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摘要：装配式钢结构住宅是以钢结构为骨架，同时配以多种其它材料的墙体和楼板拼装而成的一种住宅体系，是住宅建筑的一个重要分支。其所用的结构、楼板、墙体和门窗等部件，皆可通过工厂进行标准化、系列化、定型化和批量化生产，现场经过简单的拼装即可完成施工。因此，被誉为21世纪的“绿色建筑”之一，符合我国可持续发展的要求和住宅产业化的发展方向。
关键词：钢结构；住宅；成套技术
1研究背景
随着我国国民经济的迅速发展和城市现代化建设进程的加快，绿色建筑体系和建筑行业的可持续发展备受关注。建筑的全生命周期，不单单只计算经济成本，还需考虑生态成本和社会成本。尽量不产生和少产生建筑污染，达到三个目标：舒适健康的人居环境，最少的消耗自然资源，最少的影响外界环境。钢结构建筑作为绿色建筑的重要代表，具备“轻、快、好、省”的优良特性，钢结构以其轻质高强、抗震性好、可循环利用、便于工业化生产等优势，在建筑业实现可持续发展的过程中担任着重要的角色。
2关键技术研究
2.1节能轻质复合夹芯内墙板关键技术研究
2.1.1内墙板构造设计和原材料性能要求研究
在钢结构住宅产业化中，部品化工作极为关键，其中墙体是最重要的部分。墙体部品化的关键是研究开发新型墙体材料，并在构造措施上符合钢结构建筑的特点。新型墙材不以消耗大量的资源为代价，可大量使用工业和生活的废弃物。既可净化环境，又不会带来新的污染，符合可持续发展战略。
复合夹芯内墙板由两侧面板（承载层）、芯材层（具有保温、阻燃和隔声等性能的材料）和拼接企口构成，为厚度一定的定尺条板，板宽一般为600mm，高度根据建筑层高确定，一般不高于3.5m，构造如图1。该墙板具有节能环保、隔音、隔热、防水、防火、保温防冻、防震、增加使用面积、寿命长等特点，同时也具有安装简便、加工性能好，减少湿作业等优点。
图1复合夹芯内墙板构造示意图
为保证节能轻质复合夹芯内墙板的高性能和实用性，本次研究试验中原材料均经过详细的性能实验，并对其性能参数提出了具体要求。面板选择纤维水泥板厚度为6mm，面板吸水率控制在20%以内，其他性能应满足材料对应规范。夹芯墙板芯材选用原材料包括水泥、聚苯颗粒、粉煤灰、砂子和水泥添加剂等。各原材料技术参数如下：
① 水泥采用普通硅酸盐水泥（标号 P.O42.5）。
② 聚苯颗粒采用原生 EPS 颗粒，粒径为 1~5mm，堆积密度：ρ0'=9.9kg/m3 ；表观密度：ρ0=12.76kg/m3 ；空隙率为： P=22.41%。
③ 粉煤灰级别选用三级，其重要为改善芯材流动度。
④ 考虑聚苯颗粒的粒径在 1~5mm，为了减小最终墙板的空隙率，砂子粒径选择在 1.25mm 以下，其堆积密度为 1390kg/m3 ，表观密度为 2709kg/m 3 ，空隙率为P ' =48.7%，细度为2.01，属于Ⅲ区细砂。
⑤ 水泥添加剂选用甲基纤维素（MC）和高效早强减水剂（PY-Ⅲ），其性能均要求满足《混凝土外加剂》（GB8076-2008）规定。
2.1.2内墙板芯材配合比设计及物理性能研究
EPS聚苯颗粒芯材配合比研究
第一步：芯材配合比初步设计。根据水泥砂浆的配合比设计原理，初步以EPS聚苯颗粒、水泥、水、甲基纤维素醚（MC)为原料，设计出九种EPS聚苯颗粒芯板材料的配合比。针对提出的九种芯材配合比，制作实验试件，采取以流动度、体密度、抗压强度为主要指标，导热系数、干燥收缩为次要指标，对九组配合比进行实验研究。通过九种EPS聚苯颗粒芯板材料试件的测试，发现存在下列问题：材料的抗压强度与规范JG/T169-2005《建筑隔墙用轻质条板》的要求相差甚远；浆料的流动度与自流平也相差甚远。
