浅谈超高性能混凝土在装配式叠合剪力墙中的应用

【摘要】国家经济的快速发展，带动了在国民经济中占据重要地位的建筑业不断发展。传统的建筑材料和施工工艺制约了建筑行业的发展，为高效率、低污染的装配式建筑的出现提供了发展的机遇，装配式建筑满足了人们对施工方法已经不能满足大规模的。通过对目前装配式建筑中的剪力墙的施工技术的总结，了解既有方法的缺陷上，提出了采用超高性能混凝土制作叠合剪力墙内外叶板，将叶板厚度由50mm减小为10～20mm。叶板厚度减小后，使现浇层厚度增加，空腔内后浇筑混凝土后剪力墙结构整体性更好。叠合剪力墙的预制件减轻，可大大节约运输和吊装成本。

【关键词】超高性能混凝土;叠合剪力墙;叶板厚度;装配式

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

引言：

装配式建筑指建筑物中的部分构件在工厂流水线生产后，再在施工现场进行组装的建筑结构形式。由于装配式构件的复杂程度不高，需要数量多，可以实现工厂批量化生产，批量的构件在施工现场进行构件安装，其工作量小于现场支模现浇的工作量。加工好的构配件在施工现场，实现工序穿插过程，下道工序及时穿插进预埋好的构配件孔内，将建筑物的构件组装起来，实现整个建筑物的完工。

传统建筑建造方式大多采用人工和机械为主，但建筑工人老龄化、短缺化趋势明显，因此未来住宅将变为类似于组装手机的装配式的建造方式。建筑工业化的前提条件是建筑构件和部品的标准化、系列化、专业化、商品化等，国内外的装配式住宅主要采用叠合板、楼梯、阳台等水平构件，而针对住宅建筑的主要竖向构件剪力墙则采用叠合的方式，叠合墙的内外叶板一般采用普通混凝土，本文则考虑采用超高性能混凝土进行制作。

1、装配式建筑施工特点和施工流程

1.1构件生产的专业化，质量可控化

大量建筑物的构配件在工厂中几乎都能满足生产的可能，通常这些构配件都市通过标准化的模模板和工艺生产出来。另外，因为这些构件要在施工现场进行组合拼装，所以，对于构件来说，生产的构件要达到精准化，才能满足安装需求。

1.2减少成本，节约劳动力

用于装配的构配件都是在工厂生产和加工，大量的工作量转移到了工厂，使得施工现场的生产和施工工作量减少，对于现场使用的工器具也相对减少，节省了这些机械和相应材料的租赁费用，相对传统现浇施工来说，减少了很多工序，相应也节省了工序之间的交叉时间。对于施工人员来说，减少了不同工种的施工人员，达到了精简施工人员的组成，将现场的工作量转移到了工厂规模化、专业化、批量化生产，大大的减少施工人员的数量，同时，也解决了建筑业中务工人员缺乏的问题。

1.3实现资源节约，有利于环境保护

在传统现浇建筑物施工中，因有不同的工序，还要伴随着半成品的加工，会造成在工序的不同施工过程中产生的各种建筑资源的使用，在施工中产生的建筑垃圾，还有对不同材料的需求，以及涉及到各种设备和器具的使用。而装配式建筑大大的改变了这一模式，在工厂生产构配件，更具专业化和规模化，减少了资源的使用，节约了现有资源，同时，实现了保护环境的目的。

1.4对现场吊装设备和组装拼接人员能力提出了要求

装配式建筑的构配件一般重量较大，超出了现场常规的建筑物部件重量，在吊装之前就要根据构配件的重量选择合适的吊装设备。预制好的构件要在现场进行组装拼接，构件之间要相互咬合，在这个施工过程中，对组装人员的专业化提出了要求。

1.5装配式建筑整个施工工艺流程

建筑物的构件在工厂完成施工后，要将其构件运输至施工现场，在现场，用吊装设备进行吊装，吊装至要安装的所在位置，通过施工人员的配合精准安装拼接在建筑物的相应位置，对于安装好的构件，如楼梯板和楼板，还需要支撑其重量，在其相应位置进行水电预埋，随后进行混凝土浇筑，收面亚光。

