钟世云

（同济大学 材料科学与工程学院，上海 201804）

大型木丝水泥墙板及其应用

钟世云

（同济大学 材料科学与工程学院，上海 201804）

瑞典在2003年发明了一种轻质、保温隔热性能优良的预制大型木丝水泥墙板，并将其用于住宅和公共建筑如幼儿园、体育场的建设。我国在2012年引进这种墙板生产技术，并将其生产和应用形式进行了开拓性的改进。介绍其发展历史、生产方法、主要技术性能和应用实例，并对其应用前景进行了分析展望。

预制墙板；大型木丝水泥墙板；生产；应用实例

0 引言

木丝水泥板（Wood Wool Cement Board，简称WWCB）是以水泥为胶结材，将精细刨制的木丝胶结成的复合材料。木丝厚度0.2～0.5mm，宽度1～5mm[1]。常见的木丝厚度为0.25 mm，长度为400 mm左右，宽度分粗丝及细线，粗丝的宽度3.5 mm，细丝的宽度1.8mm[2]。木丝水泥板的生产可以追溯到1920年，Josef开发了波特兰水泥胶结的木丝水泥板。用镁水泥胶结的木丝水泥板的生产，甚至可以追溯到1910年[3]。长期以来，木丝水泥板的产品形式主要是条板，条板的尺寸一般为宽度600 mm，长度2000～3000 mm，厚度20～150 mm。木丝水泥板条板的密度约400 kg/m3，是轻质、低强度板材，主要应用领域是吸声和保温。细丝产品主要用于吸声板，粗丝产品主要用于保温板[1]。1990年，菲律宾的Pablo博士开发了密度约为900 kg/m3的木丝水泥板，2000年荷兰的Eltomation公司将密度提高到1100 kg/m3，称为EltoBoard（艾托板），弯曲强度可以高达20MPa[3]。其所用木丝宽度更宽（约8 mm），称为Wood Strand，增加了木丝水泥板的一个产品系列。这种板的密度比水泥刨花板（约1250～1400 kg/m3）略低，弯曲强度却比水泥刨花板高1倍多，主要用于外墙板和永久模板。但是，高强度木丝水泥板仍然是条板，宽度600 mm，长度2000～3000 mm，厚度6～25 mm，最常见厚度为10 mm。大型木丝水泥板墙体构件（或称大型木丝水泥墙板）是木丝水泥板的第3种系列产品。2003年开始，瑞典Träullit公司开发了一种木丝水泥板大型墙体构件（Large Wall Elements of WWCB），并申请了欧洲专利[4]。墙体构件的高度与房屋层高相同，厚度400 mm，长度可达6 m，可以预制成各种尺寸的墙体，提高房屋建造速度，而且由于保温性能好，特别适合建造被动式房屋[5]。起初，木丝水泥板大型墙体构件的生产采用人工与机械相结合的半自动铺装方式，约在2008年，荷兰的Eltomation公司与瑞典Träullit公司紧密合作开发了全自动的大型木丝水泥板墙体构件（Large WWCB Wall Element）生产线，构件的长度6 m，宽度3 m，厚度最高可达500 mm[6]。

本文主要介绍大型木丝水泥板墙体构件（或称大型木丝水泥墙板）的生产和应用技术，并分析其发展前景。

1 大型木丝水泥板墙体构件的生产

按照Träullit公司Rückert的专利，大型木丝水泥板墙体构件的干密度应控制在200～300 kg/m3。为此，生产时，木丝的含水率控制为25%，湿木丝与干水泥的质量比控制在1∶1.88～ 1∶1.92。一般木丝水泥板生产时，依据产品要求不同，干木丝与干水泥的比例为1∶1～1∶3不等[7]。生产大型木丝水泥墙板时，湿木丝与干水泥的搅拌机是一种连续搅拌设备。将混合物铺装到模具中时，可以根据需要在模具内放置适当尺寸的模块，以便在构件周边成型建筑所需要的沟槽。例如顶边放置U型模块，2个侧边放置三角形模块，其用途见后文。

