改性水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体建筑体系

------一种可替代传统保温墙体的新型保温结构一体化建筑体系

董士文¹，邵才仁²，王波²，纪社建³

(1、青岛市建筑工程质量监督站，山东 青岛266071；2、山东正仁集团有限公司，山东 龙口265716；

3、青岛国立设计院有限公司，山东 青岛266071) 

摘 要：水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体保温结构一体化建筑体系，是一种集轻质、保温、承重、防火、隔音、抗震、耐久和环保等多功能于一体的，不同于传统建筑保温墙体结构形式的新型复合墙体建筑结构体系。该墙体彻底消除了建筑保温的火灾隐患，并可适用于75%及以上节能标准和50年以上的使用寿命。该墙体不仅可以作为承重保温墙体用于多层民用建筑，还可作为非承重保温墙体用于混凝土框架和框架剪力墙及钢结构建筑的围护墙体。

关键词：改性水泥聚苯模壳砌块；水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体；纳士塔（RASTRA）墙体；水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体保温结构一体化建筑体系；承重保温墙体；非承重保温墙体；

Structural and thermal insulating integration building based on modified EPSC from latticed concrete walls and its building system

----------Introduced a new alternative to traditional thermal insulation wall insulation structure integrated construction system

DONG Shi-wen¹ SHAO Cai-ren² WANG Bo² JI She-jian³

 (1、Qingdao Construction Engineering Quality Supervision Station，266071，Qingdao， Shandong ，China；2、Shandong ZhengRen Group Co., Ltd., 265716，Longkou，Shandong，China；3、Qingdao GuoLi Design Institute Co., Lid, 266071，Qingdao， Shandong ，China)

Abstract: The building system with the integration of structure and thermal insulation based on EPSC form latticed concrete wall, combines the features of light weight, thermal insulation, load-bearing, fire prevention, sound insulation, seismic resistance, durability, and environmental protection. The novel composite wall structure of the building system differs from traditional structures and thermal insulation solutions significantly, as it eliminates the potential fire hazard of the insulation layer and meets the standard of 75% energy saving during its service life of more than 50 years. The building system can be used not only as load-bearing walls with thermal insulation for multistory buildings, but also can be used as infilled walls with thermal insulation for concrete frame, shear wall-frame and steel structures.

Key words: Modified cement foamed polystyrene particles block; expansive polystyrene granule cement(EPSC) latticed concrete wall; RASTRA wall; Structural and thermal insulating integration building system based on EPSC from latticed concrete wall; Bearing insulation wall body; Not bearing insulation wall body;

1  前言

发展新型墙体保温材料和推广节能建筑工作是我国节能减排工作的重要组成部分，也是我国节约资源促进经济发展的基本国策。因此，墙体节能保温工作已成为建筑发展要解决的重要研究课题。

当前我国的外墙保温体系，主要使用的是有机保温材料。这些材料存在易老化、耐久性差，使用寿命短，系统易开裂、渗水和脱落等问题，使用维护费用较高。更严重的是这些材料防火性能差、易燃烧，并能释放出有毒烟雾，对建筑物和人民生命财产安全危害较大。

随着我国建筑节能标准的不断提高，目前北京、天津、河北、新疆等地已将住宅建筑的节能标准从65%提高到75%，山东省2015年5月1日起也将实施75%的节能标准。传统墙体材料和保温结构体系已不能适应节能新形势的发展要求。研究开发质量轻、保温性能更好，既能承重，又能防火，施工方便，造价又低，耐久性良好，使用寿命更长的新型保温墙体材料，是解决这一矛盾的世界性研究课题。

山东正仁集团有限公司遵循上述指导思想，根据国家建筑节能发展方针，与多所大专院校，科研单位合作，经过多年努力，研发完成了具有国内领先、国际先进水平的 “改性水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体建筑体系”，为我国发展新型保温结构一体化建筑体系和实施高标准（≥75%）节能建筑做出了重要贡献。