2、普通装配式剪力墙存在缺陷

2.1装配式全预制剪力墙

全预制剪力墙的主要关注问题是如何将竖向钢筋进行连接，目前主要的方法是采用套筒+后注浆技术，铸铁套筒连接接头由带孔铸铁管、封浆橡胶垫和后注高强灌浆料组成。钢筋套筒灌浆技术施工过程是利用带孔铸铁管，钢筋从铸铁管两端孔口插入套筒内部，在套简和封浆橡胶垫之间由下部注浆孔注入高强微膨胀灌浆料。其套筒连接技术机理主要是由灌浆料受到套管的约束作用，加上灌浆料本身具有微膨胀特性，以此强化与钢筋、套简内侧间法向应力，钢筋由该法向应力与粗糙表面的摩擦系数产生的摩擦力，来传递钢筋的应力。但此方法存在缺点：（1）套筒+后注浆技术安装工艺复杂且技术难度高，（2）套筒灌浆技术需要专用高强灌浆料，（3）套筒灌浆饱满度不易控制，连接质量检测验收技术比较困难，（4）预制剪力墙自重较大，吊放装配不易施工。

2.2装配式半预制叠合剪力墙

目前，相关学者针对装配式全预制剪力墙存在的问题，研究了叠合剪力墙及其施工技术。半预制叠合剪力墙是由内外2片带格构式或桁架钢筋的预制墙板叶板，现场将叠合墙预制件安装就位后，在内外叶板空腔内浇筑普通混凝土，剪力墙的边缘构件则采用现浇混凝土用于墙片的横向和竖向的连接、叠合楼板进行横向支撑，共同形成的叠合剪力墙结构住宅建筑。叠合剪力墙由工厂预制件和施工现场浇筑2部分组成，又称为半预制结构体系，这种技术具有节约木模板、施工速度快、机械化程度高、所需人工少和现浇整体性好的优点。叠合剪力墙由内叶板和外叶板两部分构成，内叶板和外叶板均在预制构件厂加工完成，现场施工时吊装就位、调整方向和临时固定即可;叠合剪力墙的连接部分是在现场绑扎边缘钢筋和现浇混凝土，此时内叶板和外叶板既作为模板，又作为结构受力构件。但普通混凝土叠合剪力墙依然存在以下问题：（1）雙面叠合剪力墙的内外叶普通混凝土强度预制板厚度大于50mm，整体自重较大;（2）制作尺寸受吊装能力限制，分块尺寸较小。

3、装配式超高性能混凝土叠合剪力墙的提出

我国正处于全面城镇化阶段，国家发改委关于建筑智能化与建筑工业化协同发展的指导意见也指出，建筑业在十一五规划中仍是国民经济的支柱产业，且国家正大力推广装配式建造模式，对具有节约造价、缩短工期、节能降耗、绿色环保且具有较好的结构性能的装配式超高性能混凝土叠合剪力墙，具有巨大的市场需求，因此技术的提出对社会的经济效益的提高是非常有意义的。采用装配式超高性能混凝土叠合剪力墙的建筑具有良好的结构性能，采用标准化分块设计和机械工业化制作，预计降低建筑主体结构工程造价约18%～22%，节约模板60.66%，缩短工程工期28.68%，提高了剪力墙的装配化率，具有外保温层一体等优点，有利于建筑在装配化方面的发展，也有利于实现建筑节能环保、节约木材和减少建筑对施工环境的影响，符合我国建筑向工业化调整的发展方向。

装配式超高性能混凝土叠合剪力墙是单层或双层带桁架钢筋的预制墙板，包括包覆在钢筋骨架内侧的内叶板和包覆在钢筋骨架外侧的外叶板。外叶板靠近钢筋骨架一侧的侧面上设置有保温板，内叶板和外叶板之间设置有多个成排成列布设的水平连接件，水平连接件的一端设置有固定板，内叶板和外叶板均为超高性能混凝土薄板，内叶板和外叶板的底端平齐，内叶板的顶端低于外叶板的顶端，内叶板的顶端与外叶板的顶端之间的高度差等于与装配式超高性能混凝土叠合剪力墙配合安装的叠合板的厚度，保温板上开设有多个水平连接件穿过孔，多个水平连接件穿过孔与多个所述水平连接件一一对应。在工厂生产预制构件时，设置了桁架钢筋，既可作为临时吊点，又增加叶板平面外刚度，防止起吊时开裂。在工地现场使用阶段，三角桁架钢筋作为连接剪力墙内外叶板的2层预制片与二次浇筑夹心混凝土之间的拉接固定钢筋，可提高装配式超高性能混凝土叠合剪力墙整体性能和抗剪性能。同时，这种连接方式区别于全预制装配式剪力墙体系，板与板之间无贯通施工拼缝，防水性好。

