装饰再生混凝土构件的连接性能

肖建庄 王紫玥 张宝贵 姜 弘

（1.同济大学土木工程学院，上海 200092；2.北京宝贵石艺科技有限公司，北京102200；3.上海城建（集团）公司，上海200063）

0 引 言

“绿水青山就是金山银山”，人类对自然资源的过度开发利用，已成为全球可持续发展的重要难题。建筑结构的可持续性体现在从材料开采与运输，到结构设计与建造、结构使用与维护以及结构拆除与再利用的全寿命期内［1］，因此，建筑废弃物的资源化利用成为工程界关注的热点。

近年来，由于大规模开发利用，石材、矿产资源匮乏问题突出，单纯依靠对现有资源的开采，已无法满足建材业日益增长的消费及使用需求。此外，由于天然矿石的开采有较高的技术要求，加工处理时产生的大量石渣、石粉等废料、荒料无法有效利用，导致资源浪费。在此背景下，国家出台相关政策规范石材开发与生产秩序，促进石材产业的转型升级，提倡绿色“开源”。与此同时，“节流”也是“产业绿色化”的关键问题之一，以人造代替天然，以可回收、可再生的废弃物代替不可再生的矿产资源作为建材石料，是当前产业转型的创新方向，也是传统产业生态化、清洁化的必由之路。

1 再造石的概念与发展

1.1 再造石

花岗岩、大理石是常用的天然装饰石材，具有天成的纹理、坚硬的质地与良好的可雕性。长久以来，艺术石雕都是用天然石材雕刻而成的。然而近年来，由于矿产资源匮乏、应用受限，越来越多的人造石材，受到雕塑家们的关注（图1）。

人造石材由废弃石粉再生成的再生骨料，与其他填充粘结材料按比例混合、固化而成，根据原料中的粘结剂类型可分为聚酯型、硅酸盐型、复合型与烧结型［2］。

图1 “刘邦故里”再造石雕塑Fig.1 “Liu Bang's Hometown”recycled stone sculpture

再造石属于硅酸盐型人造石材，是一种具有石头外观、混凝土内涵的装饰再生混凝土材料。它以水泥为胶凝材料，以废弃的石渣石粉、破碎后的建筑废料为再生骨料，按水泥∶骨料=1∶2 的比例混合，通过聚苯板模具成型，表面剔凿、打磨显露出骨料的石材质感，兼以表面涂抹、抛光等工序，就可产生酷似石雕的效果。

再造石的诞生，不仅减轻了天然石材资源超负荷的市场需求，还实现了采矿荒废料的资源化利用。

1.2 再造石及其装饰制品的特点

再造石装饰混凝土打破了人们对普通混凝土“规整方正、色彩单一”的刻板印象。与传统混凝土相比，再造石制品具有更加自然、丰富的肌理变化，再造石及其常见的装饰制品主要有以下特点：

（1）工艺特性：再造石以粒径0.5～2 mm 的粉粒状废弃石渣为再生骨料，水泥为胶凝材料，采用易于切割的聚苯板模具成型，突破了传统混凝土繁杂的制模工艺。

（2）外观特点：打磨轻微暴露骨料的工艺使再造石的外观、质地均与天然石十分接近，其表面肌理可根据原料所用碎石料类型、颗粒大小的不同而改变，极具艺术随机性。

（3）加工性能：再造石生产周期短，可模性、可雕刻性优异，可满足雕塑师天马行空的艺术创想。表面易加工处理，经特殊表面处理后可以实现仿石、仿木、仿金属、仿竹等各种质感与效果［3］。

（4）质轻价低：对于同样的装饰制品，使用有空腔再造石的重量仅为使用实心天然石的50%～60%，降低了运输维护成本。再造石在制模工艺上的简化节约了生产成本，良好的加工性能还节省了二次处理成本，相比昂贵且笨重的天然石性价比更高。

（5）艺术效果：再造石的成型机理弥补了天然石料颜色不均的缺点［3］，制品色彩丰富、均一，有良好的固色性，相较于清水混凝土具有更多元化的艺术风格。此外，得益于制模程序的创新，制品模具可以方便地进行个性化定制，形成造型百变的装饰品。