2  应用领域和技术原理

“改性水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体建筑技术”是由改性水泥聚苯模壳砌块生产技术及装备和格构式混凝土墙体保温结构一体化装配式建筑体系两部分组成的。该体系是集轻质、保温、承重、防火、隔音、抗震、耐久和环保等多功能于一体，不同于传统保温墙体结构形式的新型复合墙体装配式建筑结构体系。目前该墙体不仅可以作为承重结构的保温墙体用于多层民用建筑；还可作为非承重结构保温墙体用于混凝土框架和框架剪力墙及钢结构建筑的围护墙体。

该体系是利用改性水泥聚苯颗粒材料，在工厂预制成一个带空腔的模壳砌块（见图1），施工时用模壳砌块组砌装配成格构式混凝土墙体的模板，并在空腔内按要求配置钢筋后浇筑自密实混凝土，所形成的复合墙体（见图2）内外两面的模壳是连续无冷、热桥的墙体保温层，模壳内的格构式钢筋混凝土是墙体的承重部分，巧妙地解决了墙体既要保温又要承重的难题。

这种墙体是解决困扰我国节能建筑在防火、保温、承重和耐久等方面诸多难题的一种较科学的创新设计方案。

1、模壳结构复合墙体；2、除去模壳的混凝土构架；3、拆除混凝土后的钢筋网

图1、工厂预制的模壳砌块        图2、格构式混凝土复合墙体的结构构造

3  国内、外技术发展现状

3.1 国外的发展和应用

水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体在国外称作纳士塔（RASTRA）建筑体系，是奥地利RASTRA公司发明的建筑技术，在欧洲和北美等十几个国家已应用了四十多年，目前国外主要应用于非抗震区域的2～3层的民用住宅建筑。

3.2  国内的发展和应用

2002年，建设部召开了纳士塔（RASTRA）建筑体系研讨会，研讨在我国如何推广该体系。2004年，中国建筑科学研究院根据国外技术资料，对芯孔间距为400mm的模壳墙体和3层实体建筑进行了试验研究，编制了CECS173:2004《水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体住宅技术规程》，但当时没有建成建筑实物。

2008年，沈阳春宸新型建筑材料制造有限公司与大连理工大学合作，进行了模壳墙体（芯孔间距为300mm）结构抗震试验，编制辽宁省DB21／T1869－2010《水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体建筑技术规程》的地方标准，并在辽宁省建设了多栋多层民用建筑。 2013年12月黑龙江省编制了DB23/T 1538-2013《水泥聚苯颗粒模壳格构式混凝土墙体建筑技术规程》的地方标准。目前北京和吉林省也出台了该体系的地方标准和技术规程。

3.3  山东省的发展和应用

2003年，山东正仁集团与外国公司合作，谈判引进奥地利RASTRA公司模壳生产线，因当时国内无相关技术规范而搁置。2009年，正仁集团旗下的龙口正仁节能新型建材有限公司与国内科研单位合作，在CECS173:2004提出的水泥聚苯颗粒物理力学性能指标^[1]的基础上，结合国内外发展经验和教训，对水泥聚苯模壳材料进行了改性研究，并自主研发了双工位模壳砌块成型机。新的改性配方提高了模壳砌块的耐久性指标，新设备提高了模壳砌块的生产效率和产品质量。

2010年，山东正仁集团开始与山东省建筑科学研究院合作，结合中国建筑科学研究院和大连理工大学对该体系不同结构型式保温墙体的抗震实验研究资料 ^[2][3]，在山东交通学院又进行了13片模壳实足尺寸墙体（芯孔间距为300mm）的结构和抗震试验研究（见图3、图4），并共同编制了山东省地方标准DB37/T 5005-2013《水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体保温结构一体化应用技术规程》和承重墙体（L13SG330）和非承重墙体(L13SJ163)的标准设计图集。在国内、外首次推出了通过调整内、外模壳的厚度，满足不同设计要求的复合保温墙体。目前组合成的280mm和300mm厚的复合保温墙体就能实现75%节能设计标准的要求。

