结构装饰保温一体化预制外墙板制造关键技术

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03-08

北京市燕通建筑构件有限公司 教授级高级工程师 杨思忠

【摘要】结合北京市公租房工程建设,从结构装饰保温一体化外墙板的结构特点出发,对灌浆套筒精确定位、内外叶墙拉接件选用、保温层选用、装饰面外叶墙施工以及吊装预埋件等施工中容易出现的质量问题进行了详细分析,提出了针对性解决措施,取得了良好成效。

用于装配式剪力墙住宅体系的“结构装饰保温一体化预制外墙板(以下称复合保温外墙板)”绝大多数由3层组成,即内部的结构受力层(以下称内叶墙)、起装饰保护作用的面层(以下称外叶墙)和夹在中间的保温层组成,面层和保温层通过专用的玻璃纤维拉接件或不锈钢拉接件固定在结构受力层上,3层结构在工厂内一次性预制完成(见图1)。少数复合保温外墙板中还设置了防止冷凝水的空腔层。

图1 复合保温外墙板

复合保温外墙板内叶墙可以采用普通钢筋混凝土,也可采用兼具隔热保温的轻骨料钢筋混凝土,其厚度通过结构受力分析确定。外叶墙可在工厂做成清水、涂料、贴砖、石材等多种效果,兼具长效装饰作用。保温层受内外层混凝土防护,既提升保温节能效果、延长保温寿命,又解决了常用有机保温材料的防火问题。复合保温板保温、装饰均在工厂内完成,在大幅度提高施工质量的同时可大大加快施工速度,工期节约明显。

本文结合北京市装配式公租房建设项目,总结了复合保温外墙板设计和制造过程中存在的主要问题,并提出针对性解决方案。

1  灌浆套筒精确定位关键技术

灌浆套筒钢筋连接技术在国外已经过几十年的工程实践检验,是一项比较成熟的技术,也是我国装配式剪力墙住宅体系中墙板水平缝纵筋连接的常用技术之一。为了保证复合保温外墙板在工地现场的安装精度和快速施工,如何保证灌浆套筒和预留插筋的位置准确就成为构件加工过程最重要内容。

1.1  灌浆套筒种类及性能要求

国内外采用的灌浆套筒种类:从材质方面可分为球墨铸铁和机械加工套筒两种;从钢筋连接方面可分为半灌浆套筒和全灌浆套筒两种;从套筒加工型式上可分为整体式套筒和组合式套筒。目前,我国的装配式结构住宅主要采用半灌浆套筒,其性能应符合《钢筋连接用灌浆套筒》JG/T398—2012的有关规定。灌浆套筒接头配套使用的灌浆料性能应符合《钢筋连接用套筒灌浆料》JG/T408—2013的有关规定。灌浆套筒的采购和使用应遵循如下要点:

1)同一工程项目宜采购同一厂家生产的同材料、同类型灌浆套筒。灌浆套筒使用前,构件厂应制作3个灌浆套筒连接接头进行工艺检验,其结果应符合《钢筋机械连接技术规程》JGJ107—2010中的Ⅰ级接头要求。

2)构件厂应采用由接头型式检验确定的与选用灌浆料相匹配的灌浆套筒,施工中不得随意更换,否则应重新进行接头型式检验、工艺检验。

3)灌浆套筒灌浆端最小内径与连接钢筋公称直径的差值不宜小于规定的数值:对于直径12~25mm钢筋不宜小于10mm,对于直径28~40mm钢筋不宜小于15mm。

4)套筒灌浆连接钢筋应采用符合现行国家标准的带肋钢筋,钢筋直径不宜小于12mm,也不宜大于40mm。 单侧灌浆端锚固长度不宜小于插入钢筋公称直径的8倍。

5)生产过程中,同一厂家、同一牌号、同一规格的钢筋及同一炉(批)号、同规格的灌浆套筒,每1000个接头为一个验收批,构件厂每批随机抽取3个灌浆套筒制作连接接头试件进行抗拉强度检验,同时留置3个灌浆端未,用于施工现场制作相同灌浆工艺的平行试件进行抗拉强度检验,其检验结果均应符合Ⅰ级接头要求。

1.2  灌浆套筒安装质量控制要点

某些单位曾经采用橡胶棒进行灌浆套筒定位,经过实践发现有以下缺点:①橡胶棒有弹性,易弯曲,极易造成套筒轴线不垂直;②橡胶棒易老化,更换不及时易造成套筒偏位;③橡胶棒更换频繁,成本较高。针对套筒固定用橡胶棒存在的缺点,燕通公司开发出一套专用定位钢棒系统,投入使用1年多来取得了很好效果。定位钢棒的直径比相应规格套筒内径细1~2mm,可以非常精确、牢固地安装在钢制边模上。定位钢棒上设专用孔帮助精确地固定灌浆管。

