轻质复合墙板发展及其试验进展研究综述

A Research Overview of the Development of Lightweight Composite Wallboard and Its Experimental Progress

摘要: 轻质复合墙板(Lightweight Composite Wallboard, LCW)近些年在建筑领域受到广泛关注。目前LCW在抗震、抗冲击等领域研究相对比较广泛，但在耐火性能方面比较匮乏，所以，LCW在火灾作用下的耐火性能表现将是研究的重点问题，本文综述了LCW的不同组成结构及其墙板特性，以及近几年关于LCW的试验研究进展，包括抗蚀，抗剪试验，保温性能等，并主要对其耐火性能进行总结。本综述将对今后建筑领域相关人员探索创新复合墙板关键技术，并明确未来研究方向起到积极作用。

Abstract: Lightweight Composite Wallboard (LCW) has attracted extensive attention in the field of construction in recent years. At present, LCW is relatively extensive in the fields of seismic resistance and impact resistance, but it is relatively lacking in fire resistance performance, so the fire resistance performance of LCW under fire action will be the focus of research, this paper reviews the different composition structures of LCW and its wallboard characteristics, as well as the experimental research progress of LCW in recent years, including impermeability, bending test, thermal insulation performance, etc., and mainly summarizes its fire resistance performance. This review will play a positive role in exploring the key technologies of innovative composite wallboards in the field of construction in the future, and clarifying the future research directions.

1. 引言

随着新型建筑材料和产品的快速发展，以及对现有“传统”材料和产品的改进，建筑行业正在发生革命性的变化，墙体材料的保温性能及耐火性能对建筑的能耗和热舒适性和安全性有着深远的影响[1]。在当下，外墙面板是建筑物外部防护结构的主体，其隔热、节能效果一般不佳。轻质复合墙板相对于传统混凝土墙体结构，具有轻质、高强、保温隔热、耐火系数高、施工简便及可模块化制造等优点[2]。近年来，在复合墙板的发展进程中也出现了许多新颖具有创新性的材料，例如高性能纤维增强水泥基复合材料及新型高性能混凝土等[3]。本文讨论了当今轻质复合墙板的发展和创新，此外，为了更好地了解在所有气候条件下促进更好的宜居环境的可变方面，还介绍了热导率、耐火性能、声学性能和抗腐蚀性环境等功能特性[4]，本文主要内容包括以下几个方面：首先对轻质复合墙板的种类和组成进行概括，介绍了相关力学性能及功能特点，对其不同类型墙板的耐火性能[5]进行比较总结，详细回溯了近几年相关领域的各种试验研究，对未来该领域研究方向提出积极建议。

2. 墙板种类组成

2.1. 泡沫混凝土复合墙板

Figure 1. Lightweight foam concrete composite wallboard

图1. 轻质泡沫混凝土复合墙板

泡沫混凝土复合墙板(图1)相对于传统混凝土墙体结构，具有轻质、高强、保温隔热、耐火系数高、施工简便及可模块化制造等优点[6]。对于泡沫混凝土而言，除了具有普通混凝土所没有的轻质、保温、隔音、高强度比、高流动性[7]等特点外，还具有有机泡沫所没有的不燃特性，使其在建筑节能保温、隔音防火墙、道路加宽和煤矿防灭火等工程中均得到较广应用。低密度的泡沫混凝土虽然具有良好的保温性能[8]，但其强度较低，难以实际将泡沫混凝土与其他材料[9]复合，制成复合墙体材料，可使之既具有良好的保性能，又具有良好的力学性能，是目前研究的热点和方向。更重要的是，丰富的孔隙改善了固体混凝土的热、声和防火性能，从而使多孔结构具有应对不同气候条件的能力[10]。