图3                                 图4

同时该标准还突破该墙体在国际、国内仅能用于低层和多层承重结构保温墙体的限制，创造性地扩大应用到混凝土框架和框架剪力墙及钢结构等民用及工业建筑的非承重结构保温围护墙体系中。这是该墙体在国内、外应用领域方面的首次重要突破。

山东正仁集团与国内多家建筑设计机构合作，设计建设了四类不同结构形式的实验性建筑。目前已建成了6+1层3600 m²的承重结构保温墙体的职工住宅公寓项目（见图5）； 6层4500 m²混凝土框架结构的非承重结构保温墙体的山东正仁集团办公楼项目（见图6）；2层980 m²的承重结构保温墙体的办公楼项目；单层7300 m²非承重结构保温墙体的钢结构工业厂房项目（见图7、图8）；6层9700m²混凝土框架结构的非承重结构保温墙体的阳光康城住宅小区项目（见图9）；还有50多万m²高层混凝土框架剪力墙结构的非承重结构保温墙体的松涛苑住宅小区项目正在建设中（见图10）。

图5  承重结构公寓住宅项目            图6  非承重框架结构办公楼

图7  钢结构工业厂房（在建中）        图8  钢结构工业厂房（建成后）

图9 在建的非承重框架结构住宅项目      图10 非承重框架剪力墙结构住宅项目

山东正仁集团根据目前生产和市场的需求，已经研发设计制造了第三代回转式多工位水泥聚苯模壳砌块全自动成型机（见图11），生产速度由原来的第二代双工位半自动成型机（见图12）的每30秒/块，提升到每10秒/块，而且产品质量得到了大幅提高。

图11模壳砌块全自动成型机        图12模壳砌块双工位半自动成型机

目前，山东正仁集团研究开发的改性水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体保温结构一体化建筑体系，在模壳砌块原材料改性研究和节能墙体的组合应用方式，以及推广应用于不同建筑结构体系的范围等方面，都处于国内、外领先地位。

4  模壳、墙体和体系的技术性能指标

4.1 改性水泥聚苯模壳砌块

4.1.1 模壳砌块的主要形式、规格尺寸和要求。

1 可用于承重或非承重墙体的标准型模砌块壳示意图及尺寸见图13及表1和表2：

图13 标准型模壳砌块（承重或非承重墙体）示意图

表1  标准型模壳砌块（承重或非承重墙体）尺寸     单位：mm

                   表2  标准型模壳砌块（非承重墙体）尺寸              单位：mm

2 端部槽型模壳砌块示意图及尺寸见图14及表3。

图14 端部槽型模壳砌块示意图

表3  端部槽型模壳砌块（承重或非承重墙体）尺寸          单位：mm

3 平板型模壳砌块示意图及尺寸见图15及表4。

图15 平板型模壳砌块示意图

表4  平板型模壳砌块尺寸                     单位：mm

4.1.2 模壳砌块的性能指标

通过对模壳原材料改性的配方调整试验和研究，重点解决模壳产品的表观密度与导热系数、强度、吸水率、耐水性和抗冻融性的关系问题，确保其耐久性指标，使保温墙体能满足与建筑结构体系同寿命的要求。

水泥聚苯颗粒模壳的配方技术国外是保密的，国内部分厂家也是参照胶粉聚苯颗粒的配方进行试验或生产的，再加上国内的主要原材料与国外也有较大差距，因此做成的模壳强度相对较低、且吸水率大、耐水性差，因而导致抗冻融性能不能满足使用寿命的要求。

