全輕混凝土在建筑節(jié)能中的應(yīng)用
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全輕混凝土是用輕粗骨料、輕細(xì)骨料、膠凝材料和水配制而成的輕骨料混凝土。結(jié)構(gòu)保溫的全輕混凝土干表觀密度為800 kg/m3～1 400 kg/m3, 強(qiáng)度等級(jí)一般為LC7.5、LC10、LC15。在干燥狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)為0.23W/(m·K)～0.49 W/(m·K) , 比普通混凝土低1～7 倍。采用28 cm
厚的堿土陶粒全輕混凝土( 密度為1 200 kg/m3) 的外墻板, 其熱阻值相當(dāng)于49 cm 磚墻。全輕混凝土是一種既承重又保溫的材料。歐洲、美國等國家用全輕混凝土作墻板、屋頂板、小型空心砌塊等, 在高層及大跨度建筑中應(yīng)用。我國從20 世紀(jì)70 年代開始就在工業(yè)與民用建筑中推廣應(yīng)用全輕混凝土墻板。如工業(yè)廠房的外掛全輕混凝土墻板, 內(nèi)澆外掛的民用建筑外墻板, 全裝配建筑的外墻保溫墻板等。1979 年國家頒布的《工業(yè)廠房墻板設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》JGJ2- 79 規(guī)定了保溫墻板成為單一材料時(shí), 輕骨料混凝土強(qiáng)度等級(jí)不小于LC7.5, 密度不大于1 400 kg/m3, 并按密度等級(jí)給出了熱工指標(biāo)?！兑?guī)程》頒布后, 天津市建筑設(shè)計(jì)院與冶金部建筑研究院共同主編了全國通用《輕骨料鋼筋混凝土墻板》圖集于1979 年發(fā)行, 圖集墻板的全輕混凝土強(qiáng)度等級(jí)為LC10?！兑?guī)程》和圖集推動(dòng)了全輕混凝土在承重保溫構(gòu)件上的應(yīng)用。其后不少研究成果及工程實(shí)踐也證實(shí)了全輕混凝土在建筑工程承重保溫維護(hù)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的良好效果。
全國混凝土保溫承重構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)在LC7.5 到LC15, 現(xiàn)行《輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ12- 2006 規(guī)定: “鋼筋輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于LC15”, 但在條文說明中又有“用于自承重兼保溫的輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件, 其強(qiáng)度等級(jí)可適當(dāng)降低”的說明。 本文在全輕混凝土在建筑工程應(yīng)用實(shí)踐及試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上, 重點(diǎn)討論低強(qiáng)度等級(jí)( LC7.5～LC15) 密度為1 400 kg/m3 以下的全輕混凝土墻板的設(shè)計(jì)及構(gòu)造。 1 全輕混凝土的主要性能全輕混凝土由于使用的粗、細(xì)輕骨料不同種類較多, 本文僅就常用全輕混凝土主要性能作如下簡述, 其他全輕混凝土的性能可在專題研究報(bào)告中查得。 a.本文討論的全輕混凝土強(qiáng)度等級(jí)、密度列于表1[4]。 表1 常用全輕混凝土強(qiáng)度等級(jí)、密度
b.全輕混凝土在干燥條件及體積平衡含水率為6%時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)如表2[1]。 表2 全輕混凝土在干燥及平衡含水率時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)
 c.全輕混凝土的耐久性 由中國建筑科學(xué)研究院混凝土研究所等單位組成的輕骨料混凝土專題協(xié)作組在《輕骨料混凝土在保溫墻體中的應(yīng)用———綜合技術(shù)報(bào)告》中指出: 對于密實(shí)的全輕混凝土, 經(jīng)試驗(yàn)表明, 在正常使用條件下其抗碳化性能和對鋼筋保護(hù)作用是良好的, 鋼筋不需作防銹處理?？箖黾翱?jié)B性能不少地區(qū)也作過試驗(yàn), 均符合使用及相關(guān)規(guī)范要求。 2 全輕混凝土墻板試驗(yàn)研究 我國現(xiàn)行輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程對全輕混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)及構(gòu)造沒有條文表述, 為了在承重保溫構(gòu)件以及在工業(yè)及民用建筑上應(yīng)用, 一些單位進(jìn)行了全輕混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的試驗(yàn), 現(xiàn)簡述如下: 2.1 粉煤灰陶粒珍珠砂混凝土梁試驗(yàn) 1983 年天津市建筑設(shè)計(jì)院進(jìn)行了10 根陶粒珍珠砂混凝土梁與5 根普通混凝土梁對比試驗(yàn)。5 根陶粒珍珠砂混凝土梁斜截面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。由于設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程的變化, 本文僅列出二種材料梁的差異。 a.試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)制作 截面b×h=100 mm×200 mm, 梁長L=2.2 m。 梁底縱向受力鋼筋:
