211166393_预制混凝土夹心保温墙板技术研究进展

2024年8月13日发(作者：中国十大橱柜)

工程建设与设计

Construction

DesignForProject

预制混凝土夹心保温墙板技术研究进展

ReviewonthePrecastConcreteSandwichPanels

王雅贤

，易国辉

，秦昌安

，张国伟

（1.北京建筑大学土木与交通学院，北京100044；2.中国建筑设计研究院有限公司，北京100044）

WANGYa-xian

,YIGuo-hui

,QINChang-an

,ZHANGGuo-wei

(gUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China;

rchitectureDesignResearchGroup,Beijing100044,China)

【摘要】

在“双碳”目标下，集结构、保温和装饰于一体的预制混凝土夹心保温墙板逐渐成为装配式建筑发展的必然趋势。预制混

凝土夹心墙板的力学性能一直是研究热点，随着我国对建筑节能要求的提高以及超低能耗概念的深入，墙板的高效保温性也受到

学者们的关注。论文对预制混凝土夹心保温墙板的平面外抗弯和平面内抗剪切的相关研究工作进行总结，探讨分析近年来墙板保

温效率的进展，提出现阶段的研究重点以及发展的方向。

揖Abstract铱

Precastconcretesandwichpanels(PCSPs)withmultiplefunctionshasgraduallybecomepopularunderthegoalof“double

carbon”,themechanicalperformanceofthePCSPshasalwaysbeenahottopicoftheresearch,thethermalperformanceofPCSPshasalso

attractedmoreattentionwiththedevelopmentofthestandardforenergyefficiencyofbuildingsandthedeepeningunderstandingofultra-low

persummarizestherelatedresearchworkofbendingandshearingresistanceofPCSPs,discussesthe

progressoftheinsulationefficiency,basis,providingtheideasfor

PCSPsdesigningandapplicationofPCSPsinultra-lowenergyconsumptionbuildings.

【关键词】

装配式围护结构；预制混凝土夹心保温墙板；力学性能；建筑节能

揖Keywords铱

fabricatedenvelope;precastconcretesandwichpanels;mechanicalperformance;buildingenergyefficiency

【中图分类号】TU761.1

2【文献标志码】B【文章编号】1007-9467（2023）04-0212-05

【DOI】10.13616/j.2023.04.065

1引言

近年来袁建筑能耗和碳排放量不断增加袁为秉持可持续发

构的安全性和保温性能对预制混凝土夹心保温墙板的挑战是

巨大的

[1-2]

遥因此袁有必要对墙板在全寿命周期中的力学性能进

行研究并分析影响墙板力学性能的主要因素袁以确保墙板设

计的安全可靠性遥此外袁保温材料对预制混凝土夹心保温墙板

在高节能标准中的发展十分重要袁高效保温材料的设计对墙

体的节能效果有显著影响袁可有效减小墙体厚度袁增加建筑使

用空间

[3-5]

遥

本文围绕预制混凝土夹心墙板平面外抗弯和平面内竖向

受剪的受力性能袁对墙板协同工作性和整体连接性两方面的

研究进展进行回顾遥其次袁针对墙板的保温性能袁分析真空绝

热板和气凝胶两种高效保温材料在预制夹芯保温墙板发展中

的优势并总结其特点以及近些年的研究进展遥以此综述内容

展理念袁实现野双碳冶目标袁资源消耗问题不容小觑遥在建筑结

构中袁围护系统能耗占比最大袁其外墙能耗更是达到60%的占

比遥而预制混凝土夹心保温墙板作为装配式建筑中的多功能

集成围护构件袁施工简单便捷袁绿色环保袁节能低耗袁符合我国

低碳环保的要求袁具有广阔的应用前景遥

随着我国节能标准的不断提高以及预制墙体向着更轻薄

的发展趋势袁在实现材料减少以及墙板集成化的同时保证结

【作者简介】王雅贤

（1997~），女，山西太原人，硕士在读，从事装配式

结构研究。

212

工程施工技术

ConstructionTechnology

为预制混凝土夹心保温墙板的发展提供设计参考遥增强材料渊FRP尧GFRP尧BFRP尧CFRP冤制成袁可分为非抗剪连接

件和抗剪连接件遥非抗剪连接件也称柔性连接件袁一般不能传

递剪力袁主要用于独立板中遥抗剪连接件也称刚性连接件袁在

预制混凝土夹芯保温墙板渊PCSPs冤通常由内叶混凝土板尧

外叶混凝土板尧保温板和连接件组成遥对于大多非承重的

PCSPs袁内外叶板一般使用钢筋混凝土墙板袁为避免钢筋的腐

蚀袁其厚度通常受环境和混凝土保护层厚度的限制遥目前袁使

用无腐蚀纤维网格布代替钢筋是一种常见的减小混凝土板厚

度的方式遥

从受力机理来看袁PCSPs需要承受自重尧风荷载尧地震尧温

度等作用遥水平地震作用和风荷载引起的水平方向受力可归

结为构件平面外抗弯能力遥竖向地震作用和构件自重引起的

竖向受力可归结为墙板的抗剪能力遥

PCSPs中提供较高的抗剪能力袁有离散点式尧连续式和双向抗

剪式

[12]

