基于装配式建筑钢纤维保温一体化叠合外墙的研究与应用

刘海涛，张亚东

（1.潍坊市第二建筑工程公司，山东 潍坊 261021；2.山东海龙建筑科技有限公司，山东 济宁 272000）

在现阶段，科学技术的进步带来了人们生产和生活质量水平的提高，也带来了基础建设的现代化，是实现住宅建设由粗放型向集约化，提高住宅质量，节约住宅能耗的一项重大举措，是保证建筑业可持续发展的重要途径。在以往的建筑施工中，其施工流程复杂，施工时间长，且容易发生质量问题，不能适应现在急速发展的经济需求。为适应社会发展趋势和人口对生活质量的高要求，装配式建筑凭借节能、环保、绿色、高效、高速等高质量的特点，极大地满足了社会需求，是将来建筑业的发展方向[1]。

反映装配式水平的最重要指标是外墙的装配化程度，普及应用组装式保温一体化叠层混凝土外墙板符合国家建筑节能和绿色建筑的产业政策,这是实现建筑行业可持续发展战略的重要内容。建筑外墙是建筑的主要组成部分,其结构和使用的材料影响建筑能耗指标和室内居住舒适性[2]。

在住宅建筑的围护结构能耗中：外墙可占34%，楼梯间隔墙占11%。发展高质量保温一体化叠合外墙是实现建筑装配化和推广节能建筑的重要捷径[3]。钢筋混凝土外墙的力学性能、抗渗性和抗裂性普遍不足，但在混凝土中掺入钢纤维有利于提高混凝土的抗拉强度、抗压强度、抗折强度与折压比[4]。钢纤维混凝土外墙具有良好的耐久性能和力学性能，如具有良好的耐火、耐腐蚀、抗渗等耐久性能和良好的抗剪、拉伸、弯曲、变形等力学性能，极大地弥补了钢筋混凝土外墙的缺陷[5]。丁一宁等[6]采用三点弯曲试验研究不同纤维掺量下钢纤维自密实混凝土的弯曲韧性。周平等[7]研究了层间接触效应的钢纤维混凝土隧道单层衬砌内力分布规律。江学良等[8]通过对国内外大量拉拔试验和梁式试验得到GFRP筋与混凝上粘结性能试验结果的调查分析,探讨了GFRP筋的表面形状与表面处理方法。

1 设计原理

保温一体化（叠合）外墙多采取夹心保温三明治板的构造形式，即外叶板+保温板+内叶墙的构造形式。外叶板板厚较薄，且与内叶墙板之间存在保温板隔开，通过保温连接件和内叶墙联系在一起。尺寸较大的保温一体化叠合外墙板在构件安装后，长期使用过程中多会存在外叶板表面出现不同程度的裂缝问题[9]。在保温一体化叠合外墙中，预制构件的构造形式采用外叶板+保温板，构件尺寸较大，构件上面有门窗及洞口开设时，外叶板在构件生产后很容易出现表面龟裂和贯通现象，增加了构件生产的难度。对预制构件的产品感官造成不利影响，增加了装配式建筑产品的质量隐患。在保温一体化生产工艺中，外叶板需配置单层冷轧带肋钢筋网片，增加了施工工艺，提高了构件生产成本，同时单层钢筋网片的敷设所起到的增加外叶板整体性及避免外叶板出现裂缝所起到的作用不显著，经济性也得不到很好的体现。

图1 钢纤维保温一体化叠合外墙的平面设计图

预制外墙作为钢筋混凝土墙体中的重要一环，是在工厂中对预制外墙进行预制，待其达到设计强度后运至施工现场进行装配。通过钢纤维材料的选取可显著减少裂缝的数量、长度和宽度，降低生成贯通裂缝的可能性，起到了阻断混凝土内毛细裂缝的作用，使混凝土的抗渗性、抗裂性能得到明显改善。使混凝土内水分、氯离子、空气的转移率降低，从而起到延缓钢筋锈蚀的作用[10]。此外，如图1所示，钢纤维保温一体化叠合外墙通过钢纤维的使用，代替或减少外叶板单层双向钢筋的使用，可有效提高保温一体化叠合外墙外叶板整体性、耐久性、经济性，降低外叶板表面裂缝的产生。创新优化改进保温一体化叠合外墙流水化生产工艺，研究探索钢纤维材料使用和添加的最优实施和生产方案。

2 研究内容

①通过分析保温一体化叠合外墙在已建成工程长期使用过程中外叶板表面出现不同程度的裂缝问题，分类汇总表面裂缝、龟裂、通缝等质量问题，分析查找影响裂缝产生及扩大的关键因素。

②从材料角度优化外叶板构造组成，采用钢纤维代替或减少外叶板钢筋使用，提高外叶板整体刚度和耐久性，建立数值模拟模型，分析优化研究设计方案。

③采用添加钢纤维类附加材料，提高和改善预制混凝土裂缝开裂现象技术方案，分析对比不同纤维材料的性能，从技术、经济和可实施性等方面综合考虑钢纤维材料的选取和应用。

④如图2所示，试验对比保温一体化叠合外墙钢纤维不同配合比下材料实验数据，了解构件不同配合比作用下实验室材料力学和物理性能；筛选确定最优保温一体化叠合外墙构件材料配比。

