本文拟以页岩陶粒作为轻骨料, 通过对轻骨料混凝土的研制、连接件在轻骨料混凝土中的锚固性能研究、预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板的防水性能和热工性能研究, 开发适用于高层装配式建筑且满足夏热冬冷地区公共建筑节能要求的预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板, 推动高层装配式建筑围护结构向轻质、保温、装饰一体化方向发展。

从装配式建筑结构的角度, 目前预制轻骨料混凝土夹心保温墙板宜用于装配式公共建筑框架体系的围护结构, 即一般用作外挂墙板。基于满足夏热冬冷地区公共建筑节能对外墙热工性能的要求, 本文开发的高层装配式建筑预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板主要由内外叶轻骨料混凝土墙板、XPS板夹心保温层、连接件和饰面层组成。

1) 水泥 P·Ⅱ52.5, 安徽海螺水泥股份有限公司生产, 物理性能如表1所示。

2) 矿粉 S95, 上海宝钢新型建材发展有限公司生产, 物理性能如表2所示。

3) 河砂 Ⅱ区中砂, 细度模数2.7。

4) 陶粒 0~5mm淤泥陶砂, 圆球形颗粒;5~10mm和10~20mm页岩陶粒, 碎石型颗粒。上述3种陶粒均由上海群拥陶粒制品有限公司生产, 其物理性能如表3所示。

5) 减水剂 花王Might150, 萘系液剂, 由上海花王有限公司生产。

干密度、抗压强度、导热系数、弹性模量、干燥收缩值、抗冻性、抗碳化性能试验按照JGJ51—2002《轻骨料混凝土技术规程》进行。

本文综合考虑高层装配式建筑对混凝土强度和保温性能要求, 拟研制密度等级1 600~1 900kg/m³, 强度等级LC30~LC50轻骨料混凝土。

根据《轻骨料混凝土技术规程》设计轻骨料混凝土初步配合比。在多次试配过程中, 发现轻骨料混凝土存在轻骨料易上浮、新拌混凝土包裹性不足等问题。本文采用下列技术措施对轻骨料混凝土初步配合比进行优化。

1) 鉴于轻骨料混凝土骨料的包裹性不佳, 采用0~5mm圆球形淤泥陶砂取代0~5mm不规则形状页岩陶砂, 并采用3种不同陶粒颗粒级配改善轻骨料混凝土的包裹性。

2) 鉴于轻骨料易于上浮, 采用河砂取代部分陶砂, 有利于抑制轻骨料上浮, 改善轻骨料混凝土和易性。确定最佳比例河砂∶陶砂=7∶3 (质量比) 。

3) 鉴于聚羧酸减水剂配制的混凝土料浆内聚力较大, 容易导致轻骨料上浮, 且预制墙板生产工艺所用混凝土的坍落度无须太大, 70~90mm为宜, 因此采用萘系减水剂代替聚羧酸减水剂。

4) 掺加矿粉有利于改善新拌混凝土的包裹性。

5) 比较砂率对轻骨料混凝土抗压强度的影响, 确定最佳砂率为40%。

经过上述一系列试验比较, 确定高层装配式建筑用LC40轻骨料混凝土配合比, 如表4所示。

对LC40轻骨料混凝土与同强度等级的普通混凝土基本物理力学性能进行比较, 如表5所示。

与同强度等级C40普通混凝土相比, LC40轻骨料混凝土干密度降低27%, 导热系数降低54%, 弹性模量降低37%。因此, 当LC40轻骨料混凝土用于高层装配式建筑的预制混凝土夹心保温外挂墙板时, 可使墙板质量减小27%。

轻骨料混凝土的长期抗压强度检测结果为:28d为42.4MPa, 56d为43.7MPa, 90d为44.1MPa。其长期抗压强度基本趋于稳定。

LC40轻骨料混凝土28d干燥收缩率为0.319mm/m, C40普通混凝土28d干燥收缩率为0.273mm/m。

《轻骨料混凝土技术规程》要求轻骨料混凝土28d干燥收缩率≤0.36mm/m, 本文LC40轻骨料混凝土收缩率满足规程要求。与同强度等级C40普通混凝土相比, 轻骨料混凝土的28d干燥收缩率增大17%。这主要是因为页岩陶粒的弹性模量比普通碎石低, 因此限制水泥石收缩变形能力也比普通碎石差。

