,英国技术人员针对这种结构的抗压强度做了大量实验.实验结果显示,夹芯墙板的抗压强度和弹 性模量几乎不受连接件的间距及类型的影响.同时,A.W.Hendry等人开展的相关实验研究.结果表明,对夹 芯墙板加至1/2破坏荷载时,内外隔板所承受的荷载比值为3/2,随着荷载的增加,两隔板承受的荷载的比 值趋于1/1.此外,A.W.Hendry还进行了夹芯墙板平面内受风荷载作用的力学研究,提出了夹芯墙板拱效应 理论¨ .随着研究的不断进展,为提高夹芯墙板的热工性能,Byoung—Jun Lee和Stephen Pessiki 尝试提出 了双层保温板的混凝土夹芯墙板结构形式,并将预应力技术应用其中,研究这种结构的构造和热工性能.根 据Amin Einea,David C,Salmon等人的研究,钢筋作为连接件会使这种结构的热工性能降低.然而,近年 Richard S.Henryl13]研制了一一种新型的低碳钢连接件.试验表明,不仅热工性能比使用普通钢筋作为连接件 的墙板有所提高,而且发生地震时,这种新型连接件能够附予夹芯墙板极好的抗震能力.北卡罗莱纳州立大 学 的实验研究专注于FRP,GFRP连接件在混凝土夹心保温墙板中的力学用作,着重研究这种结构的变形 和传递剪切原理,为了更好地兼顾力学性能和热工性能,E1Kashef和AbdelMooty 15]将泡沫混凝土大胆的作 为制作内核保温层的材料来取代轻质泡沫塑料材料,并得到了不错的实验结果.总之,夹芯墙板在发达国家 通过多年的推广,发展至今理论趋于成熟. 在理论研究的同时,这种技术也应用于实际工程中,混凝土作为主要材料被广泛应用在夹芯外挂墙板面 层的制作上,上世纪60年代美国CS&M公司开始生产混凝土夹芯墙板.在此基础上,1976年,美国COVIN. TEC公司生产的墙板通过了当时美国相应的各种实验,此后这种技术和产品得到了大力的发展并被美国建 筑行业规范认可.这种结构的裂缝、钢筋布置以及横向支撑长度等在美国建筑规范(U.B.C.)中均被严格要 求.从1980年开始,美国首次将这种墙板技术应用于一幢9层公寓的施工中,随后明尼苏达州Ganglehoff中 芯、威斯康辛州百事可乐灌装公司、飞利浦莫里斯工厂等均使用了混凝土夹芯墙板,直至今日,在美国已有数 千万平这样的墙板得以应用,加州地震区也有数千平的墙板应用于实际工程中 J.在澳大利亚,采用Ther. momass系列连接件的预制混凝土夹芯墙体已被广泛应用于公共建筑及商业建筑中.在日本,预制混凝土夹 芯保温墙体及FRP新型连接件已经被三菱公司等多家大型公司联合研发成功,夹芯墙板生产企业已经可以 生产出高4.6m×2.3m宽的墙板,能够应用到大多数民用及工业建筑中. 3.2国内研究及应用现状 借鉴国外技术,我国于七世纪90年代开始研究这种“三明治”技术.水泥夹芯板相应的研究 得出结 论:在满足平截面假定的前提下,穿过中间内核层的连接件能有效传递剪力,使夹芯板作为整体来承受效应, 并可按钢筋混凝土受弯构件来进行承载力的计算.1998年至2000年,西安建筑科技大学研究人员对混凝土 夹芯墙板的抗震性能进行了研究,通过相应实验证明在工程中使用这种墙板,建筑物可具备良好的抗震性 能,可在不高于8度设防的地震区内使用,并对混凝土夹芯墙板的力学模型进行了深入研究,同时给出相应 承载力的简化计算公式.针对夹芯结构的特点,赵彤等将预应力技术应用在这种结构中,并进行了相应的研 究.结果表明,预应力技术的应用能够有效加大夹芯结构的刚度,并增强这种结构抗裂的能力.哈尔滨工业大 学相关研究利用数值法来获得夹芯板弹性弯曲的规律,通过计算实例,分析了夹芯板的计算跨度、混凝土强 度等级、钢筋桁架间距、功能内核层厚度,以及隔板厚度等因素对墙板的影响.为了进一步验证混凝土夹芯墙 板在实际工程中的性能,国内学者对此种墙体的承载能力、滑移等问题进一步探究¨ .王振龙等人¨引利用 有限元分析软件ANSYS对混凝土组合夹芯墙板试件进行有限元建模分析.结果表明,这种墙板具有良好的 抗弯性能,可以应用于实际工程中.近年来,由于普通钢筋作为连接件的缺点明显,研制低导热系数、力学性 能优良的抗剪连接件已经成为一种趋势.2011年同济大学¨ 开发了采用有机保温材料的预制混凝土夹芯 吉林建筑工程学院学报 第31卷 保温墙体及FRP连接件,并对墙体及连接件的受力性能、设计方法等开展了系统的研究工作.杨佳林等 人 对FRP连接件的材料性能进行了研究,研究显示,连接件抗拔性能优异,能够满足实际工程中的使用 要求. 理论研究上取得的成果带来了实际工程中的应用,采用预制混凝土墙板结构的住宅建筑在北京、上海、 吉林省等地陆续出现,天津万科东丽湖项目、北京丰台万科预制研究开发研究中心实验楼、吉林春市基 隆路廉租房项目、上海城建海港基地2号实验楼等项目,均采用了这种混凝土夹芯墙板技术.虽然国内此项 研究还在不断发展与累积中,但逐渐与国际趋势相接轨. 4 结语 近年来,预制混凝土装配整体式技术的应用逐年增多,作为这种技术的代表性产品,混凝土夹芯墙板技 术应用广泛,是值得推广的绿色建材.但其自身也存在着不足,使用混凝土制作混凝土夹芯墙板的隔板使墙 板本身过重,如何在保留混凝土材料优点的同时,让墙板更加的“轻质”及“高强”,是今后需要解决的重点及 难点问题. 参考文献 [1]关于转发发展改革委、住房城乡建设部绿色建筑行动方案的通知[R].国发办发(2013)1号. 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