图2 保温一体化叠合外墙的钢纤维配合比试验

⑤调整保温一体化叠合外墙流水化生产工艺，确保钢纤维的正常使用和下料，使钢纤维技术效果实现最优。

⑥保温一体化叠合外墙试生产及构件安装，跟踪预制构件全过程质量问题，及时掌握和记录出现的新问题，确保构件的质量安全可靠。

3 技术难点

3.1 钢纤维最优配合比选取

3.1.1 存在问题

钢纤维混凝土搅拌时易结团，混凝土和易性差，泵送困难、难以施工且易锈蚀。

钢纤维在使用过程中破坏形态主要是被拔出，而不会被拉断，这说明钢纤维与混凝土的粘附性不足，这会影响提高混凝土抗拉强度的效果，它增韧增强的原理是当裂缝产生后由于钢材的高模量和单根的高抗拉强度，阻止了裂缝的进一步开展；但由于数量有限，对微观裂缝约束效果不大，对抗渗、冻融等性能提高并不明显。

施工中钢纤维密度过大，振动浇筑时往往会沉于混凝土下部，不可能均匀分布。

3.1.2 解决方式

如图3所示，在进行配合比试验时，重点选取能增进混凝土的韧性、抗疲劳性，提高混凝土抗冲磨性能的最优配合比。搅拌时将钢纤维搅拌均匀，择优选取钢纤维，保证钢纤维质量，防止钢纤维在施工中锈蚀。

图3 钢纤维保温一体化叠合外墙的成组立模生产

混凝土主要用于保温一体化叠合外墙板，其类型不属于高强混凝土，主要为了改善混凝土裂缝问题，对粘附性没有很高的要求。

叠合外墙板的钢纤维主要用于外叶板，总厚度只有60mm，采用振动台施工，会大大降低钢纤维沉降，避免振动时的分布不均匀。

对比不同配合比下钢纤维材料的材料性能，从技术、经济和可实施性等综合考虑钢纤维材料的选取和应用；重点在配合比试验时，选取增进混凝土的韧性、抗疲劳性，提高混凝土的抗冲磨性能的最优配合比。

3.2 经济性与安全性

3.2.1 存在问题

经济性与安全可靠性要在使钢纤维材料发挥自身材料性能的基础上，确保材料本身及和其他材料共用时安全环保，经久耐用。在长期使用过程中，化学及力学性能不会发生根本性变化。

3.2.2 解决方式

在进行配合比试验时，重点考虑外加剂原材料供应、现场配比难易程度、人员生产效率及配置设备费用等综合因素。选取能增进混凝土的韧性、抗疲劳性，提高混凝土抗冲磨性能的最优配合比。进而分析对比保温一体化叠合外墙采用钢纤维材料的经济性和安全可靠性。

4 创新点

钢纤维保温一体化叠合外墙，不仅有效降低了预制混凝土表面出现混凝土裂缝、崩角、表面弯曲等问题的产生，而且有效提高预制构件产品的质量，而且降低了运输过程中由于碰撞导致的掉角、裂缝的产生，且在长期使用过程中，化学及力学性能不会发生根本性变化。

图4 钢纤维保温一体化叠合外墙的成品修补

如图4和图5所示，通过对钢纤维的使用，代替或减少外叶板单层双向钢筋的使用，有效提高保温一体化叠合外墙外叶板整体性、耐久性、经济性。通过生产完成后的成品进行检验修补后采用车辆进行运输至施工现场。创新优化了保温一体化叠合外墙流水化生产工艺，研究了探索钢纤维材料使用和添加的最优实施和生产方案。

图5 钢纤维保温一体化叠合外墙的运输

从材料角度选取钢纤维作为较少和避免保温一体化叠合外墙裂缝产生的添加材料，钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著减少裂缝的数量、长度和宽度，避免生成贯通裂缝。钢纤维的使用有效阻断混凝土内毛细裂缝的作用，明显提高和改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的抗渗性与延性。

5 应用分析

绿色建筑及建筑产业化是未来建筑业发展的方向，研究分析对比不同配合比下钢纤维材料性能，从技术、经济和可实施性的角度综合考虑钢纤维材料的选取和应用。如图6所示，通过综合考虑外加剂的原材料供应、现场配比难易程度、人员生产效率等综合因素，得出钢纤维保温一体化叠合外墙的经济性远优于其他类型的外墙。且在长期使用过程中，安全可靠性也在钢纤维材料发挥自身材料优势性能的基础上，与其他材料结合后更加安全环保，经久耐用，材料稳定性强。

图7 钢纤维保温一体化叠合外墙的装配式项目

如图7所示，在使用钢纤维保温一体化叠合外墙的装配式项目中，不仅有效降低了预制混凝土构件表面出现的龟裂、裂缝等问题，且有效地增加了预制构件的材料性能，可以降低模具成本、加快施工速度，提高经济效益。钢纤维保温一体化叠合外墙在底部加强区的成功应用，扩大了保温一体化墙体的适用范围，对实现建筑装配化和推广节能建筑具有重要意义。符合当前可持续发展和绿色低碳环保的节能理念。同时钢纤维保温一体化叠合外墙符合节能减排、低碳环保的理念，社会效益显著，有助于在市场快速推广。

6 结论

通过依托工程实践经验，系统分析研究保温一体化叠合外墙表面裂缝的原因，采用添加钢纤维以及附加纤维类材料，提高预制混凝土耐久性，改善外叶板裂缝开裂现象。通过采用钢纤维代替或减少外叶板钢筋使用，提高外叶板整体性、耐久性以及经济性，降低外叶板表面裂缝的产生，减少裂缝的数量、长度和宽度，降低生成贯通裂缝的可能性，起到了阻断混凝土内毛细裂缝的作用，使混凝土的抗渗性、抗裂性能得到明显改善，从而起到延缓钢筋锈蚀的作用。

从分析结果可得出，附加纤维类材料，可极大提高预制混凝土的耐久性，改善外叶板裂缝开裂现象。可以预期的是，在未来的结构中，钢纤维保温一体化叠合外墙的使用可获得更高的耐久性能和力学性能。