第二步：芯材配合比初步优化。①砂子在水泥砂浆-聚苯颗粒体系（芯板材料）中可以起到增强承重结构的作用，明显提高了芯板材料的抗压强度；②减水剂可以极大地改善浆料的流动性能，使得材料能满足工程应用的要求；③粉煤灰可以用来部分的代替水泥，在一定范围内，不仅减少了水泥用量，节约了成本，同时可一定程度上改善浆料的流动性能。
第三步：芯材配合比进一步优化。
在前面的试验基础上，为寻找水泥用量更少、材料成本更低的芯板材料的配合比，课题组采用正交试验方案，以芯材的体密度、抗压强度、流动度、导热系数、干燥收缩、粘结应力为测试指标，进行配合比进一步优化的相关试验研究。
正交试验表明：①对芯板材料的流动度影响程度从大到小的因素依次为：MC>水泥、粉煤灰>聚苯颗粒，对密度影响程度从大到小因素依次为：粉煤灰>MC>水泥>聚苯颗粒；对抗压强度影响程度从大到小因素依次为：水泥>聚苯颗粒>MC>粉煤灰；②芯材与面板之间的粘结应力随MC掺量的增加而增大。
通过正交试验的尝试，最终得出满足规范和施工要求的三组配合比，如表2.1.2-1，各配合比的各项性能指标（28d）如表2.1.2-2，考虑各批次材料性能差异和制作环境、工艺的影响，施工生产中配合比应进行微调。
(2)EPS聚苯颗粒芯材物理性能采用优化后配合比3制作的90mm厚复合夹芯墙板各项物理性能如表2.1.2.3。
注：①表中以 90mm 厚条板作为标准板，其中密度为考虑面板后换算的芯材体密度；②此次试验的密度为干密度（体密度）。
（3）复合夹芯内墙板的材料成本分析
根据研发的芯板材料配合比，结合对不同原材料市场价格的调查，对复合夹芯板的芯板材料作材料各配合比的材料成本预算，计算结果如表 2.1.2.4。
从表中可以知道：在满足各项物理力学性能基础上，配合比 1、2 的材料成本比配合比 3 要更低一点，分别降低了 1.51%和 2.14%，考虑材料价格、运输费用的市场影响，生产中材料成本会有所不同。
考虑纤维水泥面板的价格，结合表 3.1.2-3 的芯材成本，以配合比 3 作为芯板材料，对不同厚度的节能轻质复合夹芯墙板作材料成本进行测算，计算结果如表2.1.2.5
对于同一芯材配合比制成的夹芯墙板，不同厚度节能轻质复合夹芯墙板的成本相差不大，60mm、90mm、120mm 厚度的复合夹芯板成本分别为 43.5 元/m 2 、54.4 元/m 2 、65.3 元/m 2 ；纤维水泥面板在成本中所占比例很大，分别为59.8%、47.8%、39.8%。可以通过降低面板成本进一步降低墙板成本。
2.1.3内墙板力学性能测试研究
（1）抗弯破坏试验
本复合夹芯轻质墙板抗弯破坏试验进行2组试验，每组三个试件。第一组试件是以厚度6mm的水泥纤维板作为面板；第二组是以厚度10mm的水泥纤维板作为面板，如表2.1.3-1。对这两组分别进行抗弯性能试验，考察其抗弯承载力和破坏形式。
表2.1.3-1抗弯试验试件信息一览表
从表2.1.3-2 可以看出，对于厚度 6mm 水泥纤维板的节能轻质复合夹芯墙板承载力是自重的 2.6~3.3 倍；对于厚度 10mm 水泥纤维板的节能轻质复合夹芯墙板承载力是自重的 2.0~3.3 倍，表明研制的节能轻质复合夹芯墙板的抗弯承载力满足国家标准 JG/T 169-2005 的要求。
