高原地区轻钢结构-泡沫混凝土自保温墙体设计
与制备研究
Research on the Design and Preparation of Light Steel Structure-Foam Concrete Self-thermal Insulation Wall in Plateau Area
张友来① ZHANG You-lai；邓安仲② DENG An-zhong
（①中国中铁航空港建设集团有限公司，北京 100093；②后勤工程学院军事工程管理系，重庆401311）
（①China Railway Airport Construction Group Co.，Ltd.，Beijing 100093，China；
②Department of Military Engineering Management，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China）
摘要：本文针对高原地区工程建设特点，设计新的轻钢结构-泡沫混凝土自保温墙体结构体系，研究掺加玻化微珠提高泡沫混凝土体积稳定性工艺及性能，对新型自保温墙体性能进行试验研究和工程应用。
Abstract: According to the characteristics of engineering construction in plateau area, a new light steel structure-foam concrete self-thermal insulation wall structure system is designed. This paper studies the process and performance of adding vitrified microsphere to improve the volume stability of foam concrete. The performance of new self-thermal insulation wall structure is studies by experiment and applied in engineering.
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关键词 ：高原地区；轻钢结构；泡沫混凝土；自保温墙体；设计制备；研究
Key words: plateau region；light steel structure；foam concrete；self-thermal insulation wall；design and preparation；research
中图分类号：TU391文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）20-0143-03
0引言
轻型钢结构建筑具有自重轻、工业化程度高、搭设灵活、施工速度快、抗震性能好等优点，在民用建筑领域发展很快。其外墙体一般采用以OSB板（定向刨花板）+轻质保温材料为墙体材料。但是高原地区温差大、光照强、雨季降雨量大，对建筑材料的温度变形、耐候性、耐潮性等要求高。OSB板+轻质保温材料体系难以满足工程要求。现浇泡沫混凝土自保温墙体是一种新型的建筑墙体形式，但传统泡沫混凝土技术用于轻钢结构现浇自保温墙体存在以下不足：一是工程现场制备干容重低于400kg/m3以下的泡沫混凝土的容重不易控制，导热系数偏高，导致墙体热工性难以满足自保温要求；二是低容重泡沫混凝土一次现浇高度较高时，易发生塌缩沉降。
1自保温墙体设计
1.1 墙体结构设计针对潮湿、多雨的气候条件和使用要求开发新的围护结构及材料，设计 “免拆钢模网+高性能轻质泡沫混凝土+ 免拆钢模网”新型轻型钢结构自保温墙体。结构示意图如图1所示。
1.2 性能设计
1.2.1 温度变形控制高原地区如西藏地区海拔3400米左右的地区，其最大昼夜温差可以达到30℃。传统的木、塑板材的温度线膨胀系数远大于钢结构的线膨胀系数，这容易引起墙体板温度变形偏大，从而增加墙体漏风、渗水的风险。墙体主要材料的温度线膨胀系数应该接近普通碳钢的线膨胀系数：12×10-6mm/m·℃（20℃～300℃）。
1.2.2 热工性能目前轻钢结构体系住宅采用的墙体厚度一般在10cm～15cm，高原地域一般属于寒冷和严寒地区， 建筑高度一般在4层以下。按照节能65%的要求，外墙的传热系数在0.45～0.7W/m2·℃左右。因此，墙体材料导热系数应控制在0.06～0.1W/（m·K）。
1.2.3 力学性能在设计中只考虑墙体轻钢龙骨结构承载力，而不考虑其中填充泡沫混凝土对建筑结构体系的增强作用。参考目前轻质保温材料强度较好的泡沫混凝土和无机保温砂浆的强度，强度要求可以设计为抗压强度应达到0.4～1 MPa。