2.2. 高纤维增强水泥基复合墙板

高性能纤维增强水泥基复合材料是以水泥浆或砂浆为基体，以纤维为增强材料的复合材料[11]，具有高延性、高耐久、裂缝宽度小且裂缝能够自愈合等特点。近年来，高性能纤维增强水泥基复合材料因其具有防止或减少裂缝、改善长期工作性能、提高变形能力和耐久性等优点得到了广泛的应用，并且都取得了良好的效果。程宝军[12]等对其的耐火性能加以研究，设计制备了一种高性能自保温复合墙板，研究了其热工性能、耐火性能及高温下的物相组成与微观形貌变化，得到了复合墙板的传热阻随着填充的泡沫混凝土密度等级的降低而增大，传热系数最低为0.77 W/(m²·K)，并且传热系数的计算值与测试值相差不大；复合墙板的燃烧性能为A1级，属于不燃材料，耐火极限达3 h (图2)。

(a) (b)

Figure 2. SEM photos of foamed concrete before and after fire resistance test. (a) Before fire resistance test; (b) After fire resistance test

图2. 耐火极限测试前后泡沫混凝土的SEM照片。(a) 耐火极限测试前；(b) 耐火极限测试后

2.3. 玄武岩纤维增强泡沫混凝土复合墙板

在拌合物中掺入纤维被证明能有效提升泡沫混凝土的强度(图3，图4，表1)。研究表明，相比天然纤维、钢纤维或是聚合物基纤维，玄武岩纤维具有耐腐蚀性、耐温性、耐磨性以及优异的吸能性能[13]，玄武岩纤维增强泡沫混凝土(BFRFC)具有显著优势。Bayraktar [14]等利用工业废料和玄武岩纤维制成泡沫混凝土复合材料，研究了其孔隙率、吸水率、导热性能和干缩性能等。而且在泡沫混凝土中掺入玄武岩纤维可有效抑制裂纹发育。周程涛[15]等对密度等级1000 kg/cm³的玄武岩纤维增强泡沫混凝土开展了X-CT试验及单轴压缩–声发射联合试验，分析了纤维及孔隙的细观结构特征以及材料损伤演化特性。结果表明：掺入玄武岩纤维可有效改善泡沫混凝土力学性能[16]。在其他性能方面，玄武岩纤维增强泡沫混凝土复合墙板仍有待于进一步研究。

除此之外，随着绿色建筑材料的兴起，绿色建筑理念也逐渐深入人心[17]，木塑复合材料这种新型建筑材料正被逐渐广泛应用[18]。木塑复合材料是利用天然植物纤维填料和塑料为主要原料，应用植物纤维改性、塑料改性及改善界面相容性等众多技术手段，将废弃的天然植物纤维与废旧塑料等进行熔融，之后再加工成型的一种绿色环保、环境友好新型材料。在建筑墙板的应用方面，木塑复合材料在成本、性能以及对环境的影响方面都具有较大的优势，具有广阔的应用前景。木塑复合材料在建筑墙板中的应用，能够有效缓解木料、钢材等资源紧缺的情况[19]，与可持续发展战略相适应[20]。同时，木塑复合材料具有高强度、高稳定性等特点，大大降低了建筑成本[21]。

Figure 3. Effect of different BF/PPF dosages on concrete compressive strength

图3. 不同BF/PPF掺量对混凝土抗压强度的影响

Figure 4. Stress-strain curve of concrete with 0.12% fiber content

图4. 纤维掺量0.12%混凝土应力–应变变化曲线

Table 1. Proportioning of polypropylene fiber foam concrete

表1. 聚丙烯纤维泡沫混凝土的配比

No.	Cement/kg	Sand/kg	Fiberdoping amount/%	Polypropylene Fiber/kg	Foaming Agent/kg	Water/kg	Water-reducing
1#	317	310	0	0	0.476	155	0.465
2#	317	310	0.3	0.951	0.476	155	0.465
3#	317	310	0.6	1.902	0.476	155	0.465
4#	317	310	0.6	2.853	0.476	155	0.465
5#	317	310	1.2	3.804	0.476	155	0.465