（6）多功能性：由于再造石密度小、质量轻，工艺简单便于工厂预制，用于非承重墙板中可提高其保温、隔热性能。目前还开发出透光、吸声等多功能的人造石材。

（7）结构功能：由于胶凝材料的加入，再造石的抗压、抗折强度、耐久性等力学性能均优于天然石材，还克服了天然石材易沿节理断裂的缺陷。

总之，再造石装饰混凝土既有艺术品自由随性的形状、丰富多变的颜色和细腻独特的质感，又能满足结构物的功能要求，是一种综合考虑功能性与装饰性的绿色建材。

1.3 再造石的应用

再造石起初是为了替代昂贵稀缺的石材用作雕塑材料而诞生的，发展至今，在建筑装饰领域也占有一席之地，如建筑内吊顶、幕墙结构（图2）、外墙面挂板（图3）。随着装饰技术的发展，尤其是GRC 工艺的引入，再造石融合装饰混凝土与功能混凝土的特性于一身，为装饰材料带来了更多的可能性。

图2 鄂尔多斯东胜体育场GRC混凝土幕墙Fig.2 GRC concrete curtain wall of Ordos Dongsheng Stadium

图3 世界葡萄大会博览园外墙挂板Fig.3 Recycled stone facade panel of World Grape Congress Expo Garden

2 再生混凝土装饰工程

再生混凝土装饰构件一般由结构层与装饰层构成。基于玻璃纤维增强（GRC）工艺，在装饰制品的结构层采用玻璃纤维水泥喷射，以增加制品的抗冲击能力；并且在制品装饰表层采用耐碱玻璃纤维网格布，以增强制品的抗弯、抗裂能力［4］。

其中，用于填充结构层的原料，常用快硬、低碱度的硫铝酸盐水泥，选取8～10 mm 的耐碱短切玻璃纤维，重量为固体物料的2%～5%；而在装饰层的原料中，加入少量纤维防止表面开裂，纤维占固体物料总重的0.2%～0.4%。

这种以玻璃纤维增强代替钢筋增强的方法，可同时保证装饰物的美观与安全，在再生混凝土装饰工程中应用广泛。

2.1 国家大剧院音乐厅吊顶

国家大剧院音乐厅吊顶（图4）由法国建筑师保罗·安德鲁设计，总面积1 300 m2，由164块长3 420 mm、宽2 260 mm的标准板组成。164块板的造型各异，高低起伏，最突出的部分高度可达480 mm［5］。

图4 国家大剧院音乐厅吊顶Fig.4 National Grand Theater Concert Hall Ceiling

吊顶标准板由玻璃纤维增强水泥制成，易于运输及吊装，经特殊表面处理后可以产生符合音乐厅标准的声响效果。采用的聚苯板模具可以轻松地制成各种形状，近乎完美地将建筑师的设计蓝图变为现实。

2.2 造景假山的优化与改进

采用GRC 改进工艺的假山预制片（图5）总厚度可小于20 mm，还引入聚丙纶防裂纤维改善制品表面裂纹，更适合于形状转折的变化。与重达7～8 t的真石相比，再造石装饰混凝土假山仅有4～5 t。其中的外模层仅重200 kg，材料抗压强度可达 40 MPa，抗弯强度达 16 MPa［6］，受力性能大幅提升。

图5 再造石假山预制片Fig.5 Recycled stone rockery precast sheet

在堆装工艺上［7］，以型钢为山体主骨架，形成与地基相连、地筋-骨架-外壳组成的稳定承重结构（图6），堆装方法简单，加快施工进程，受力也趋于合理。

基于GRC 工艺改进的再造石混凝土假山，不仅还原了逼真自然的山水艺术效果，节省了运输、施工、维护成本，还有更好的物理力学性能与耐腐蚀性，符合节能环保的要求。

3 再生混凝土装饰制品的连接问题

由于材料的收缩变形特性不同，再生混凝土装饰构件的连接处常出现传力不均、整体性差等问题。根据连接位置的不同可分为装饰构件间的拼接、装饰层与结构层的连接、装饰构件与结构主体的连接三类。

图6 再造石假山结构示意图Fig.6 Structural sketch of rockery

3.1 墙面装饰的拼接缝隙问题

现有的墙面装饰品包括木雕、石雕、铜雕等，受制作工艺限制，这类装饰物一般为小型装饰品，模具采用木、钢、橡胶、树脂等材料，制作成本高、周期长，且无法随设计意图任意变换。