遥通常通过单板剪切或双板剪切抗剪试验对墙板和连

接件的抗剪能力进行研究遥

金属板状连接件墙板的单板剪切试验中袁大部分连接件

在加载中出现了屈曲

[13]

渊见图1冤袁增加连接件的厚度可显著

改善连接件因屈曲而失效的可能性遥随着连接件埋置深度

的增加袁其抗剪能力和刚度都得到了提升遥保温板的置入也

会提高连接件的屈服强度和极限强度袁从而提高墙板的抗剪

能力遥

2预制混凝土夹心保温墙板研究

2.1墙板协同工作性能研究

墙板的复合程度被认为是确定墙板强度和刚度的最可靠

的方法袁根据其复合程度可分为复合式尧部分复合和独立式墙

板遥一般来说袁在相同荷载条件下袁复合程度越高袁墙板的应力

应变越小袁协同性较好遥通常通过抗弯试验来判断墙板的平面

外受力特点以及复合程度遥抗弯试验可通过3点尧4点尧6点或

均布荷载进行加载遥

连接件的类型对墙板的复合程度和抗弯性能有很大影

响遥与针形连接件相比袁使用网格形连接件的墙板的承载力尧

刚度和延性都有显著的提高袁且保温层刚度越大袁连接件对墙

板的极限荷载和刚度的作用越大

[6]

遥使用连续型连接件的墙板

比使用离散型连接件墙板的初始刚度大袁且提高连接件刚度

会提升墙板的复合程度

[7-8]

遥针对离散型连接件墙板的试验研

究表明袁墙板在开裂荷载前的符合程度较低袁复合作用主要来

自保温板和混凝土板间的摩擦袁几乎不受连接件的间距和横

截面面积的影响遥而在极限阶段袁可通过增大截面面积或减小

连接件的间距来提高墙板的符合程度

[9]

遥连续型桁架连接件试

验研究表明袁减小桁架连接件的间距对于墙板的承载能力的

作用不显著袁但会影响其变形能力

[10]

遥此外袁连接件本构及布

置方式会对墙板的抗弯性能造成影响袁延性低的连接件会显

著降低墙板整体变形能力和强度

[11]

遥

图1

b拆除绝缘材料后板屈曲

a外部混凝土旋转

连接件的屈曲渊图片来自参考文献[13]冤

网格型GFRP连接件墙板的试验研究表明袁墙板面内剪

切行为主要受混凝土板与保温板间的黏结强度的影响袁几乎

不受网格间距的影响

[14]

遥在加载中袁墙板随着黏结失效而出现

滑移渊见图2a冤袁带有EPS保温板的墙板在加载中还出现了剪

切裂缝渊见图2b冤遥但保温材料对墙板抗剪的影响还未有准确

的结论遥

213

2.2墙板整体连接特性研究

墙板的抗剪性能依赖于保温板与内外叶混凝土板之间的

摩擦以及连接件的抗剪能力遥连接件通常由金属材料或纤维

工程建设与设计

Construction

DesignForProject

b波纹板失效

a墙板滑移

c六边形柱状失效

图3平板、波纹板、六边形连接件失效模式

渊图片来自参考文献[16]冤

2.3

b墙板剪切裂缝

高效保温设计研究

随着我国对超低能耗建筑的重视袁预制夹芯墙板的高效

图2网格型连接件墙板试验渊图片来自参考文献[14]冤

保温设计逐渐成为研究的重点遥墙板的保温性能通常通过传

热系数[W/渊m

窑K冤]来量化遥在设计PCSPs的保温性能时袁参考

GB50176要2016叶民用建筑热工设计规范曳

[17]

中传热系数计算

公式(1)遥

+R+R

渊1冤

波纹型GFRP连接件的墙板抗剪性能试验结果表明袁连

接件锚固深度和直径会影响墙板的抗剪强度

[15]

遥当锚固深度

较小时袁墙板会出现连接件的拔出破坏遥锚固深度到达一定值

后袁墙板的强度随着连接件的直径的增大而提高袁破坏模式基

本为连接件的断裂破坏袁且保温材料对墙板剪切强度没有影响遥

平板尧波纹板和六边形柱状GFRP连接件在剪切试验中

的破坏模式均为拉伸断裂

[16]

渊见图3冤遥虽然FRP具有脆性破

坏的特点袁但这3种连接件均表现出逐渐失效的特点遥六边形

柱状连接件作为双向抗剪连接件袁也被认为在PCSPs中具有

良好的应用潜力遥

式中袁U为墙体传热系数袁W/渊m

窑K冤曰R

为外叶墙板热阻值袁

窑K/W曰R为保温材料热阻值曰R

为内叶墙板热阻值遥

超低能耗建筑对外墙的节能标准可参考GB/T51350要

2019叶近零能耗建筑技术标准曳

[18]