3. 试验研究进展

3.1. 抗蚀实验

任大鹏[22]对高强度聚丙烯纤维泡沫混凝土的抗蚀性能进行了分析，以P.O42.5普通硅酸盐水泥和十二烷基硫酸钠发泡剂为基体材料，聚丙烯纤维为掺杂相，制备了不同纤维掺杂量的泡沫混凝土，研究了聚丙烯纤维掺杂量对泡沫混凝土力学性能[23]、收缩性能、导热性能和抗蚀性能的影响。结果表明，适量聚丙烯纤维的掺杂改善了泡沫混凝土的气孔均匀性，使气孔尺寸变小，连通孔和大孔数量减少，纤维穿插于混凝土水化产物之间，与浆体结合紧密。适量聚丙烯纤维的掺杂有效抑制了泡沫混凝土的开裂和收缩，提升了其导热性能和抗蚀性能。

3.2. 保温试验

在保温性能方面，王雪[24]等通过对两组蒸压加气混凝土复合保温墙板和1组蒸压加气混凝土复合保温墙板系统的抗弯试验，通过理论分析和试验计算，在建立合理假定的基础上，蒸压加气混凝土复合保温墙板作为非组合墙板时，分析了内外叶板跨中截面内力分布和应力、应变分布，提出了内外叶板 弯曲正应力计算方法。根据试验验证，证明了墙板及连接节点满足设计要求。曹婷等以轻质高强型材料为例，针对装配式建筑物的抗蚀性能展开研究。采用温升控制法，分别从热惰性指标、硬度指标两个方向着手，研究腐蚀作用的完整表现过程，并以此为基础，分析轻质高强型建筑物材料的抗腐蚀能力[25]。结果表明，在酸性溶液浓度相同的情况下，所选材料的热惰性越强、硬度水平越高，其对于腐蚀性作用的抵抗能力就越强，在腐蚀反应过程中的放热量也就越少[26]。

3.3. 抗剪试验

郭孟攀[27]等为研究夹心保温复合墙板GFRP拉结件的承载力和挠曲变形(图5)，以不同厚度的保温层为试验变量，开展了6组单根GFRP-Y型拉结件的抗剪试验及数值模拟，结合理论分析，保温层厚度从70 mm增加至90 mm时，试件的极限抗剪承载力减小了23.5%；达到极限承载力的同时，试件的挠度增加了12.0%。考虑保温层对拉结件作用，引入系数K进行挠度修正，提出单根GFRP拉结件考虑保温层时的挠度简化计算公式，为工程计算外叶板位移提供理论依据。王立军[28]等，对一种新型材料的复合夹芯保温板进行了剪切试验，以不同连接方式的保温板在受剪工况下进行研究。研究结果表明，使用ＦＲＰ连接件时，保温墙板力学性能符合安全使用条件，采用有限元进行分析，结果与试验数据基本吻合。

4. 耐火试验进展及总结

建筑物的防火是至关重要的[29]，因为它直接影响到人们的安全和建筑物的使用寿命。近年来，装配式轻质复合墙板的发展和研究在建筑物耐火性能以及热导率等方面也取得了一定进展[30]。目前已有的各种复合材料的热导率预测模型几乎都不涉及填料之间的界面热阻，因此发展新的涉及填料之间的接触面积和键接强度的热导率[31]预测模型对于高导热复合材料的设计和制备具有理论指导意义。吴可铮[32]对常温至800℃温度下两个密度等级(A06、A07级)的泡沫混凝土的高温下热物理性能进行了研究，结果显示：有限元模拟温度场与试验值吻合良好。泡沫混凝土密度越低，整体耐火隔热性能越好；含水量是影响泡沫混凝土构件高温下温度场的关键因素，含水量越大，水分迁移温度平台越长，背火面温度越低；泡沫混凝土条板受火后仍具有较高的剩余力学性能。周学军[33]等对新型承重围护保温一体化墙板进行耐火性能试验研究，探究了保护层厚度和墙板耐火极限之间的关系，得到保护层厚度和墙板耐火极限之间关系式。研究结果表明：300 mm厚墙板的耐火极限可达5.7 h；墙板砂浆保护层厚度是影响其耐火性能的主要因素，保护层越厚，背火面温度越低，耐火性能越好(图6)。