1)套筒钢筋加工以及与套筒连接要点

半灌浆套筒使用的套筒钢筋,其螺纹应采用专用套丝机加工制造;钢筋和套筒拧紧后,外露丝不得超过1扣,并应采用扭力扳手进行紧固,以保证钢筋和套筒连接可靠(见图2);套筒灌钢筋长度误差应小于2mm。

图2 套筒及套筒钢筋

2)灌浆套筒定位要点

为保证套筒准确定位,必须在内叶墙边模板上设置套筒定位和套筒灌浆长度控制专用工装;应保证套筒与内叶墙边模板垂直,一般控制套筒端头与模板间隙<0.5mm;应在套筒灌浆(软)管内插入直径合适的专用钢筋(直径10mm),以防套筒外移;底部套筒灌浆管可倾斜引出;注浆管管口宜超出混凝土表面约50mm,混凝土浇筑过程中应采取防注浆管堵塞措施(见图3)。

图3 套筒定位

3)灌浆套筒清理要点

外墙板脱模后,往往要用高压水枪冲洗侧面以形成粗糙面,很多带有缓凝剂成分的水泥砂浆会被冲入灌浆套筒内。应及时采取措施将吹入套筒内砂浆清理干净,因为缓凝剂失效后形成的硬化砂浆会污染套筒内壁,给灌浆接头造成质量隐患。为保证万无一失,外墙板发货前应对灌浆套筒进一步检查和清理。

2  外叶墙受力变形特点及拉接件选用关键技术

复合保温外墙板中外叶墙通过专用拉接件固定在内叶墙上,其承受的荷载包括自重荷载、脱模时的模板粘接力、正负风压荷载、外叶墙本身温度变化应力、复合保温外墙板各层之间的温度变化应力、干燥收缩应力、运输和安装荷载等多方面,因此,科学合理地选择使用拉接件异常重要。

2.1  外叶墙温度变形控制要点

在冬季,太阳会造成外叶墙外表面温度急剧上升;在夏季,雨水会造成外叶墙外表面温度急剧下降,这两种情况都会造成外叶墙的弯曲变形。为减少温度变形的不利影响,可采取以下措施:①控制外叶墙的最小设计厚度。根据欧洲等国家的经验,外叶墙厚度不宜小于6cm。②控制复合保温外墙板最大设计宽度。③使用特种混凝土材料提高外叶墙的刚度,或提高外叶墙的抗开裂性能。④外表面使用明亮的表面防护材料,减少温度差。⑤科学合理地选择内外叶墙拉接件类型和布置。

2.2  内外叶墙干燥收缩变形控制要点

混凝土干燥收缩是一个从外向里扩散的过程。干缩会造成内外叶墙向相反的方向变形(见图4),外部迅速干燥和内部缓慢干燥会造成巨大的弯曲应力。可采取如下措施减小其不利影响:①使用吸水性小的保温层,或在传统保温层上覆盖防水层;②刚生产出来的复合保温外墙板应避免直接暴露在恶劣环境下;③清水混凝土表面应尽早涂刷防护剂;④表面使用瓷砖、石材或防止失水作用的装饰面材。

图4  内外叶墙干燥收缩变形示意

2.3   内外叶墙拉接件

1)内外叶墙拉接件种类  目前,我国工程中使用的内外叶墙拉接件有三类:①GFRP保温拉接件。常用产品有:美国Thermomass拉接件和南京斯贝尔GFRP拉接件。②不锈钢拉接件。常用产品有欧洲的圆筒锚、平板锚和别针锚拉接件。国内主要采用平板锚和别针锚两种产品。③碳钢拉接件。大多采用焊接桁架作为拉接件(见图5)。

图5 拉接件

2)拉接件实际使用中存在的问题:①国内缺乏成熟的拉接件受力计算和布置排版标准;②缺乏拉接件产品质量检验标准;③缺乏拉接件安装质量检验标准,拉接件安装质量和操作人员责任心关系巨大;④碳钢拉接件,暴露在空气中部分应做防锈处理,质量不过关。

3)GFRP拉接件正确安装使用要点:①保温板上拉接件安装位置必须用专用开孔器开孔,孔直径比拉接件直径略大即可,以减少冷热桥影响;②严禁用铁器击打拉接件尾部和中部封盖,防止拉接件损坏或黏结失效;③采用反打工艺时,应根据季节变化及时调整外叶墙混凝土凝结时间,控制内外叶墙混凝土浇筑时间差≤30min,避免拉接件和混凝土黏结失效;④复合保温外墙板PCF部分,应及时清理落在拉接件暴露部分上的混凝土;⑤严格控制蒸汽养护温度小于60℃,防止保温板体积变形造成的拉接件滑动失效;⑥严格控制拉接件离墙边缘的距离和拉接件布置间距符合设计要求,保证拉接件实际受力和理论计算一致。