图1为瑞典Träullit公司开发初期生产大型木丝水泥板墙体构件时机械与人工相结合铺装模具的状况。模具铺装完成后，为了将物料压实到一定程度，在板上面压一定质量的重物。例如，生产6 m×2.6 m×0.4 m构件时，所压重物的质量约15 t[5]。全自动的大型木丝水泥板墙体构件物料混合与铺装生产线见图2[6]。

图1 大型木丝水泥墙体构件机械与人工相结合的铺装方式

图2 大型木丝水泥板墙体构件物料混合与铺装生产线

2010年，Eltomation公司报道了另一种铺装成型生产线（见图3）。在这种生产线上，木丝水泥混合料被铺装到连续运行的模具中，形成连续的坯料。该生产线的另一个特别之处是，铺装部分有一个循环回路，模具可以分2次铺装。第1次铺装时，模具只铺装一半厚度的物料，然后预置功能或结构元件，包括前文提到的成型构件周边沟槽的模具零件，然后模具通过回路重新回到铺装位置进行剩余物料的铺装。最普通的预置元件是吊装用的构件（一般用圆木）和吊带（见图4）。然后这种连续的坯料在下一个工位被飞锯切开。分开的坯料和模具被运送到固化区域，并在板上面压一定质量的重物，带模具进行初始养护，初始养护时间一般为24h。之后，模具被运送到脱模工位进行自动脱模，墙板构件被竖直放置，运往养护区进行后续养护。空出来的模具则经过清洁和涂刷脱模剂后回到铺装成型线上[8]。

图3 带回路的大型木丝水泥墙体构件铺装成型生产线

图4 铺装大型木丝水泥墙板时预置吊装用圆木和吊带等模块示意

2012年无锡泛亚环保科技有限公司从Eltomation公司引进了这种大型木丝水泥板墙体构件生产线。构件的长度和宽度分别为6 m和3 m，厚度可以由铺装控制，一般为200～400 mm。生产400 mm厚度构件时，每天生产能力达到1000 m3。

2 大型木丝水泥墙体构件的应用

2.1 大型木丝水泥墙板的主要性能指标与结构设计大型木丝水泥墙板的主要性能指标见表1[5，8]。

表1 40 cm厚大型木丝水泥板的主要性能指标

从表1可以看出，这种墙板承载能力很小。因此，当将其用作房屋建筑时，承载结构主要由设置在两块板之间的方形混凝土立柱和墙板顶部的U型混凝土圈梁构成，如图5所示。

立柱的断面尺寸一般为70 mm×70 mm，U型圈梁的断面尺寸一般为宽100 mm，高160 mm。根据风力和承载能力需要，圈梁和立柱尺寸也可以更大，并使用更多钢筋增强[5，8]。

由图5可知，圈梁中用4根直径12 mm的钢筋增强。有1个用3 mm钢板制造的固定用零件用于固定钢筋，以确保钢筋外面的混凝土保护层厚度。这个钢板零件突出圈梁的位置部分，还用来固定屋顶。这个固定用零件以及圈梁浇筑及完成后的情况见图6[5]。

图5 大型木丝水泥墙板建筑结构原理

图6 用3 mm厚钢板制造的固定用零件以及圈梁浇筑及完成后的情况

如果房屋超过1层，楼板安装的结构细节见图7。如果使用木楼板，在圈梁浇铸时预埋用于安装楼板的不锈钢锚固件。

墙板安装到位且混凝土立柱和圈梁浇筑之后，用防水透气的砂浆将木丝水泥板的表面全部封闭。砂浆用增强网（玻纤网格布或钢丝网）增强。墙板接缝位置用双层网增强，第1层增强网跨接缝两边至少各200 mm，第2层增强网覆盖全部墙面。