Figure 5. GFRP anchor specimen loading device diagram

图5. GFRP拉结件试件加载装置图

Figure 6. Test heating curve

图6. 试验升温曲线

Linghua Shen [34]等揭示了一种新型纺织钢筋混凝土(TRC)全尺寸自保温夹层墙板的耐火性能，火中测试了两个足尺未填充试件和十个足尺夹层壁试件。探讨了胶凝材料类型、芯层厚度、TRC板厚度、增强材料类型、外加短聚丙烯纤维(PP)以及防火涂层类型等因素对试件耐火极限[35]和破坏特征的影响(表2)。采用防火涂层，可以有效提高试件的耐火性能。最后，在abaquus6.10软件上模拟了试样在火灾中的传热过程。模拟结果与实测结果吻合较好。史卓鹏[36]等通过对泡沫混凝土防火外墙板抗弯性能和耐火性能试验研究，建立强度计算公式，通过理论计算与试验结果，验证了泡沫混凝土防火外墙板承载力、刚度以及耐火性能[37]满足变电站墙体材料常用荷载要求，墙板的厚度与泡沫混凝土干密度等级与耐火极限之间有正相关关系，干密度等级为A09的泡沫混凝土，且墙板厚度为150 mm，可有效防止墙板遭受破坏。Ali A. Sayadi [1]研究了发泡聚苯乙烯(EPS)颗粒对泡沫混凝土耐火性能、导热性能和抗压强度的影响。泡沫(FC)和聚苯乙烯泡沫(PFC)混凝土的设计密度范围为1200 kg/m³至150 kg/m³，EPS体积范围为0%~82.22%，水灰比为0.33。设计了密度为800 kg/m³、EPS体积为0%的泡沫混凝土(FC)作为聚苯乙烯泡沫混凝土[38]的参考材料。结果表明，EPS体积的增加会显著降低混凝土的导热系数、耐火强度和抗压强度。Zhou [39]等研究了金属夹芯板在溢火羽流过程中的熔化特性和火蔓延行为评估了不同拼接模型金属夹芯板立面的火灾风险。研究发现，在窗户溢出火灾中，当火源中线没有拼接缝隙时，窗户上方的峰值温度最低。在立面系统中，金属夹芯板的宽度与最高温度呈反比线性关系。当板的高度降低时，窗户上方板的加热速率增加。结合近年来关于轻质复合墙板耐火性能[25]方面研究，可发现相关研究大部分使用了有限元分析软件进行数值模拟，相对匮乏的耐火性能研究方面取得了一定的研究成果，但对于如何提高轻质复合墙板耐火性能，使其在建筑领域有更好的应用表现，此方面研究还需进一步加强。

Table 2. Dimensions of internal components

表2. 内部构件尺寸

构件名称	尺寸/mm
H形钢梁	250 × 125 × 6 × 9
方钢管混凝土柱	200 × 200 × 8
墙板内C形钢	250 × 80 × 20 × 2.75

5. 未来发展展望

轻质复合墙板由于其显著的优点，其应用已经发展了多年，并且正在增加在未来的工作中还需要考虑其他方面的问题，可以总结为以下几点：

1) 泡沫混凝土墙板作为建筑轻质墙板的主要类型之一，既可以推进预制装配式构件的蓬勃发展，又是实现未来绿色住宅工业化的研发方向，发展轻质复合墙板是实现未来住宅工业化和绿色建筑节能环保的大势所趋。

2) 以往的工作更多地集中在复合墙板的力学性能方面，对墙板耐火性能的研究进展相对缓慢，目前，已有科研人员将一些新型材料加入到建筑墙体中来研究耐火极限相关指标的变化，但仍需进一步研究。

3) 以往的工作更多地集中在复合墙板的力学性能方面，对墙板环境性能评价的研究相对有限。

4) 对泡沫混凝土墙板结构的细部构造以及墙板接缝之间的隔热、防水处理进行优化升级，采用耐火性能好、膨胀收缩小的密封材料作为墙板的辅助链接，使墙体整体兼备良好的热工性能，以进一步提升房屋的舒适度。

5) 轻质复合墙板仍处于蓬勃发展阶段，在未来开发新型高性能LCW，对于LCW的生产工艺进行一定优化，这对于拓展LCW在现代工程的应用领域以及为研究人员明确研究方向具有积极意义。