装配式超高性能混凝土叠合剪力墙具有以下优点：

⑴与相同尺寸的普通叠合剪力墙相比，内外叶板的厚度减小，便于吊运，降低了运输成本。

⑵与普通叠合剪力墙相比，吊装尺寸可设计较大，墙面拼接缝数量，省工省料，降低了工程造价。

⑶与装配式剪力墙相比，仅需在拼缝处放置连接钢筋，无需采用套筒灌浆，节省工时，降低了工程造价。

⑷采装配式超高性能混凝土叠合剪力墙，可与现浇剪力墙结构采用相同的方法进行结构分析与设计，其主要力学技术指标与现浇混凝土结构基本相同。

4、装配式超高性能混凝土叠合剪力墙的技术难点及创新点

4.1叶板厚度较薄

国内在装配式叠合剪力墙方面编制了相关规范和技术规程，已经较为详尽地给出了叠合墙之间或叠合墙与混凝土构件连接的详细构造做法。但由于现有叠合墙的内外叶板均采用普通混凝土材料制作，厚度至少为50mm左右，厚度较厚。以具体的建筑装配式超高性能混凝土叠合剪力墙预制件的吊装需求，确定超高性能混凝土的最佳厚度，厚度为10～20mm。在保证底板强度的前提下得到最大的塌落度，达到自流平混凝土对塌落度的要求，以便于工厂化施工。

超高性能混凝土是国内外学者研究较热的话题与土木工程材料之一，超高性能混凝土材料利用硅灰等电厂工业废料替代部分水泥，属于一种绿色可持续的新型建筑材料。研究结果表明，超高性能混凝土材料在细观层面上是由水泥砂浆、纤维及其交接面组成的复合材料，造成超高性能混凝土材料的开裂也呈层次特性，水泥砂浆基体的受拉微裂缝、纤维与交界面的剥离是导致超高性能混凝土材料的开裂的最主要原因。超高性能混凝土材料多尺度的开裂机理為其细观层面上水泥基材料的受拉微裂纹产生、演化和扩展，进而发生钢纤维从水泥基材料中拔出而开裂破坏的宏观现象。纤维的加入增加了水泥基体材料的韧性和强度，因此，可将超高性能混凝土的内外叶板制作成10mm-20mm左右即可满足承载力的要求。

4.2耐火等级高

目前现浇剪力墙外保温施工艺复杂，费时费工，施工速度较慢，施工质量及精度较差，因外保温燃烧事件引起的安全质量事故频频发生。为解决上述问题，采用施工精度、平整度较好的超高性能混凝土剪力墙外叶板和保温板一体的预制件，其刚度和弹性模量相比木模板大很多，主要难点是内外叶板空腔内现浇混凝土临时施工荷载对装配式超高性能混凝土叠合剪力墙的影响，以确定满足临时施工荷载的最薄内外叶板的厚度或者最小的无支承间距。

在建筑施工现场，经常会出现外保温层失火、脱落、开裂渗水等事故频发。这也是外保板的质量通病，从2009年之后，人们对于外保温板施工的问题十分关注，人们对外墙保温建筑节能的快速发展势头略受影响。现场粘贴易燃的保温板引起的火灾事故，给社会造成较大的财产损失和人员伤亡。可以说，如何解决建筑物外保温片施工中的耐火问题，对发展迅速的现代化建筑建造施工方式显得具有重大的意义。近年来随着一些新材料的不断涌现，而超高性能混凝土以其优越的性能将成为未来住宅建筑中必不可少的材料，因此具有较好耐火能力的超高性能混凝土引起人们的重视。为了防止和减少高层民用建筑火灾的危害，保护人身和财产的安全，采用超高性能混凝土外叶板与保温层一体的预制件，进行装配式超高性能混凝土叠合剪力墙进行防火保护。超高性能混凝土外叶板属于无机材料、不燃烧体，满足Ι级耐火等级的建筑物对外保温必须为不燃烧体的具体要求。