在装饰长度较大的建筑墙面时，往往需要将若干块小型装饰物拼接起来。然而拼接过程中难免出现拼接缝隙，常用的接缝处理方法有“明缝”与“暗缝”两种。其中，明缝的适用范围较小，对墙面装饰的流畅度有一定影响；暗缝是指在组装完成后，对接口进行后期修补，但长期使用极易出现变形与开裂现象，使用寿命只有3～5年，后期维护保养费用较高。此外，两法都难以处理转角处或曲面型墙体的缝隙，影响墙面的美观、耐久性。

而采用再生混凝土为材料制作的装饰品很好地规避了这一问题。再生混凝土装饰品［8］的核心工艺在于，直接以大尺度的聚苯板作为模具，并采用电阻丝在模板上切割出装饰图案，此法可制作长度达百米的大型装饰品。可见，由于成型模具灵活易制的特点，在建筑墙体的装饰中利用再生混凝土材料，可以较大程度地避免拼接缝隙，提高墙面装饰的整体性、可靠性及耐久性，同时降低制作成本。

3.2 挂板装饰层与结构层的连接问题

常见的装饰外墙挂板由面板、连接和钢框架三部分组成，其中面板属于装饰层，钢架属于结构层，两者之间依靠连接传力，决定了挂板的结构整体性。然而，传统装饰外墙挂板的层间连接存在以下问题。

传统外墙挂板通常采用一字形钢筋作为连接件，在板内不同位置、沿不同方向的粘结锚固性能有较大差异，导致板在整体受热时，中间区域常产生较大的变形膨胀，板件温度适应性较差。此外，在风载下连接部位易产生滑动磨损，影响耐久性及稳定性。

3.2.1 增设加强结构

为解决上述问题，开发一种增设加强结构的再生混凝土装饰外墙挂板［9］。

如图7 所示，挂板的结构层内设有一呈T 型肋状的结构加强层，与装饰层表面的凹凸型T 字齿条状结构湿法成型固定。所述加强肋成型的模具示意图见图8。

图7 再生混凝土装饰外墙挂板示意图Fig.7 Schematic diagram of recycled concrete decorative facade panel

图8 加强肋模具结构示意图（上）及其剖面图（下）Fig.8 Schematic diagram of stiffening rib mould（above）and its section view（below）

含加强肋的再生混凝土挂板制作工序如下：首先制作装饰层1，将挂板模板5 套入边框7 中，将装饰层填充物喷入模板中；再制作结构层2，并将钢筋桁架3 放入其中；最后制作加强肋4，将加强肋模具6 压入结构层2 中，待水泥终凝撤出模具，加强肋成型见图9。

图9 再生混凝土装饰外墙挂板加强肋制作示意图Fig.9 Construction drawing of stiffening rib in recycled concrete decorative facade panel

该加强层专门用于支撑和粘结装饰层，在不影响装饰美观性的同时，增加了层间接触面积，利用凹凸肋槽加强连接紧密性，改善了挂板的层间连接性能。

3.2.2 优化连接件形式

不同于传统的一字筋，针对引入GRC 工艺的再生混凝土外墙挂板，提出了几种适用性更强的连接件形式，包括八字形钢筋、小字形钢筋、倒八字形钢筋、方形钢板等，如图10、图11 所示，各图中顶层为装饰面层，底层为钢架。

图10 正（上）、倒（下）八字形钢筋连接Fig.10 Positive-splayed（above）and inverted-splayed（below）rebar connections

图11 方形钢板连接Fig.11 Square steel plate connection

造型各异的连接件将面板与钢架紧密地联系起来，共同组成传力合理的平面抗弯桁架结构，有效地约束了装饰层与结构层间的相对变形，显著提高挂板的整体受力性能［10］。

3.3 构件与主体结构的连接

装饰挂板通过若干个锚固点及其连接系统与建筑主体连接。构件与主体结构的连接系统由被连接部分（装饰挂板）、支座部分（预埋件）以及两者间的转接部分组成［11］。

根据安装后是否允许在板平面内发生一定限度的位移，可将锚固点分为滑移点和紧固点，分别对应柔性与刚性连接［12］。锚固点的设置须满足板材的变形要求，通常在板件重心处设至少一个刚性紧固点，以提高结构抗震性能，在其他位置优先设置变形兼容性较强的柔性滑移点。