LC40轻骨料混凝土和C40普通混凝土的抗冻性能对比如表6所示。根据表6, 经过100次冻融循环后, LC40轻骨料混凝土的强度损失和质量损失都小于C40普通混凝土, 这说明LC40轻骨料混凝土的抗冻性能优于同强度等级的普通混凝土。

LC40轻骨料混凝土28d碳化深度为4.1mm, C40普通混凝土28d碳化深度为5.4mm。

混凝土的碳化是指空气中的二氧化碳渗透到混凝土内, 与水泥的水化产物发生化学反应生成碳酸盐和其他物质。混凝土的碳化易导致混凝土松散、开裂以及体积膨胀, 毛细孔道堵塞, 碱度降低, 强度降低, 影响混凝土耐久性。

《轻骨料混凝土技术规程》要求轻骨料混凝土28d碳化深度≤35mm, 本文LC40轻骨料混凝土抗碳化性能满足规程要求, 而且LC40轻骨料混凝土的抗碳化性优于同强度等级的普通混凝土。

由于连接件是通过两端部连接杆锚入内外叶混凝土墙板中, 靠与混凝土的握裹力提供拉拔力和抗剪力来承受外叶墙板自重及荷载作用。因此, 连接件锚固于混凝土墙板中的抗拉拔和抗剪性能将严重影响预制混凝土夹心保温外墙板的安全性。本文以FRP连接件为例研究连接件与轻骨料混凝土的锚固性能, 并将其与同强度等级的普通混凝土中的锚固性能进行对比。

3.3.1试件形式与尺寸

1) 抗拉拔试件试件由2块混凝土板和40mm XPS保温层组成。混凝土板尺寸为250mm×250mm×170mm, 在每块混凝土板内各配置双层钢筋网片 (φ8@150) 并预埋钢拉杆及锚固筋。每个试件安装1个FRP连接件。上、下两根钢拉杆与连接件应对中。抗拉拔试件形式和尺寸如图1所示。

2) 抗剪试件试件由3块混凝土板与2层XPS保温层组成。两外侧混凝土板厚度为60mm, 中间混凝土板厚度为120mm。每层XPS保温板40mm厚。两外侧混凝土板沿纵横向单层配筋 (φ8@150) , 内侧混凝土板沿纵横向双层配筋 (φ8@150) 。每个试件使用4个FRP连接件。抗剪试件形式和尺寸如图2所示。

3.3.2试验方法

参照DG/TJ08—2158—2017《预制混凝土夹心保温外墙板应用技术标准》中“附录A连接件锚入混凝土抗拉拔和抗剪承载力试验”方法, 分别采用LC40轻骨料混凝土和C40普通混凝土各成型5个抗拉拔试件和5个抗剪试件进行试验。其中, 判断抗剪试件是否破坏采用双重控制方法, 即当抗剪试件破坏时两侧混凝土板与中部混凝土板间相对滑移≤10mm, 则试件极限荷载取破坏荷载;如试件破坏时两侧混凝土板与中部混凝土板间相对滑移>10mm, 则试件极限荷载取滑移达到10mm前的最大荷载。

3.3.3试验结果

1) 抗拉拔试验FRP连接件与LC40轻骨料混凝土和C40普通混凝土的抗拉拔承载力如表7所示。试验过程中发现, FRP连接件锚固于混凝土抗拉拔试件的破坏形式基本为2种: (1) 混凝土被破坏; (2) 连接件从混凝土中被拔出。无论是LC40轻骨料混凝土试件还是C40普通混凝土试件, 这两种破坏形式都同时存在。根据表7所示试验结果, 与C40普通混凝土相比, FRP连接件与LC40轻骨料混凝土的抗拉拔承载力降低, 降低幅度为12%。

2) 抗剪试验FRP连接件与LC40轻骨料混凝土和C40普通混凝土的抗剪承载力如表8所示。试验过程中, 观察到无论是普通混凝土抗剪试件还是轻骨料混凝土抗剪试件, 当试件破坏时, 两侧混凝土板与中部混凝土板相对滑移均≤10mm。根据表8所示试验结果, 与C40普通混凝土相比, FRP连接件与LC40轻骨料混凝土的抗剪承载力降低, 降低幅度为13%。

预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板作为围护结构, 经常遭受雨水侵蚀, 要求其具有较好的防水性能。表征材料防水性能通常有吸水率和抗渗性能。吸水率体现材料吸水饱和能力, 而抗渗性体现材料抵抗压力水渗透的能力。