陶粒珍珠砂混凝土梁分三種: 2Φ8、2Φ10、2Φ12;
普通混凝土梁分二種: 2Φ10、2Φ23;
梁剪壓區(qū)上部鋼筋2Φ6, 長度為800 mm, 箍筋Φ6- 200;
混凝土強(qiáng)度等級(jí): 陶粒珍珠砂混凝土LC90～LC105;
普通混凝土: C90～C133;
加載位置: 三分點(diǎn)處, 二點(diǎn)集中加載。
b.梁正截面試驗(yàn)結(jié)果 將配筋相同、混凝土強(qiáng)度相近的陶粒珍珠砂混凝土梁( T) 與普通混凝土梁( P) 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較:出現(xiàn)垂直裂縫荷載: ( T) /(P)=0.72; 正截面破壞荷載: ( T) /(P)=0.75。
從上述比較看出: ( T) 梁出裂早, 出裂荷載為對比的( P) 梁出裂荷載的72%, ( T) 破壞荷載比( P) 低25%。 c.梁斜截面試驗(yàn)結(jié)果 梁剪彎段在外荷載作用下首先出現(xiàn)垂直裂縫, 隨著荷載的增加梁腹出現(xiàn)斜向腹剪裂縫, 并向加荷點(diǎn)發(fā)展, 貫穿壓區(qū)后梁破壞, 其特征與無腹筋普通混凝土梁相似, 破壞荷載為斜裂縫出裂荷載的1.56 倍, 陶粒珍珠砂混凝土中, 箍筋約束較差, 因而發(fā)揮作用不好抗剪強(qiáng)度比砂輕混凝土低。 2.2 陶粒珍珠砂混凝土工業(yè)墻板試驗(yàn) 1977 年天津市建筑設(shè)計(jì)院進(jìn)行了5 塊陶粒珍珠砂混凝土工業(yè)墻板試驗(yàn), 墻板跨度6 m, 混凝土實(shí)測強(qiáng)度等級(jí)為LC10～LC10.5, 設(shè)計(jì)按《工業(yè)墻板設(shè)計(jì)施工規(guī)程》( 送審稿) 給出的強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計(jì), 板的試驗(yàn)破壞荷載/計(jì)算破壞荷載=1.03～1.18, 裂縫寬度比計(jì)算值小, 墻板垂直方向變形很小, 水平方向變形, 按單向受彎構(gòu)件計(jì)算也符合規(guī)范要求, 但比較分散。 2.3 浮石混凝土工業(yè)墻板試驗(yàn)研究 1983 年黑龍江省低溫建筑科學(xué)研究所結(jié)合工程應(yīng)用對粗骨料為浮石, 細(xì)骨料為浮石砂及珍珠砂的4塊全輕混凝土工業(yè)墻板進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能及熱工性能試驗(yàn)。浮石全輕混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度值按課題組研究成果取值, 與當(dāng)時(shí)執(zhí)行的《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》TJ10-74 對比相同混凝土標(biāo)號(hào)的軸心抗壓強(qiáng)度乘0.9 降低系數(shù), 軸心抗拉強(qiáng)度乘0.85 的降低系數(shù)。試驗(yàn)板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為LC170 破壞荷載, 變形及裂縫均滿足《工業(yè)墻板設(shè)計(jì)施工規(guī)程》JGJ2- 79 的要求: 但在小結(jié)中還是建議: 浮石混凝土離散系數(shù)較大, 浮石混凝土強(qiáng)度乘0.73 系數(shù)降低。 3 全輕混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 自70 年代以來全輕混凝土在保溫兼承重的工業(yè)與民用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用證實(shí)了全輕混凝土是一種建筑節(jié)能的優(yōu)良材料, 為了在工程中能有效的應(yīng)用, 在研究以往工程應(yīng)用及試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上, 提出如下建議: a.全輕混凝土在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件中應(yīng)用的強(qiáng)度等級(jí)為LC7.5、LC10、LC15 這符合JGJ12- 2006 用于自承重兼保溫的輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件, 其強(qiáng)度等級(jí)可適當(dāng)降低的原則。 b.由于全輕混凝土缺乏系統(tǒng)的強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析資料,按現(xiàn)有的資料敘述如下: ?、貸GJ12- 2006 輕骨料混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值, 對于火山渣應(yīng)乘0.8。