4)不锈钢拉接件正确安装使用要点:①不锈钢材质和力学性能要符合设计要求;②套筒锚和平板锚两端钢筋的安装一定要符合设计要求,特别是PCF板,要提醒施工单位不得遗漏两端的钢筋;③波浪形别针锚安装时注意波浪形末端一定要嵌入混凝土并环绕钢筋;④外叶墙厚度为50mm时,拉接件埋深最小为45mm,混凝土保护层最小厚度为5mm;外叶墙厚度为60mm时,拉接件埋深最小为50mm,混凝土保护层最小厚度为10mm;外叶墙厚度为70~120mm时,拉接件埋深最小为55mm,混凝土保护层最小厚度为15mm;⑤脱模造成的拉接件弯曲要及时恢复原状。安装如图6所示。

图6 不锈钢拉接件安装

3   保温层选择和施工关键技术

3.1  保温层材料选择要点

长期以来,在墙体保温材料市场中,虽然有机类保温材料由于密度小、可加工性好、保温隔热效果好等优点一直牢牢占据着市场主导地位,但其易燃安全性能差,变形系数大、透气性差、耐老化性差、使用寿命较短的缺点也很明显。目前,国内外采用的有机保温材料主要是:燃烧性能等级不低于B1级的挤塑保温板(XPS)和硬泡聚氨酯。酚醛板是现有有机保温板材中吸水率最大的,直接影响了其保温性能,使用量较少。

传统的无机类保温材料虽然防火性能好、使用寿命长,但是其密度大、保温隔热效果差、施工繁琐、质量稳定性差的缺点也很突出。如:层状结构的玻璃棉和岩棉板材料,由于吸水率大,随着时间推移导热系数会明显增加,不适合在复合保温外墙板中大面积推广,但可以少量用于门窗洞口的防火隔离带部位。近几年在外保温中大量使用的低容重泡沫混凝土材料,不仅导热系数偏大,而且施工中极易破碎,也不适合复合保温外墙板中使用。真空绝热板是近年来开发和研究的一种新型高效绝热保温材料,燃烧性能可达到A2级,导热系数可低于0.008 W/(m2·K),可大大减小保温层厚度,应用于复合保温外墙板系统有利于克服其存在易破坏,造成真空失效的明显缺点,是值得探索推广的新产品。

复合保温外墙板采用的保温材料应综合考虑其保温性能、防火性能和耐久性能三大指标,力争做到和混凝土结构同寿命。常用保温材料性能对比如表1所示。

3.2  保温层厚度设计和施工控制要点

保温层厚度设计应重点考虑以下因素:

1)无论何种保温材料,其导热系数随时间推移而变化,正常情况下会逐步趋于稳定。保温层厚度设计时,不得采用新生产保温材料导热系数检测值。无可靠经验时,可采用表1中数值。

2)蒸汽养护对保温材料导热系数往往产生不利影响,造成保温效果下降。设计人员应关注不同蒸汽养护温度对保温材料体积膨胀率和导热系数的影响。无可靠经验时,应控制蒸汽养护温度低于60℃。

3)每一种类型的复合保温外墙都要进行保温材料排版,尽量减少板缝隙冷(热)桥对整体保温的影响。当板缝大于2cm时要求用现场发泡聚氨酯进行封闭。

4)内外叶墙拉接件、金属埋件、保温板上直径过大的拉接件预穿孔以及各种预留孔洞也会造成整体保温效果下降。应尽量减少通孔数量。

5)保温层设计厚度应考虑保温材料外防护层对保温的不利影响,适当加厚。

根据北京地区装配式剪力墙体系设计经验,在75%节能条件下,设计要求传热系数不大于0.45 W /(m2·K)的复合保温外墙板(内叶墙厚20cm,外叶墙厚6cm),选用的硬泡聚氨酯保温层厚度为宜大于6cm,挤塑保温板厚度宜大于8cm。

4  装饰面外叶墙施工关键技术

结构装饰保温一体化外墙板的装饰功能体现在外叶墙不同的表面处理效果,种类众多,但都必须满足防水、防污、耐久和美观等基本要求。下面介绍3种常用的施工工艺。

4.1  清水混凝土饰面工艺

清水混凝土体现的是混凝土的本色效果,既可以是普通水泥混凝土的灰色,也可采用彩色混凝土,推荐采用反打成型工艺。为保证清水混凝土外立面效果,对底模表面质量要求极高,应采用不易锈蚀的表面致密的钢板制造。