（2）抗冲击试验
本复合夹芯轻质墙板抗冲击试验进行4组试验，每组试件由三块复合夹芯轻质墙板组成。前三组试件是以6mm厚的水泥纤维板作为面板；另一组是以10mm厚的水泥纤维板作为面板，分别进行抗冲击力的性能试验，确定其抗冲击能力。复合夹芯轻质墙板抗冲击试验加载采用试验砂袋冲击，以绳长为半径，沿圆弧将沙袋在于板面垂直的平面内拉开，提高重心 500mm，然后自由下落对墙板冲击，冲击预定位置，反复 5 次，墙板内部芯料完好，没有碎裂。试验表明复合的节能轻质复合夹芯墙板的抗冲击性能满足《建筑隔墙用轻质条板》规定的冲击 5 次的要求。
（3）吊挂试验
本复合夹芯轻质墙板吊挂试验进行4组试验，每组试件由三块复合夹芯轻质墙板组成。前三组试件是以6mm厚的水泥纤维板作为面板；另一组是以10mm厚的水泥纤维板作为面板，分别进行吊挂试验，确定其吊挂能力。复合夹芯轻质墙板吊挂试验加载分二级施加荷载，第一级加荷 500 N，静置2min；第二级再加荷 500N，静置 24 小时后，面板厚度为 6mm 和 10mm 吊挂区周围都没有出现宽度 0.5mm 以上的裂缝；墙板两面水泥纤维板和芯料未发生脱离；吊挂区周围墙板没有粉化。研究表明研制的节能轻质复合夹芯墙板满足现行国家标准《建筑隔墙用轻质条板》的要求。
2.1.4内墙板制作工艺研究
墙板制作流程依次为：模具拼装、芯材制备、芯材填筑、静置养护、拆模和堆叠存放等。墙板制作过程中应注意以下几点：
①模具拼装前，应检查模板平整性，模具内表面均匀涂抹润滑油，以便后期拆除；
②芯材制备过程中，先将水泥、砂、粉煤灰、添加剂、减水剂和水倒入搅拌机中进行搅拌，待均匀后再加入聚苯乙烯颗粒；
③芯材浇筑应由空腔两侧注入，并保持连续性，灌注过程中要注意水泥纤维板是否紧贴模具内壁，如有位移应及时采取纠正措施；
④浇筑完成后，需静置养护三天，方可进行模具拆除，模具拆除后墙板应在平整场地堆放，堆叠层数不得超过 5 层，常温养护 28 天后方可进行安装施工。2.2外墙板构造设计和原材料性能要求研究
建筑结构中外墙板在安全和舒适性能的需求上均高于内墙板，特别是墙板的整体性和连接的可靠性尤为重要，复合夹芯材料用于外墙板首先需解决连接构造的问题，其次需提高芯材保温、隔声等性能。夹芯外墙板关键技术研究基于内墙板面板和芯材的基础上，考虑整体性、连接构造和拼缝处理，采用两种构造形式。（1）轻钢龙骨注浆式复合外墙板
轻钢龙骨注浆式复合墙板主要由轻钢龙骨、面板和芯材构成，其中轻钢龙骨和面板为现场安装，芯材通过泵送设备后注入到轻钢龙骨和面板组成的空腔中。构造如图 2.2-1 所示。
轻钢龙骨注浆式复合墙板芯材由内墙板使用的 EPS 聚苯颗粒芯材配合比优化得出，主要考虑其流动性和自密实性，取消了芯材中沙子成分，使其满足性能稳定、可长距离泵送施工等特性。
预制钢筋网格玻化微珠夹芯复合外墙板预制钢筋网格玻化微珠夹芯复合外墙板主要包括面板、芯材、加强层、拼接企口和固定件组成，其中固定件采用加强层局部留槽外露—角钢焊接和加强层焊接螺栓套筒—高强螺栓连接两种方式。其中留槽焊接连接方式主要用于基于楼层分割的竖向排板建筑，可根据楼层平面进行布置。套筒螺栓连接方式采用水平排板的方式，外挂于建筑外侧，适用于建筑外立面规整建筑。其构造分别如图2.2-2及2.2-3所示
2.2-2 留槽-焊接连接方式预制钢筋网格夹芯复合外墙板构造
预制钢筋网格夹芯复合外墙板芯材选用以玻化微珠为骨料的一种改性泡沫混凝土为芯材，其原材料包括水泥、玻化微珠、发泡剂和水泥添加剂等。各原材
