加气混凝土复合保温外墙板的研发

苗纪奎，庄赠楷，胡蓝皓

（山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南 250101）

0 引言

建筑工业化是建筑业发展的必然趋势，装配式建筑技术满足我国建筑业的各相关标准，得到了广泛应用[1]。住建部建筑市场监管司2019年工作要点提出选择部分地区开展装配式钢结构住宅建设试点，推动建立成熟的装配式钢结构住宅建设体系。2020年7月，住建部等七部门印发《绿色建筑创建行动方案》，提出推广装配化建造方式，大力发展钢结构等装配式建筑，新建公共建筑原则上采用钢结构。在国内多重利好政策的推动下，装配式钢结构建筑将会迎来高速发展期[2]。

在装配式建筑结构中，装配式钢结构具备轻量化、模块化、易于拆解循环利用等优点，且与传统现浇混凝土框架建筑相比，采用装配式钢结构体系的建筑全寿命周期成本低[3-5]，适用于工业化住宅建筑，是实现住宅产业化的方式[6-7]。但目前国内装配式钢结构建筑比例和规模化程度较低，技术集成度与发展装配式建筑的有关要求相比差距较大[8-9]。钢结构住宅只有试点工程而未大面积推广的原因之一，就是与钢结构装配式住宅相配套外墙板的研发、应用技术及标准图集相对滞后[10-11]。目前应用于装配式钢结构建筑的墙板主要有蒸压加气混凝土条板、预制混凝土夹芯板、轻钢龙骨复合墙板和钢丝网架水泥夹芯板。以上4种墙板还存在以下技术问题：（1）蒸压加气混凝土条板无法满足寒冷与严寒地区对墙体热工性能的要求，且存在冻融破坏问题[12]；（2）预制混凝土夹芯板自重大，运输与吊装难度大，且安装精度不易控制；（3）轻钢龙骨复合墙板易形成热桥，墙板保温与隔声效果差，在墙体上钉挂重物困难，且轻钢龙骨组合结构存在应力传递不明确、理论分析方法尚不充分的问题[13-14]；（4）钢丝网架水泥夹芯板易发生钢筋变形，使抹灰层下坠，造成水泥砂浆抹灰层开裂。

基于目前常用外墙板存在问题分析，结合装配式钢结构建筑对外墙板的性能要求，提出一种新型保温与结构一体化墙板——加气混凝土复合保温外墙板[15]，并借助于试验与理论分析，研究了新型复合保温外墙板的性能。

1 新型复合保温外墙板的提出

1.1 装配式钢结构建筑外墙板的性能要求

外墙围护系统可用墙板种类多，施工工艺与节点构造各异，为保证外墙围护系统的工程质量，GB/T 51232—2016《装配式钢结构建筑技术标准》对外墙围护系统提出了具体的性能要求，主要包括安全性、功能性和耐久性3个方面。安全性要求是涉及人身安全的关键性能指标，对于装配式建筑外墙围护系统而言，应符合基本的承载力及防火要求，具体可分为抗风压性、抗震性、耐撞击性及防火性4个方面。功能性要求是指作为外墙围护系统应该满足居住使用功能的基本要求，具体包括水密性、气密性、隔声性和热工性4个方面。耐久性要求直接影响外墙围护系统使用寿命和维护保养时限，具体包括耐候性、抗冻性、耐热雨性及耐干湿性等。另外，外墙板还应具有良好的经济性和环境协调性。经济性要求制作墙板的原材料来源广泛、就地取材，且设计制作简单，以降低生产成本。环境协调性要求墙板的组成材料资源及能源消耗少、环境污染小、再生循环利用率高。装配式建筑外墙板是把传统外墙施工方式中的大量现场作业转移到工厂进行，在工厂加工制作好墙板，再运输到建筑施工现场，通过可靠的连接方式装配安装而成的墙体。因此，外墙板还应符合工业化要求：（1）工厂标准化、自动化、流水线生产；（2）自重轻，运输吊装方便；（3）节点构造简单、安装施工便捷。

1.2 新型复合保温外墙板基本构造

加气混凝土复合保温外墙板是以蒸压加气混凝土板为基层，复合有机保温板及35 mm厚A级保温浆料在工厂预制成型的一种新型保温与结构一体化外墙板[以下简称复合保温外墙板（见图1）]。复合保温外墙板利用加气混凝土板基层承受墙板自重及作用于其上的水平荷载，利用有机保温板作为保温层，以满足严寒与寒冷地区外墙的节能设计要求，利用保温浆料作为防护层，以满足墙板的防火性能要求。