5、装配式超高性能混凝土叠合剪力墙的行业共性及关键技术

5.1行业共性

根据《装配整体式叠合剪力墙结构技术规程》（DG/TJ 08-2266-2018）的规定，装配整体式叠合剪力墙产品的应用非常广泛，适用于框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构和框筒结构等多种混凝土结构类型的多层和高层工业与民用建筑，如图书馆、百货商场、多层工业厂房、写字楼、办公楼、展览馆、教学楼、地下车库和住宅楼等;并提供了具体拼装构造详图及做法。

装配式超高性能混凝土叠合剪力墙通过提升技术水平和科技含量，大幅降低成本和提高效益，实现了建筑结构的装配化。与相同尺寸的普通叠合剪力墙相比，内外叶板的厚度减小，便于吊运，降低了运输成本。与普通叠合剪力墙相比，吊装尺寸可设计较大，墙面拼接缝数量少，省工省料，降低了工程造价。与装配式剪力墙相比，仅需在拼缝处放置连接钢筋，无需采用套筒灌浆，节省工时，降低了工程造价。采装配式超高性能混凝土叠合剪力墙，可与现浇剪力墙结构相同的方法进行结构分析与设计，其主要力学技术指标与现浇混凝土结构相同。

5.2关键技术

随着河沙开采的限制，河沙采购价增加，引起普通混凝土成本上涨，越来越多的超高层建筑的出现对混凝土性能提出了更高的要求，这为超高性能混凝土材料的应用提供了最为有力的条件。在基体中掺入纤维、CaCO3晶须等，可明显减少基体的细微裂缝，阻止水泥基体既有裂纹的扩展并有效抑制新裂缝的出现。纤维混凝土具有抗裂性、抗渗性、耐腐蚀性等优点。

对超高性能混凝土材料的实际需要，考虑掺入微米级CaCO3晶须、毫米级钢纤维的多尺度层面，将超高性能混凝土材料的研究从宏观尺度拓展至微观尺度层面。采用试验研究、数值模拟与理论分析相结合的方法，研究CaCO3晶须-长、短钢纤维超高性能混凝土材料的力学性能和开裂机理，确定此类材料的本构关系及抗拉强度、抗压强度、弹性模量等力学性能指标;引入纤维混杂效应系数，建立相应的强度计算方法;并基于棱柱体试块的弯曲变形发展规律，建立考虑纤维混杂效应的超高性能混凝土材料抗弯韧性计算方法;本项目不仅为多尺度、多层次超高性能混凝土材料增韧理论提供了重要补充，也使纤维混杂效应系数从定性分析上升到了量化指标研究层面，可为CaCO3晶须-长、短钢纤维的超高性能混凝土材料的工程应用提供基础资料和技术支撑。

结语：

总结了普通装配式剪力墙存在缺陷，套筒灌浆连接技术施工质量难控制及难检測，叠合剪力墙叶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来代替普通混凝土制作叠合剪力墙叶板，大大减小了预制件的施工质量和重量，减小了运输成本。

分析了采用超高性能混凝土的制作叠合剪力墙叶板的难点和创新点，指出了应控制叶板厚度在10～20mm，可大大地减小运输及吊装成本。为抑制叶板的早期微裂缝，可考虑掺入CaCO3晶须、聚丙烯纤维等。

参考文献：

[1]黎引，章一萍，唐丽娜.装配式建筑推广应用中存在的几个问题探讨[J].建筑论坛与建筑设计，2021（6）：52-55.

[2]张皓涵.叠合剪力墙结构相关问题分析[J].江西建材，2021（07）：114-115.

[3]陈剑松，吴泽，赵瑞仙.对几种常见预制剪力墙设计方法的对比和分析[J].重庆建筑，2021（10）：56-59.

[4]李亚军，毛丰强，杜飞，等.双面叠合剪力墙在装配式住宅项目中的实例应用[J].建筑技术开发，2021（22）：7-9.

作者简介：

赵茜（1990-），助教，三门峡职业技术学院。