根据连接件形式的不同，板与钢筋混凝土结构的连接方式可分为：

（1）槽式连接：即采用槽形挂件，辅以安装用挡板固定挂板的连接。

槽式连接通常分为短槽和通槽两类，根据挂件与挡板形式的不同又可分为“上下翻”挂件式、SE 挂件式、“F”形卡条连接、插指卡件式、托卡一体式等［12］。图12 为再生混凝土装饰外墙挂板的一种SE槽式连接示意图。

图12 再生混凝土装饰外墙挂板的槽式连接Fig.12 Grooved connection of recycled concrete decorative facade panel

槽式连接通过挂件与槽孔之间的相互作用传递应力，克服了连接的应力集中问题，但挂件与插槽的偏差会增加安装难度。目前主要应用于单层板及有肋单板中。

（2）销栓式连接：以销栓代替前述槽形挂件进行连接。

销栓式连接通过销栓与销孔的相互作用传力，形式简洁、安装方便，预制构件的尺寸偏差对连接性能的影响较小，但在销栓与销孔配合过紧时易产生集中应力，导致局部碎裂破坏。销栓式连接在单板中应用广泛。

（3）预埋内螺纹件式：在被连接板件内预埋入不锈钢内螺纹埋件的连接。

与销栓不同，所述的内螺纹件不仅预埋深度更大，还将端部设置为长管状、长条状等特殊形状，通过螺纹件端部的锚固增加埋件与挂板的握裹力，将应力分散至较大范围，连接性能优于前两种。

但此种连接构造复杂，对被连接板件的厚度或肋板宽厚比均有一定的要求，目前主要用于有肋单板及保温隔热的双层夹芯板中。

（4）穿孔式：在板内预制螺栓孔和预埋垫片，连接件采用GRC 填料密封，接缝处通过氯丁橡胶弹性垫片调整安装偏差［12］。穿孔式连接构造简单，弹性垫片增强了连接灵活性，对构件支座偏差的包容性较强，但强度较低，只能用于尺寸较小的有肋板件中。

（5）钢筋锚杆连接：锚杆可分为柔性锚杆、重力锚杆和抗震锚杆［12］，一般用于框架板面板与钢框架的连接，装饰挂板中少见。

4 再生混凝土挂板与主体结构连接计算力学模型

再生混凝土外墙装饰挂板为非承重的围护挂板，仅承受平行于板面方向的自重及垂直于板面方向的风载。设计时须考虑预埋锚栓、板背螺栓、支承构件、吊装用起吊件等的安全性，而不考虑主体结构所受荷载。其中，锚栓的锚固性能至关重要，分析时还须考虑多节点连接系统中节点布置、锚固深度、材料强度、植筋类型等因素对锚栓群承载力的影响［13］。

以前述再生混凝土装饰外墙挂板的连接体系为例，分析挂板连接及其各部分的受力特性，抽象出一种便于计算的力学模型。

4.1 连接节点定位

再生混凝土所制的外墙挂板通常厚度较薄、自重较轻、面积较大。对于总面积为A、自重为G的挂板，假定由n个连接节点将其分为等面积的n个区格，节点数量及位置由挂板面积与形状决定，每个连接点仅受该区块板件的荷载作用，如图13所示。

图13 挂板连接点定位及分区示意图Fig.13 Schematic diagram of positioning and zoning of connection nodes of panel

取任一区块分析，考虑板件自重及水平均布风载，单个节点连接构造的受力情况如图14 所示。其中，沿竖直方向的板件自重由支承角钢、锚栓、背栓共同承受，而水平荷载主要由锚栓、背栓联合抵抗。下文分别对上述各连接部件进行受力分析。

图14 节点连接计算简图Fig.14 Calculation diagram of node connection

4.2 支承角钢分析

由图14 可知，支承角钢受弯-剪联合作用，1—1 为支承角钢的控制截面，考虑荷载偏心作用，则最大正、剪应力分别为

式中：e0为挂板形心轴与板背的偏心距离；e1为挂板与墙板的偏心距离；b1为支承角钢长度；t1为外挑翼缘的厚度；G0为单区块挂板自重荷载的设计值。要求最大正、剪应力分别不大于角钢所用钢材的抗弯、抗剪强度。