我们通过正交试验对水泥品种标号、保温骨料种类、掺合料和聚合物填加剂等原材料进行了配方优化筛选，选用了国内最新开发出的高分子聚合物防水材料，通过试验研究出了改性新配方，使得改性水泥聚苯模壳在保证表观密度和强度不变的前提下，体积吸水率降低了10%；耐水性提高了20%；抗冻融循环（25次）前后的强度和质量损失几乎没有太大的变化，大大提高了该系统墙体保温部分在使用条件下的耐久性指标，满足了与建筑结构同寿命的要求。

水泥聚苯模壳砌块通过改性，大大提高其耐水和抗冻等耐久性技术指标，具体检测结果见表5。

                表5  改性聚苯模壳砌块的物理力学性能指标

4.2 格构式混凝土保温墙体

4.2.1 墙体的性能指标

经过省级和国家质检部门抽样检测，厚度为280mm的格构式混凝土复合保温墙体的性能指标如下：

⑴、抗冲击性能：冲击5次，墙体表面无贯通裂缝；

⑵、吊挂力：承受1000N，墙体表面无裂缝；

⑶、耐冻融性能（10次冻融循环）：试样表面无空鼓、起泡、剥离现象；

⑷、墙体热阻：2.218 （m²·K）/W；

⑸、承重墙体的耐火极限大于3h；

⑹、空气声计权隔声量大于50dB。

4.2.2 已建成建筑复合墙体的热工性能指标

对已建成的两栋办公楼不同厚度的非承重和承重结构复合保温墙体，委托国家质检机构进行了现场热工性能测试，其中：

厚度为250mm墙体的实测热阻值为2.08（m²·K）/W（K值为：0.48）；

厚度为280mm墙体的实测热阻值为2.38（m²·K）/W（K值为：0.42）；

厚度为300mm墙体的实测热阻值为2.56（m²·K）/W（K值为：0.39）；

厚度为350mm墙体的实测热阻值为3.13（m²·K）/W（K值为：0.32）。

检测结果证明这些复合保温墙体的节能指标，完全能满足不同（65%，75%或更高）节能设计标准的传热系数K值的要求。

4.2.3 墙体的抗震性能

该墙体可作为承重构件或填充墙应用于抗震设防烈度不大于8度、设计基本地震加速度不大于0.2g的地区建筑。

5 墙体的构造和施工方法

5.1墙体的构造形式

5.1.1水泥聚苯模壳格构式混凝土保温结构一体化墙体的各种组合构造方式如图16所示：

图16 模壳砌块墙体不同组合构造示意图

5.1.2 非承重填充墙的中柱、转角柱、梁热桥和勒脚部位构造见图17。

  a）中柱热桥构造                        b）转角柱热桥构造

c) 梁热桥构造                       d) 勒脚部位构造

图17   中柱、转角柱、梁热桥和勒脚部位构造

5.2  模壳墙体的施工

5.2.1 施工工艺流程

清理基层→ 绑扎钢筋→ 安装模壳（含混凝土梁、柱表面的平板型模壳的安装）→ 设置临时支撑→ 浇筑自密实混凝土→ 混凝土养护→ 拆除临时支撑→ 内外墙体找平→ 抗裂砂浆抹面→与梁柱接缝部位处理→抗裂砂浆压入网格布→ 涂刷内外墙涂料→成品保护和验收

5.2.2 模壳安装

模壳安装前根据放好的线和排好的模壳安装施工图，确认结构受力钢筋的位置和植好拉结钢筋，并按照图纸绑扎好钢筋。

模壳安装时应对齐，芯孔中心线偏差不得超过10mm；模壳砌块之间可采用错缝搭砌，上下左右的模壳应严格对孔；缝隙用聚氨酯发泡胶粘接封堵；非标模壳砌块的加工应使用专用切割工具。模壳砌体允许偏差应符合规范的相关规定。