为了保证清水混凝土效果的持久性,外叶墙表面需要涂一种刷耐候性强、耐沾污好、防开裂的特种透明防护涂料,如有机硅烷涂料、氟碳涂料等。

4.2  橡胶模造型饰面工艺

在复合保温外墙板生产时,将预先制作好的具有不同纹理效果的橡胶模铺在模板表面,采用反打成型工艺,浇筑混凝土形成装饰肌理或装饰造型,省去二次装饰。表面喷涂耐候性强、耐沾污好透明防护涂料可大大提高防开裂性能和装饰效果的持久性(见图7)。

图7 橡胶模纹理造型饰面

4.3  瓷砖和石材饰面工艺

该工艺将所选用的瓷砖或天然石材预贴于模板表面,采用反打成型工艺,与复合保温外墙板外叶墙混凝土形成一体化装饰效果。

为保证瓷砖和石材与混凝土黏结牢固,应使用背面带燕尾槽的瓷砖或带燕尾槽的仿石材效果陶瓷薄板。如果采用天然石材装饰材料,背面还要设专用爪丁,并涂刷防水剂。

吊装预埋件施工关键技术

吊装预埋件是复合保温外墙板脱模、运输、安装过程中的重要受力部件,直接关系到施工安全和结构质量,目前主要采用自制吊环和内埋式吊杆两种。下面主要论述内埋式吊杆安全种类和使用要点。

5.1  内埋式吊杆种类

内埋式吊杆在欧洲等国家使用很普遍,称为圆锥头吊装锚栓体系或球头锚钉体系,由“吊装锚栓、拆模器(包括空心填充物和附件)以及吊头”三部分组成。用于复合保温外墙板的常用内埋式吊杆分为直型和偏心型两种(见图8),可根据荷载等级进行选定(13~450kN),常用为25kN和50kN两个型号。在欧洲,内埋式吊杆使用的钢材材质为20Mn2,最小抗拉强度为75000psi(517MPa),钢材抗拉强度安全系数应大于3。

图8 吊杆和吊头

5.2  内埋式吊杆选择和使用要点

1)预制构件结构型式和质量  直型吊杆主要用于质量较小的复合保温外墙板,偏心型吊杆用于质量较大的复合保温外墙板。同一个工程选用大的吊杆种类不宜超过2种,以免频繁更换专用吊头,降低吊装效率。

2)吊杆安装位置和方式  吊杆埋置深度、距构件边缘距离以及吊杆间距应符合产品说明书的要求。对于较薄的板在吊杆周围应布置加强钢筋,避免吊点出混凝土局部破坏。确保单根吊杆抗拔安全系数大于3。

3)吊杆有效数量  要根据吊装时实际受力的吊杆数量进行吊杆选型,不得以实际安装数量进行简单的平均计算。

4)混凝土脱模荷载控制  在没有设计要求情况下,混凝土脱模强度建议为15~20MPa。脱模时,钢模板黏附力系数宜取1kN/m2(或脱模吸附系数不小于1.5),动力系数宜取为1.5。起吊之前,应尽可能多地移除模板零件,以便最小化模板粘附力。如果不施加额外作用力无法移除模板,可使用楔来减少黏附力。

5)控制吊索扩展角  吊运时,应采取措施保证起重设备的主钩位置、吊具及构件重心在竖直方向上重合;吊索与构件水平夹角不宜小于60°,不应小于45°;吊运过程应平稳,不应有偏斜和大幅度摆动。

6)作业前应对吊装预埋件和专用吊具进行检查,当确认各功能正常、完好时,再投入使用。

工程应用

1)案例1

北京市通州区马驹桥物流B东地块公租房项目,总建筑面积约16万m2,由10栋16层楼造成,自2层顶板开始进行PC构件拼装,实际供应楼梯板、预制叠合板、空调板、阳台板、内墙、复合保温外墙、PCF墙板、女儿墙等PC构件总约2.3万m3。预制复合保温外墙板采用了“外叶墙(60mm)+硬泡聚氨酯保温层(50mm)+内叶墙(200mm)”三层结构,设计传热系数0.45,清水混凝土外立面(见图9)。

图9 马驹桥公租房项目外立面

2)案例2

北京市海淀区温泉C03限价房转公租房项目,总建筑面积约8.4万m2,由4栋16层楼造成,1-16层使用了叠合板、楼梯板、楼梯梁、隔墙板等预制构件,4-16层使用了内、外墙板预制构件。预制复合保温外墙板采用了“外叶墙(60mm)+真空绝热板(25mm)+内叶墙(200mm)”三层结构,设计传热系数0.33,清水混凝土外立面(见图10)。

图10 温泉C03公租房项目外立面

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