按照《轻骨料混凝土技术规程》进行吸水率试验。LC40轻骨料混凝土48h吸水率为5.6%, C40普通混凝土48h吸水率为2.4%。由此可知, 与同强度等级的C40普通混凝土相比, LC40轻骨料混凝土的吸水率增大133%。

按照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行抗渗性能试验 (逐级加压法) , LC40轻骨料混凝土和C40普通混凝土的抗渗等级均>P8, 这说明LC40轻骨料混凝土作为外墙材料具有较好的抗渗性。

轻骨料混凝土的吸水率大主要是因为轻骨料混凝土中的陶粒具有多孔吸水特性。正是因为陶粒的吸水性和自身返水特性, 在后期混凝土强度发展过程中, 陶粒吸入的水分被释放出来, 促进水泥石后期水化反应的继续进行, 水化产物紧密地包裹在陶粒周围并填充空隙, 增强水泥石与陶粒界面的密实度, 从而提高轻骨料混凝土的抗渗性能。

轻骨料混凝土作为轻质材料, 具有一定的保温效果。然而当其作为外墙材料时, 由于轻骨料混凝土吸水后会导致其保温性能下降, 在寒冷天气条件下, 则会因冻融而造成强度和结构破坏, 影响轻骨料混凝土的耐久性, 因此, 应采取措施防止雨水直接进入轻骨料混凝土内部。作为预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板, 可在墙板预制过程中采用面砖反打技术将低吸水率面砖嵌入轻骨料混凝土表面。吸水率较低的面砖相当于在轻骨料混凝土外增加1层防护层, 避免雨水进入轻骨料混凝土内部, 从而提高了预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板的防水性能。

综合上述研究, 同时考虑满足GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》对夏热冬冷地区的节能要求, 拟开发的轻质、保温、装饰一体化的预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板构造为 (从外到内) :饰面砖、轻骨料混凝土外叶墙板55mm、XPS保温板夹心保温层40mm、轻骨料混凝土内叶墙板100mm。

1) 《公共建筑节能设计标准》要求夏热冬冷地区当外墙热惰性指标D>2.5时, 外墙平均传热系数K_m≤0.80W/ (m²·K) 。

2) 外墙热惰性指标和平均传热系数的计算方法按《公共建筑节能设计标准》和GB50176—2016《民用建筑热工设计规范》进行。

3) 预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板各构成材料的热工参数按表9取值。考虑FRP连接件对热工性能的影响, XPS保温板导热系数设计计算值的修正系数为1.2。

预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板热工性能计算如表10所示 (饰面砖忽略不计) 。由于预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板安装时一般采用外包围式, 将圈梁和构造柱都包裹在夹心外挂墙板内部, 有利于杜绝热桥产生。因此, 预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板的主墙体传热系数即为外墙平均传热系数。根据《公共建筑节能设计标准》, 夏热冬冷地区要求:当外墙热惰性指标D>2.5时, 外墙平均传热系数K_m≤0.80W/ (m²·K) 。由表10可见, 公共建筑用预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板的热惰性指标D=2.52, 外墙平均传热系数计算结果K_m=0.67W/ (m²·K) <0.80W/ (m²·K) , 满足夏热冬冷地区公共建筑节能对外墙的要求。

1) 与同强度等级的C40普通混凝土相比, LC40轻骨料混凝土的28d干燥收缩率增大17%, 但抗冻性能和抗碳化性能均优于C40普通混凝土。

2) 与同强度等级的C40普通混凝土相比, FRP连接件与同强度等级的LC40轻骨料混凝土的抗拉拔承载力和抗剪承载力分别降低12%和13%。

3) 与同强度等级的C40普通混凝土相比, LC40轻骨料混凝土的吸水率增大1.33倍, 其抗渗性能>P8。可通过面砖反打作为防护层提高预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板的防水性能。

4) 构造为饰面砖、轻骨料混凝土外叶墙板55mm、XPS保温板夹心保温层40mm、轻骨料混凝土内叶墙板100mm的预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板满足《公共建筑节能设计标准》对夏热冬冷地区公共建筑节能外墙的要求。

5) 与同强度等级C40普通混凝土相比, LC40轻骨料混凝土用于高层装配式建筑的预制轻骨料混凝土夹心保温外挂墙板时, 可使墙板自重减小27%。