图7 木楼板和混凝土楼板与墙体连接示意

2.2 大型木丝水泥墙板的应用实例

2.2.1 国外应用实例

最初几年，在瑞典使用大型木丝水泥墙板建造的房屋数量如下[3]：

2003年：少数几栋试验建筑；2004年：20套房子；2005年：25套房子；2006年：60套房子；2007年：比上年有更多订单。

这些房子一般都是1层或2层的别墅或联排别墅。典型实例如图8所示[5，8]。

图8 用大型木丝水泥板建造的建筑

由于大型木丝水泥墙板具有非常好的保温和隔热性能，在瑞典和欧洲的其它国家用其建造了一些被动式建筑。2010年的瑞典建筑工业杂志报道了大型木丝水泥板发明人Rückert先生用600mm厚的木丝水泥墙体为自己建造被动房别墅的例子[9]。这栋房子使用面积143 m2，建造成本150万克朗，其中使用大型木丝水泥板15.5万克朗。图9为在芬兰建造中的1栋大型木丝水泥墙板被动式建筑。

图9 用大型木丝水泥墙板建造的被动房（芬兰，2012年）

此外，大型木丝水泥墙板还用于一些公共建筑。例如，幼儿园（见图10）[10]、体育场（见图11）[11]。

图10 用大型木丝水泥墙板建造幼儿园（2012年）

图11 用大型木丝水泥墙板建造的体育场（2015年）

2.2.2 国内应用实例

2012年无锡泛亚环保科技有限公司从Eltomation公司引进了这种大型木丝水泥板墙体构件生产线后，对大型木丝水泥墙板的应用进行了开拓性的研究。墙板的建筑结构设计和施工方式与国外完全不同，并成功应用于高层住宅项目（见图12）[12]。

图12 使用无锡泛亚环保公司木丝水泥板预制墙体的高层建筑（2015年）

3 应用前景分析和展望

尽管木丝水泥板作为建筑材料已经有近百年的历史，但大型木丝水泥墙板却是一种新型的墙体构件，其性能还未被充分了解，因而，其应用也还非常有限。

按照Rückert先生的介绍[5]，他与Träullit公司的拥有者Bengt Rääf先生从1990年代起就致力于新型木丝水泥墙体材料的开发。1995年时发明了一种砌块材料，并于1995年在瑞典南部的Lund用其建造了一栋单层建筑。但使用这种砌块建造房子仍然比较费人工，因而没有什么突破。之后，他们继续努力，终于在2003年试制了高2.4 m、宽2.4 m，厚度40 cm的大型板材，用这种板材，不到1 d就能把一栋房子搭建起来，大大节约了现场人工。因此，大型木丝水泥墙板开发是初衷是开发一种能够取消现场墙体砌筑工作，同时并不降低墙体性能的一种建筑材料。

目前，大型木丝水泥墙板的最大尺寸可达长6 m，高3 m，厚度600 mm。按照国外的方法现场浇筑混凝土立柱和圈梁的话，建筑可以逐层搭建。按照国内的做法，将大型木丝水泥板预制成可以现场安装的墙体，用于框架建筑的维护结构。两种做法实际上都是将墙体做成了工厂预制件，只是现场安装的方式不同，但都大大节约了现场施工时间。GB/T 51129—2015《工业化建筑评价标准》于2016年5月1日起正式实施，许多省市都通过地方法规要求提高建筑的预制率，因此，轻质大型木丝水泥墙板面临着很好的发展机遇。