4.3 板背螺栓分析

背栓是连接支承角钢与干挂件的螺栓，受拉力Nt、剪力Nv作用，按下式计算：

式中：q为挂板所受风荷载设计值；A0为单区块挂板面积。

式中：de为背栓螺纹处的有效直径；d为螺杆直径；nv为受剪面个数分别为螺栓抗拉与抗剪强度设计值。

同时承受拉力与剪力的背栓承载力按下式验算：

4.4 锚栓锚固分析

锚栓是保证连接稳固性最重要的部件，受载时产生拉力抵抗水平风载，剪力抵抗板件自重。假定锚栓中心与其所在区块板件的重心重合，则锚栓所受的拉力N、剪力V分别表示为

式中：h1为锚栓中心至支承角钢底端的距离，见图14；其余符号含义与前述相同。

在拉、剪复合受力状态下，锚栓承载力按下述公式验算：

式中：NR为锚栓受拉承载力；VR为锚栓受剪承载力。

锚栓承载力主要取决于锚杆表面与墙面混凝土的锚固强度，挂板连接系统中的锚栓属于化学锚栓，通过金属螺杆和锚固胶共同形成锚固作用，其极限承载力主要由植筋埋置深度、基材混凝土强度、基材配筋、群筋间距及边距等因素共同决定［15］。

参照现行行业标准《混凝土结构后锚固技术规程》［16］，对于再生混凝土挂板所用锚固件的受拉、受剪承载力分别讨论如下：

4.4.1 锚栓受拉承载力NR

锚栓受拉时有钢材受拉破坏（NRs）、混凝土锥体破坏（NRc）、混合破坏（NRp）、混凝土劈裂破坏（NRsp）四种破坏模式，则取四种情况承载力的最小值为锚栓的受拉承载力，即

由于再生混凝土挂板质轻、单板面积大，锚栓边距c相对锚固长度hef大得多，因此在计算混凝土锥体破坏的受拉承载力NRc与混合破坏的受拉承载力NRp时，通常可不考虑间距效应与边缘效应的影响，按理想锥体计算破坏投影面积。此外，再生混凝土挂板连接锚栓中发生劈裂破坏的情况也较少。

4.4.2 锚栓受剪承载力VR

锚栓受剪的破坏模式有钢材受剪破坏（VRs）、混凝土边缘破坏（VRc）、混凝土剪撬破坏（VRcp）三种，则取上述三种情况承载力的最小值为锚栓的受剪承载力，即

与前述类似，对于尺寸大、厚度薄的再生混凝土挂板，计算受剪承载力时可不考虑间距效应与边缘效应的影响，但应考虑板件边距比、边厚比及荷载偏心对群锚受剪的影响。

5 结 论

（1）再造石作为仿石材外观的装饰再生混凝土，可形成不同于一般混凝土的肌理与色彩，同时充分利用废弃的石渣、石粉，是建筑固废资源化的一种新方式。GRC 工艺改善了再造石制品的物理力学性能，将其从雕塑推广至建筑装饰领域，如建筑吊顶、外墙挂板、山水园林等，丰富了再生混凝土装饰材料的应用场景。

（2）由于变形性能的不同，现有装饰构件的各部分连接处存在可优化的空间，根据锚固位置不同可分为装饰物之间的拼接、挂板装饰层与结构层的连接、装饰构件与结构主体的连接三类。装饰物之间的拼接问题常见于大尺寸墙面的装饰工程中，表现为接缝多、质量差，转角与曲面处难处理。而再生混凝土装饰制品以易加工制造、成本低廉的聚苯板作模具，制成的装饰品长达百米无缝隙，减少了拼接缝隙的不利影响。

（3）装饰外墙挂板由装饰层、结构层及两者之间的连接组成。为增强连接紧密性，改善挂板的整体受力性能，开发了一种增设T 型加强肋结构的再生混凝土装饰外墙挂板。此外，还引入八字形钢筋、小字形钢筋、方形钢板等，替代传统的一字形连接件，构成平面抗弯桁架结构，有效地约束了装饰层与结构层间的相对位移。

（4）再生混凝土装饰挂板与钢筋混凝土结构主体的连接方式主要有槽式连接、销栓式连接、预埋内螺纹件式、穿孔式、钢筋锚杆连接五种，分别具有不同的传力机理与受力性能，优缺各异，侧重于不同的适用范围。

（5）再生混凝土外墙挂板的连接性能与连接点的位置分布有关，由锚栓-板背螺栓-支承角钢三大部件组成的连接体系决定，其中锚栓锚固是体系承载力的主要来源，支承角钢主要承受板体自重。应按照式（1）-式（12）进行安全核算。