复合保温外墙板各构造层间为无空腔构造，即加气混凝土板基层涂刷界面处理剂后，借助粘结砂浆与保温板复合在一起，再在保温板的上表面浇筑保温浆料防护层，保温浆料将保温板完全包裹。为提高保温浆料防护层与保温板的粘结面积与咬合力，保温板表面开设沿宽度方向的键槽，并通过塑料锚栓将保温浆料防护层、保温层与加气混凝土板基层机械锚固在一起。

图1 复合保温外墙板的构造示意

2 粘结砂浆与加气混凝土板粘结性能试验

复合保温外墙板的保温层通过粘结砂浆与加气混凝土板基层粘结在一起，因而粘结砂浆与加气混凝土板的粘结性能直接影响保温层与加气混凝土板基层的连接安全性。为研究粘结砂浆与加气混凝土板基层的粘结性能，对20个粘结试样进行了拉伸试验，分析了有无界面处理剂以及粘结砂浆厚度对拉伸粘结强度的影响，以优化复合保温外墙板保温层与基层的连接构造。

图2 涂刷界面剂的粘结试样

2.1 试验概况

本次试验共设计2组粘结试样，一组试样的加气混凝土板表面涂刷界面剂，另一组试件的加气混凝土板不进行界面处理，试样尺寸为100 mm×100 mm。制作试样的材料由山东易通建材有限公司提供，加气混凝土板的规格为150 mm厚，界面剂为加气混凝土专用界面剂。每组试样按照粘结砂浆的不同厚度又分为5种类型，每种类型的试样制作2个，共计20个试样，涂刷界面剂的试样见图2，各试样参数见表1。试样制作时，将粘结砂浆填满放置在加气混凝土板基层的成型框内，成型框的厚度分为2、4、6、8、10 mm共5种，试样制作完成后，在温度（23±2）℃，相对湿度（50±5）%的环境条件下养护28d后进行拉伸试验。试验参照JGJ144—2019《外墙外保温工程技术标准》附录C.1基层墙体与胶粘剂的拉伸试验方法，采用数显式粘结强度检测仪（见图3）进行测试。

图3 数显式粘结强度检测仪

2.2 试验结果分析

各粘结试样的拉伸粘结强度见表1。JGJ 144—2019第5.2.7条规定，基层与胶粘剂的拉伸粘结强度应≥0.3 MPa。

表1 粘结试样的拉伸粘结强度

由表1可见：（1）未涂刷界面处理剂的试样，各厚度粘结砂浆与加气混凝土板基层的拉伸粘结强度平均值均低于0.3 MPa；而涂刷界面处理剂的试样，各厚度粘结砂浆与加气混凝土板的拉伸粘结强度平均值均大于0.4 MPa。因此，在加气混凝土板表面涂刷界面处理剂可以显著提高粘结砂浆与加气混凝土板的拉伸粘结强度，从而提高保温层与加气混凝土板基层的连接安全性。（2）对于涂刷界面处理剂的试样，改变粘结砂浆的厚度对其拉伸粘结强度影响较小。因此，为降低复合保温外墙板的生产成本，应尽可能减小粘结砂浆的厚度，从而减少材料用量。为保证连接安全性，并兼顾生产制作的要求，建议复合保温外墙板粘结砂浆的厚度取4～6 mm。

3 复合保温外墙板隔声性能与耐火性能试验

3.1 隔声性能试验

理想的外墙板要求墙板自重轻，在满足热工性能的前提下尽可能减小厚度，以降低运输和吊装费用，但自重轻、厚度薄的墙体通常存在隔声差的问题。为检验复合保温外墙板的隔声性能，依据GB/T 19889.3—2005《声学 建筑和建筑构件隔声测量 第3部分：建筑构件空气声隔声的实验室测量》对其进行隔声性能试验，试件尺寸为2480 mm×600 mm×230 mm（见图4），墙板各构造层由内而外依次为：150 mm厚加气混凝土板基层（A3.5，B05）、5mm厚粘结砂浆、40mm厚挤塑板保温层和35 mm厚保温浆料防护层，制作试件的材料均为山东易通建材有限公司提供。试验结果表明，复合保温外墙板的空气计权隔声量为45 dB，符合GB 50118—2010《民用建筑隔声设计规范》第4.2.6条规定的外墙的空气计权隔声量≥45 dB的要求。