?、趨⒖嘉墨I(xiàn)5: 輕骨料混凝土計(jì)算強(qiáng)度對用膨脹珍珠巖砂和粒狀礦渣砂制備的混凝土, 其計(jì)算強(qiáng)度( 軸心受壓、軸心受拉) 要降低15%。
③本文中浮石全輕混凝土工業(yè)墻板強(qiáng)度設(shè)計(jì)值比普通混凝土降低軸心抗壓強(qiáng)度乘0.9, 軸心抗拉強(qiáng)度乘0.85。結(jié)論中還建議再乘0.73 系數(shù)。
④陶粒珍珠砂全輕混凝土工業(yè)墻板, 按JGJ2- 79計(jì)算, 其強(qiáng)度指標(biāo)比普通混凝土降低軸心抗壓乘0.85, 軸心抗拉乘0.85。
?、萏樟Ｕ渲樯靶×涸囼?yàn), 陶粒珍珠砂混凝土梁破壞荷載低25%。
?、抟恍┭芯砍晒鸞5]對強(qiáng)度等級(jí)為LC10 及以下的輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)還提出一些特定的要求。
計(jì)算抗剪承載能力的橫向鋼筋, 彎起鋼筋的計(jì)算強(qiáng)度, 要乘以系數(shù)mα予以降低。 mα=0.5+0.005R ≤1
式中R —為混凝土的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)。
鋼筋的錨固長度增加15d; 受彎構(gòu)件中不得采用直徑大于20 mm 的鋼筋; 構(gòu)件吊環(huán)的錨固長度應(yīng)不小于45 d; 裂縫寬度計(jì)算值應(yīng)乘1.3 系數(shù); 其他尚有一些要求, 不作敘述。 c.JGJ12 - 99 規(guī)定強(qiáng)度值有LC7.5、LC10、LC15,JGJ12- 2006 規(guī)程僅有LC15, 強(qiáng)度有所降低, 可以將前者的LC7.5、LC10 的強(qiáng)度值修正后作為輕骨料混凝土強(qiáng)度指標(biāo), 再按本節(jié)資料分析后確定全輕混凝土降低幅度, 列出供設(shè)計(jì)使用的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值, 見表3。
表3 低強(qiáng)度等級(jí)輕骨料混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值/N/mm2d.按文獻(xiàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)全輕混凝土強(qiáng)度都應(yīng)有所降低, 在表3 的基礎(chǔ)上綜合分析, 建議軸心抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均降低15%較為合適, 見表4。 表4 全輕混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值/N/mm2
 e.其他參數(shù) ?、偃p混凝土彈性模量, 當(dāng)用密度小于300 kg/m3的膨脹珍珠巖砂制備的混凝土?xí)r應(yīng)乘以0.85[5]。全輕混凝土彈性模量, 可參照J(rèn)GJ12- 99 所列數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。 ?、谌p混凝土構(gòu)件斜截面受剪承載能力應(yīng)比砂輕混凝土降低15%。
?、廴p混凝土LC7.5、LC10、鋼筋錨周長度應(yīng)比砂輕混凝土增加15 d。
④其他參數(shù)可參照J(rèn)GJ12- 2006 規(guī)程, 必要時(shí)應(yīng)作試驗(yàn)驗(yàn)證。
4 結(jié)論 自70 年代以來眾多工程的墻板、屋面板中的應(yīng)用證實(shí), 全輕混凝土是一種承重保溫材料, 作工業(yè)與民用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。施工方便, 具有較好的技術(shù), 經(jīng)濟(jì)效益。 由于我國輕砂及超輕粗骨料品種, 質(zhì)量都不能滿足工程要求, 對全輕混凝土的應(yīng)用技術(shù)研究也不夠, 因此,近年來全輕混凝土應(yīng)用不多。為了發(fā)揮其保溫節(jié)能的作用, 建議有能力的廠家生產(chǎn)更多更好的輕砂, 及超輕陶粒, 擴(kuò)大全輕混凝土在建筑節(jié)能中的作用。 參考文獻(xiàn): [1] 《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ51- 2002[S].
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| 原作者： 高永孚 |
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