为了更好地说明这种板的应用前景，可以将其与现有同类建筑材料进行对比。工业化建筑体系主要有大板建筑和框架建筑两个大类。大板建筑以预制混凝土大墙板（剪力墙）为代表，其预制墙体既是支撑结构，也是建筑的围护结构。框架建筑的支撑体系为框架，可以是混凝土或者钢架构，其墙体一般使用轻质材料。在近几年钢结构住宅建筑的实践中，还没有出现好的轻质大型外墙板。不少钢结构住宅的外墙仍然使用轻型砌块如加气混凝土砌块进行砌筑。近几年来，包括宝钢建筑在内，有很多单位致力于开发与框架结构配套的轻质大型墙板。宝钢建筑在2014年底发布新一代装配式钢结构百年住宅体系——Baohouse，推出了“宝钢保温装饰一体化板”，是一种预制轻质夹心复合外墙板。国外STO公司的预制轻质大墙板也是一种复合板，更确切地讲，是一种轻钢龙骨覆面板。远大可建科技有限公司在其网页介绍了其外墙围护复合板材由150 mm厚的岩棉和幕墙组成，传热系数为0.23 W/（m2·K）。

作为外墙维护结构，除了要求传热系数比较低，从而有较好的保温性能外，还应该有较好的蓄热性能。热惰性指标D可以很好地表征这两方面的要求。热惰性指标D是材料热阻R与蓄热系数S的乘积，即D=RS。对于多层材料，D=∑（RS）。从表1可知，木丝水泥板具有很高的蓄热能力，与轻质混凝土和多孔砖相当。根据复合外墙的结构和其组成材料的热工数据（见表2）[13]，我们可以计算得到2种墙体的热惰性指标，见表3。表2中木丝水泥板的蓄热系数根据式（1）计算[14]：

表2 材料的热物理计算参数

表3 2种墙体的热惰性指标

由表3可以看到，轻质大型木丝水泥墙板做成的墙体的热惰性指标是岩棉与水泥板和玻璃幕墙组合成的复合墙体的约4倍或者更大。因此可以说，用轻质大型木丝水泥墙板做外墙围护的建筑，热工性能更加优秀，舒适性更好。

另外，水泥粘结木材复合材料（CBWC）的弯曲荷载位移曲线示意图见图13。在经过荷载峰值之后不是立即断裂，而是缓慢下降30%～50%，其初裂位移（δR）和3倍初裂位移（3δR）所对应的荷载曲线下的面积用来评价纤维增强水泥的韧性。水泥刨花板和木丝水泥板的面积比值（A3R/AR）约为6，而纯水泥材料是脆性的，初裂即相当于断裂[15]。大型木丝水泥墙板具有非常好的韧性，其抗折强度甚至高于抗压强度。它的这种柔韧性，使其可以用于需要吸收较多能量的建筑场合。用木丝水泥预制大型墙板的承载能力还可以通过板材的组合方式变化来提高[16]。利用新型大型木丝水泥墙板生产线分2次铺装的特点，也可以在木丝水泥板中间预置增强材料，得到所需要的结构性能。

图13 水泥粘结木材复合材料（CBWC）弯曲荷载-位移曲线

4 结语

轻质大型木丝水泥墙板是一种预制墙体。其表观密度小，保温隔热性能好，热惰性指标是一般岩棉与水泥板和玻璃幕墙组合成的复合墙体的3倍以上，特别适合做框架结构建筑的围护材料。此外，它具有优良的韧性，通过进一步的优化开发，有望在工业化建筑时代获得广泛的应用。

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Large wood wool cement board wall element and its application

ZHONG Shiyun
（School of Materials Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

In order to satisfy the growing demand for construction comfort and industrialized construction，a new prefab-wall element，large wood wool cement board wall element with light and very high performance of thermal insulation was developed in Sweden in 2003.It was soon used for construction of the houses and public buildings like kindergarten and sport hall.In 2012 the producing technology for this wall element was imported in China.Afterwards the technology for production and use of this wall element is further developed.In this paper the history，production，main technical characteristic and application references of such wall elements are introduced，and its further developing and application are analyzed.

prefab-wall element，large wood wool cement board wall element，production，application references

TU525.5

A

1001-702X（2016）08-0100-06

2016-01-14；

2016-03-23

钟世云，男，1961年生，江西兴国人，教授，博士生导师，主要从事建筑材料的研究和教学工作。