模壳墙体浇筑自密实混凝土前应使用临时支撑，确保模壳墙体有足够的刚度和稳定性。（参见图18、图19）

图18 承重型模壳墙体的安装施工           图19 非承重型模壳墙体的安装施工

5.2.3 混凝土梁、柱表面的平板型模壳的安装

非承重墙体的混凝土框架梁、柱、楼板部位的外保温处理采用平板型模壳。平板型模壳的安装分两种施工工艺进行，一种是采用现浇工艺，即在混凝土结构施工时安装在混凝土模板内侧，与结构混凝土浇筑在一起；另一种是采用粘锚工艺，在模壳墙体安装时同步进行。

5.2.4 自密实混凝土的浇筑

自密实混凝土的配合比、原材料计量、搅拌、浇筑和养护必须符合相关施工规范的规定；浇筑时应插捣密实，不得有蜂窝、孔洞、露筋、缝隙、夹层等现象；强度等级应符合设计要求和标准规定。

5.2.5 模壳墙体饰面施工

墙体饰面层施工包括找平层、抗裂层和饰面层施工。

找平层施工采用保温层自找平和聚合物砂浆抹灰找平二道施工方式；抗裂层与传统外墙外保温做法相同，即用抹面胶浆和耐碱玻纤网布组成抗裂保护层；饰面层则根据设计要求施工，可采用各类涂料饰面，也可采用面砖或石材饰面（建议高度不大于20m）。

5.2.6 模壳墙体施工质量验收

根据国标《建筑节能工程施工质量验收规范》GB 50411和《砌体结构工程施工质量验收规范》GB 50203，及各地地方技术规程组织进行。

6 该墙体应用成果的创造性、先进性

6.1 达到与建筑结构同寿命的要求

通过对模壳砌块的改性研究，重点解决模壳的吸水率、耐水性和抗冻性等耐久性指标的问题，使模壳的各项物理力学和防火性能指标，远好于我国目前已广泛应用的胶粉聚苯颗粒保温材料，使其完全能够满足与建筑结构同寿命（大于50年）的要求。解决了目前传统保温体系不能与建筑结构同寿命的难题。

6.2 扩大了推广应用范围

目前该墙体在国内、外仅能用于六层以下的承重保温墙体的建筑。为了充分发挥其保温和防火等方面的优势，尤其是推行75%或更高节能标准的要求，山东正仁集团首创通过调整内、外模壳的厚度变化和构造要求，将其作为非承重结构保温墙体，应用到混凝土框架和框架剪力墙及钢结构建筑的围护墙体结构中去，以满足国内建筑市场对高效、防火和长寿命保温墙体材料的巨大需求。

这一思路不仅是纳士塔（RASTRA）建筑体系在实际应用方面的突破，更是墙体保温结构的重大变革，对我国墙体材料革新也是一大推进。

6.3 符合国家现代化建筑模式发展方向

该墙体改变了传统保温系统的基本模式，还改变了传统墙体材料的理念，淘汰了用砖和砌块砌筑墙体和外包保温材料的落后模式，并从根本上消除了保温墙体的冷热桥问题，提高了建筑产品工业化、标准化和装配化水平，加快了施工效率，降低了建筑成本，提高了建筑结构、抗震和消防安全性能，符合国家现代化建筑模式发展方向。

6.4 利废环保、节约资源和能源，符合可持续发展的国策

该产品可利用废旧泡沫塑料和粉煤灰生产，生产能耗较低，无三废产生，能大量替代传统墙体材料，可节约能源和保护土地资源，且保温墙体系统安全、寿命长，维护费用低，符合可持续发展的国策，经济、环境和社会效益十分显著。

7 推广应用的作用和意义

7.1 彻底根除节能建筑的消防安全问题

由于该墙体属非燃烧体，在承压状态和1080℃火焰持续燃烧情况下，耐火极限可达3小时以上，且不会失去墙体的完整性、绝热性和承载能力，墙体背面温升平均不超过6℃，也无有害气体释放。因此，可以彻底解决我国外墙外保温的火灾隐患和结构安全问题，其意义十分重大。