图4 隔声性能试验

图5 耐火性能试验

3.2 耐火性能试验

耐火极限是划分外墙板耐火性能等级的重要指标，为检验复合保温外墙板的耐火性能，依据GB/T 9978.1—2008《建筑构件耐火试验方法 第1部分：通用要求》对其进行耐火性能试验，试件尺寸为1200 mm×600 mm×200 mm（见图5），墙板各构造层由内而外依次为：120 mm厚加气混凝土板基层（A3.5，B05）、5 mm厚粘结砂浆、40 mm厚挤塑板保温层和35 mm厚保温浆料防护层，制作试件的材料均为山东易通建材有限公司提供。试验结果表明，复合保温外墙板的耐火极限大于1.0 h，符合GB 50016—2014《建筑设计防火规范》第5.1.2条规定的非承重外墙耐火等级为一级的要求。

4 复合保温外墙板的适用性分析

随着节能设计标准的提高，加气混凝土单一材料墙板难以满足严寒和寒冷地区对墙体传热系数限值的要求，因此衡量墙板适用性的一项重要指标就是其热工性能。另外，从上述复合保温外墙板的性能分析可见，墙板的自重小，不仅运输吊装方便，还可以减轻建筑质量，降低地震作用和基础工程造价。因此，本文通过理论计算对比分析了复合保温外墙板和加气混凝土外墙板的热工性能及自重，研究了复合保温外墙板在严寒和寒冷地区装配式钢结构建筑中的适用性。

4.1 热工性能

传热系数是衡量外墙热工性能的主要指标，JGJ26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》按照建筑层数的不同，规定了外墙传热系数限值（见表2）。为了便于问题的讨论，选取相同厚度的复合保温外墙板和加气混凝土外墙板，以严寒和寒冷地区外墙传热系数限值为衡量标准，探讨新型复合保温外墙板的适用性。依据GB50176—2016《民用建筑热工设计规范》，多层匀质材料组成的外墙的传热系数可按式（1）计算：

式中：K——外墙传热系数，W/（m2·K）；

δi——墙板各构造层材料厚度，m；

λi——材料导热系数，W/（m·K）；

αi——材料导热系数修正系数；

Ri——内表面换热阻，取0.11 m2·K/W；

Re——外表面换热阻，取0.04 m2·K/W。

表2 外墙传热系数限值

选取240、280、320 mm三种厚度的墙板进行计算。结合工程常用做法和住宅建筑外墙板的受力要求，复合保温外墙板的基层加气混凝土板的厚度取150 mm，保温层采用挤塑板，厚度取50、90、120 mm三种规格，粘结砂浆的厚度为5 mm，保温浆料的厚度为35 mm，根据GB 50176—2016、DB 37/5026—2014《居住建筑节能设计标准》规定的墙板各构造层材料的性能参数（见表3），依据式（1）计算得到2种墙板的传热系数见表4。

表3 各构造层材料性能参数

表4 外墙板传热系数及自重对比

由表4可见，与相同厚度加气混凝土外墙板相比，复合保温外墙板的传热系数降低了39.6%～56.7%。复合保温外墙板厚度为240 mm时，可应用于寒冷地区的建筑和严寒地区4层及以上的建筑；墙板厚度为280 mm时，可应用于严寒和寒冷地区各层数的建筑；而加气混凝土外墙板厚度为320mm时，仅可用于寒冷地区4层及以上的建筑。因此，复合保温外墙板在严寒和寒冷地区具有广阔的应用前景。

4.2 墙板自重

墙板自重计算时，各构造层材料密度取值见表3，为了便于比较，加气混凝土板取525 kg/m3，挤塑板取35 kg/m3，玻化微珠保温浆料取400 kg/m3，粘结砂浆取1800 kg/m3。由表4可见，与相同厚度的加气混凝土外墙板相比，复合保温外墙板自重降低了17.9%～36.7%。因此，在装配式钢结构建筑中推广应用复合保温墙板，更能充分发挥钢结构体系自重轻、承载力高、抗震性能好的优势。

5 结论

（1）基于装配式外墙板现存问题分析，结合钢结构装配式建筑对外墙板的性能要求，提出一种新型保温结构一体化外墙板，并确定了各构造层间的连接方式。

（2）拉伸试验表明，界面剂可以显著提高粘结砂浆与加气混凝土板的拉伸粘结强度，复合保温外墙板粘结砂浆的厚度建议取4～6 mm。

（3）隔声性能试验与耐火性能试验表明，复合保温外墙板的隔声量不小于45 dB，耐火极限大于1.0 h，满足现行规范对非承重外墙板的隔声与防火性能要求。

（4）与同厚度的加气混凝土外墙板相比，复合保温外墙板传热系数降低39.6%～56.7%，自重降低17.9%～36.7%，适用于严寒及寒冷地区装配式钢结构建筑。