袁为提升墙板的节能效率袁重

点在于高性能保温材料的设计遥市面中常见的有机保温材料

有挤塑聚苯乙烯保温板渊XPS冤尧聚苯乙烯保温板渊EPS冤尧石墨

聚苯板渊SEPS冤和聚氨酯保温板渊PUR冤遥常见的无机保温材料

包括岩棉尧玻璃棉尧珍珠岩和泡沫玻璃等遥这些传统保温材料

虽具有一定的保温性能袁但与新型保温材料相比袁新型材料的

导热系数更低遥为达到超低能耗传热系数标准袁传统保温材料

厚度往往在200mm以上袁而新型材料只需50mm左右袁以相

对较薄的厚度就能达到节能标准要求遥因此袁新型材料的发展

a平板失效

以及在PCSPs中的应用前景受到了学者们的关注袁并基于材

214

工程施工技术

ConstructionTechnology

料特性袁不断优化材料的保温尧防潮和耐久等综合性能袁扩大

新型保温材料的应用范围

[19]

遥

真空绝热板渊VIPs冤主要由核芯材料尧阻隔膜和吸气剂组

成

[20]

袁不仅导热系数低袁还绿色环保遥混杂复合芯材的VIPs绝

热性能更好袁使用寿命更长袁是未来高性能VIPs发展的趋势

[21]

遥

VIPs中的阻隔膜导热系数在高温环境下随时间而明显增长袁

影响VIPs的使用寿命

[22]

遥为降低温度对VIPs的影响袁温度变

化较大的一侧可使用附加保温层来保护VIPs

[23]

遥考虑到真空

绝热板易破损和易受到温度影响的特性袁在预制夹芯真空保

温墙板中添加了泡沫保温板袁可实现墙板的轻薄和高效保温

[24]

遥

较高的碱性环境也会导致VIPs的导热率增大

[25]

遥因此袁当VIPs

与混凝土板或其他高碱性材料结合安装时袁应保护好阻隔膜袁

避免在运输和安装过程中受到机械损坏遥为研究热桥效应对

VIPs保温性能的影响袁以气凝胶作为连接组件是优化VIPs热

性能的一个有效的解决方案

[26]

遥

气凝胶的密度和导热系数低袁抗压强度大袁在寒冷地区有

极大的应用价值袁可应用于隔热涂料尧混凝土砂浆和节能门窗

等方面遥但气凝胶的抗拉强度低且成本较高袁通常与玻璃尧矿

物尧碳纤维或砂浆等材料复合来提高材料性能

[27]

遥复合气凝胶/

膨胀珍珠岩保温材料降低了吸水性袁可提高了材料保温性能

和耐久性

[28]

遥一种低成本石英纤维二氧化硅气凝胶复合材料

则提高了材料的力学性能

[29]

袁也是一种可供选择的方案遥气凝

胶还可用作真空绝热板的核心材料袁真空绝热板的热导率随

气凝胶密度的增大而增大袁使用寿命随气凝胶密度的增大而

减小

[30]

遥

除考虑保温材料的设计外袁PCSPs的热桥效应也影响着

墙板保温性能袁热桥通常发生在连接件的位置袁而金属连接件

的传热率较高袁易形成热桥遥因此袁采用导热率低的纤维增强

连接件是近年来的研究热点遥此外袁采用含有尼龙材料的连接

件

[31]

以及在钢板表面布设一层保温塑料的方式

[32]

袁同样可以降

低连接件的导热系数袁减弱热桥效应遥

PCSPs的协同受力尧抗弯性能和抗剪切性能有重要作用袁还影

响着墙板的保温性能遥不同种类和形式的连接件袁其墙板的受

力性能尧破坏形式和热桥效应也不同袁未来可根据连接件的材

料尧形式以及受力特点进行重点研究袁实现连接件的创新和发

展的同时可提升墙板的力学性能遥达到预制夹芯保温墙板的

创新发展遥

2冤为到达墙板高效保温且厚度最小化袁PCSPs与新型保温

材料的结合应用是未来的研究重点袁需根据材料特性不断提

升保温材料的综合性能袁扩大应用范围遥对于VIPs而言袁其施

工过程中的成品保护与质量检测相对困难袁在工程应用中的

耐久性也需进一步验证遥未来需在核芯材料尧抽空工艺尧封装

工艺尧耐久检测与快速检测等技术方面深入研究袁还需对其使

用环境进行评估袁必要时添加额外的保温层或其他技术手段

来保护VIPs曰而气凝胶极低的抗拉性能和高成本是其发展中

的阻碍袁未来可通过材料复合的方式来优化气凝胶的性能袁不

断完善其制备工艺袁降低生产成本遥在此基础上袁设计选择合

适的连接件袁符合受力要求的同时有效防止热桥袁真正实现预

制夹芯墙板在发展中实现轻薄且高效保温的目标遥

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3结论与展望

1冤在探索预制混凝土夹心保温墙板的创新发展过程中袁

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离不开对其力学性能和保温材料的研究遥通常通过墙板的抗

弯试验来研究墙板协同工作的性能袁通过剪切试验研究墙板

的整体连接性能袁为墙板的安全可靠性提供判断依据遥其中袁

连接件对预制混凝土夹心保温墙板的影响举足轻重袁不仅对

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【收稿日期】2022-10-21

216

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