7.2 有利于实现更高建筑节能标准

该保温墙体采用芯孔间距为300mm的模壳，符合建筑模数。250mm厚的墙体即能满足65%的节能标准的墙体传热系数K值为0.6，换算成墙体热阻为1.67（m²·K）/W的要求，280mm或300mm厚的墙体就能实现75%及更高节能标准要求。与其它系统相比，具有明显的设计、构造、应用和造价方面优势，因此，能够成为我国节能建筑新一代保温墙体体系。

7.3 延长系统使用寿命，降低日常维护费用

该体系材料的耐久性优良，可与主体结构长期共同工作，设计使用寿命50年以上，较传统保温体系可大幅度减少裂缝、渗漏和脱落等问题的发生，能有效降低维护费用。因此是当前可选的最安全、最可靠和最耐久的复合保温结构体系材料。

7.4 构造简单、施工方便、节约材料、缩短工期和降低造价

水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体建筑技术，其结构构造简洁，施工速度快，建材和模板用量少，施工工序少，可节约大量的原材料和人工费用，工程综合造价低于传统建筑结构保温体系，符合国家节能、节材、节地、节水、环保和建筑现代化的要求。

8 推广应用的范围、条件和前景

⑴、模壳砌块生产主要原材料水泥、聚苯颗粒、粉煤灰等易得且不会受地域限制；生产设备有多个系列型号，年产能设计灵活，既可在农村乡镇区域小规模生产，也可在城市区域大规模生产；生产工艺装备投资省，上马快，能耗低，无污染，不消耗耕地，极易在各地推广实施，社会环境效益显著。

⑵、该建筑体系在国内有标准化协会标准，山东、辽宁、吉林、黑龙江和北京等地有地方标准和标准设计图集，具备指导当地同类建筑的设计、施工和验收的推广应用条件。目前已有多个省、市已立项编制该墙体建筑的地方标准。

⑶、该墙体系统适合我国的国情，可广泛用于农村的多层节能建筑和城镇的高层节能住宅及各类公共建筑；建筑结构体系科学合理，保温构造先进，抗震性能可靠；施工速度快，工期短；使用周期与建筑结构同寿命，后期维护费用低廉；工程综合造价比传统节能建筑经济，推广应用领域广泛，技术经济效益十分显著。

⑷、该建筑体系不仅能满足建筑节能65%的标准要求，比其它保温系统更适宜实现节能75%及更高节能标准要求，并能完全适合我国不同气候带的各类地区的建筑节能要求，推广前景十分广阔，建筑节能和减排作用显著。

9 结束语

山东正仁集团借鉴国际先进技术，研发适应于国情的“改性水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体保温结构一体化建筑体系”，是一种全新的现代建筑装配式结构体系。该墙体优异的保温、承重、防火、抗震和耐久性能，完全可以替代传统墙体结构体系。改性聚苯模壳砌块的生产和格构式混凝土复合保温墙体的施工，均符合国家的环保政策和现代建筑业发展的方向。所建成的建筑体系也符合我国四节一环保的绿色建筑标准和可持续发展的要求，推广应用的意义重大，是目前我国进一步提高建筑节能标准，发展安全防火和低能耗建筑的最佳选项。

［参考文献］　

[1] 中国工程建设标准化协会.CECS 173:2004.水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体住宅技术规程[5].2005：5.

[2] 刘军进，张良纯等.水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体抗震性能研究[J].建筑结构，第36卷增刊，2006.6

[3] 蔡贤辉，史崇新等.水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体的抗侧性能试验及分析[J].固体力学学报，第32卷 专辑，2011.10

［作者简介］　董士文(1952— )，男，高级工程师

[工作单位]   青岛市建筑工程质量监督站

[研究方向]   建筑墙体材料、防水材料和保温材料、建筑结构工程及施工技术等。

［联系地址］　青岛市香港东路337号山水名园49号楼1单元601室(邮编266071)

［联系电话］　13608974882   ［邮箱地址］　[email protected]