料技术参数如下：
① 水泥采用普通硅酸盐水泥（标号 P.O42.5）。
② 玻化微珠也叫做闭孔珍珠岩，是一种无机玻璃质矿物材料，精选特殊粒
径的矿砂，在电炉加热方式下膨化，通过对温度和原料滞空时间的精确控制，使产品表面溶融，气孔封闭，呈不规则球状颗粒，内部多孔空腔结构，表面玻化封闭，光泽平滑，理化性能十分稳定。与膨胀珍珠岩相比，其最大的优点在于表面玻化封闭，大大减小了吸水率和材料收缩率。芯材研究选用 20~50 目玻化微珠，物理性能如表2-2-4所示。
⑤ 膨胀剂选用膨胀率为 0.15%，推荐掺量为 0.2%，其原理是通过与混凝土中的水泥浆反应来产生结晶物质，引起混凝土体积膨胀，从而控制混凝土收缩。
2.3楼层板：
钢结构住宅楼层板除运用较多的钢筋桁架楼承板外，还可采用装配式的高密度水泥纤维板作为楼层板。高密度水泥纤维板具有高抗冲击和防湿性能，耐火性能优异，重量轻，强度大，具有长期耐久性，并且具有防水、抗真菌性能。
高密度水泥纤维板楼板构造如图 2.3-1所示。
图 2.3-1 高密度水泥纤维板
地面采用双层水泥纤维板，水泥纤维板厚度根据力学计算确定。板间铺设2mmSBS 卷材减震层。铺设底层水泥纤维板，应保证水泥纤维板端部均固定在楼层梁上，搭接长度 20mm，当无法满足时，应及时增设龙骨。现场对板材进行裁切时，应划线裁切，保证裁切后板面平整、顺直。自攻螺钉距板端 10mm 以上，间距 300mm，应保证钉头与板面相平，钉头无突出。水泥纤维板铺设前应对所有楼层梁标高进行复核，应保证相邻楼层梁高差不超过 2mm，同一房间内楼层梁高43差不超过 5mm。水泥纤维板标准尺寸 1220x2440，可现场裁切，施工方便。安装时可采用自攻螺钉直接与楼层梁连接，施工效率高。施工时通过预排板可大大降低料损，不需再次砂浆抹平等工序，减少建筑垃圾。
楼层板施工流程：梁、柱验收→根据预排板图纸现场划线定位→梁柱处焊接增设角钢→底层水泥纤维板铺设→检查底层板平整度并调整→自攻钉固定→铺设卷材减震层→上层水泥纤维板铺设→检查上层板平整度并调整→自攻钉固定→钉头抹灰及嵌缝。
结束语
住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路，而住宅产业化的前提是具备与住宅产业化相配套的新技术、新材料、新体系，如新型的墙体及楼板材料，新的结构体系等。多、高层钢结构住宅体系主要由钢框架结构体系及“三板”组成，三板体系包括了轻质外墙板、内墙板和楼层板。外墙板选用新研发的玻化微珠钢筋网格复合夹芯外墙板，内墙板选用轻质复合夹芯内墙板，验证了新型外墙板及内墙板的各项性能优异。新型墙板均为工厂模块化产品，同时水电管线在工厂内已进行了预埋，大大较少现场工作量，提高了施工速度的同时，提升了住宅产品的品质。楼层板采用轻钢骨架多层水泥纤维板作为楼层板，现场无湿作业，通过了增加SBS 卷材等措施提高薄板楼面的舒适度。
参考文献
[1]刘伟,王若竹.钢结构住宅的现状与发展.吉林建筑工程学院学报,2008年9月.
[2]田淑芬.绿色建筑与建筑业可持续发展[J].建筑经济,2005(12):80-82.
论文作者:张小娜
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年3月下
论文发表时间:2017/7/12
标签：墙板论文; 水泥论文; 纤维板论文; 轻质论文; 面板论文; 颗粒论文; 性能论文; 《建筑学研究前沿》2017年3月下论文;