1.2.4 施工性作为轻钢结构墙体现浇填充材料，复合泡沫混凝土应具有良好的自密实性能。同时，轻钢建筑施工速度较快，其建筑层高一般在2.7～3.3m。现浇泡沫混凝土一次浇筑高度应达到1.0～1.2m不出现明显塌缩，48h内达到浇筑一层的施工要求，以保证墙体浇筑施工进度。
2泡沫混凝土制备
由于施工浇筑需要，轻钢结构现浇墙体泡沫混凝土应具备更好的体积稳定性。干容重
＜350kg/m3的新拌轻质泡沫混凝土浆体内气泡体积比例很高，是浆体主要支撑组分之一。浇筑较高高度泡沫混凝土后，在浆体硬化具备一定强度前，浆体自重压力较大，气泡体积稳定性会受到破坏，产生体积塌缩。因此，本文采用掺加玻化微珠，降低相同容重情况下泡沫混凝土内部气泡体积比例，获得在较大自重压力情况下的体积稳定性，从而获得较高的浇筑高度。
2.1 试验材料①胶凝材料。选用重庆拉法基瑞安水泥有限公司42.5普通硅酸盐水泥。②玻化微珠。选用市售一级憎水性玻化微珠，干密度110~118kg/m3，颗粒直径0.15~1.5mm,吸水率44%。③引气剂。采用松香加碱皂化自制松香皂引气剂，固含量约37%。④发泡剂。市售植物蛋白复合液体发泡剂，发泡倍数约40倍，制备的泡沫密度在39～44g/L。⑤纤维。市售聚丙烯纤维。
材料配合比见表1。
2.2 材料制备按配合比称量好物料并按图2所示工艺流程制备泡沫混凝土，分别按试验要求达到试件干容重在350±20g/L范围内,并制备100×100×100mm，300×300×30mm试件，48h脱膜后20±2℃，100%湿度养护28天后进行测试。其中泡沫掺量以达到设计湿容重为标准。
试验制备的泡沫混凝土试样采用JC/T 266-2011《泡沫混凝土》规定试验方法测定干容重如表2所示。
2.3 性能测试
2.3.1 测试方法①导热系数。采用JC/T 266-2011《泡沫混凝土》规定试验方法测试导热系数。②强度测定。采用JC/T 266-2011《泡沫混凝土》规定试验方法测试抗压强度。③吸水率。采用JC/T 266-2011《泡沫混凝土》规定试验方法测试吸水率。④填充与沉降性。采用内径150mm，壁厚5mm，高度1200mm两端开口的透明有机玻璃圆管，直立于平整钢底板。试验中将浆料从圆管上端开口倾倒入圆管，浆料仅依靠自重填充圆管，观察浆料填充圆管情况。浆料填充至圆管上端口表面后，刮平齐上端口沿。静置30min后，测量浆料上表面与圆管上端沿口的距离d，沉降率按р=d/1200计算。
2.3.2 测试结果测试结果见图3。
综合确定FC25试样配合比满足性能设计要求，作为墙体基本配合比进行墙体试验研究。
3墙体制备与热工分析
3.1 墙体制备工艺墙体制备工艺流程如图4所示，墙体制备现场图如图5所示。
3.2 热工性能分析
3.2.1 墙体主要热工性能指标墙体热工性能在不考虑抹面砂浆、墙体装饰层及空气换热系数，只计算泡沫混凝土保温层的情况下，传热系数及热惰性指标如表3所示。
3.2.2 墙体热桥影响分析由于自保温墙体的轻钢龙骨外侧取消保温层，论文针对轻钢龙骨横向钢连接件部位（见图6所示）可能会产生的热桥问题进行计算分析。
计算的轻钢结构房每单位面积（1m2）墙体中有宽1mm，高50mm的贯通150mm墙体的8根钢条形成的热桥，计算简化模型如图7。
热桥总面积为：S热桥=8×0.001×0.05=4×10-4m2
整体传热系数增加率为：（K2/K1-1）×100=0.436%
传热量增加率为：（q2/q1-1）×100=0.439%
热桥部位的内表面温度（1mm厚）：
根据《民用建筑热工设计规范 GB 50176-93》当肋宽与结构厚度比α/δ小于或等于1.5时，围护结构热桥部位的内表面温度为：
即夏季钢条热桥部位的室内表面温度为27.98℃。
非热桥部位内表平均温度可按下式计算：
热桥部位与其他部位的温差为：Δt=27.98-27.37=0.61℃。
通过研究计算分析，结果表明冷热桥现象应该不明显。
4工程应用
自2012年来，采用FC25试样的基本配合比在四川省康定县新都桥镇（海拔3450.05m）某轻钢结构住宅工程进行了应用，施工过程如图8所示.施工过程一次性浇筑墙体高度为110cm，外墙厚度为15cm，现浇墙体轻集料复合泡沫混凝土现场留样的干密度为367kg/m3，导热系数为0.082W/（m·K），抗压强度0.63MPa，其施工、保温和耐久性等满足实际工程要求。
5结论
论文针对西南高原地区潮湿、多雨的气候条件和使用要求设计“免拆钢模网+高性能轻质泡沫混凝土+免拆钢模网”新型轻型钢结构自保温墙体。采用引气剂处理玻化微珠水泥浆料、后掺入泡沫方式制备轻钢结构自保温墙体泡沫混凝土的方法，制备出导热系数小于0.085W/(m·K)，抗压强度大于0.4MPa，每小时沉降率小于1.5%的泡沫混凝土，满足轻钢结构墙体材料施工速度的要求。对墙体热工性能达到高原轻钢结构住宅节能对墙体热工性能要求。
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