烧结粉煤灰、煤矸石多孔砖在内保温体系的应用

2011-02-14董河毅山西省万家寨引黄工程管理局山西太原030012

中国建材科技 2011年4期

董河毅（山西省万家寨引黄工程管理局，山西太原 030012）

1 墙体保温

我国建筑围护结构保温性能差，建筑用能浪费严重。建筑物在建造、使用、改造、拆除过程中消耗了大量的能源。在中国，建筑能耗连同墙体材料生产能耗已超过全国能源消耗总量的1/4，并将随着人民生活水平的提高逐步增加到1/3 以上。在400亿平方米的城乡既有建筑中，高能耗建筑占95%以上。目前我国单位建筑面积能耗是气候相近的发达国家的3～5 倍，而中国资源占有量不到世界平均水平的1/5，人均资源占有量则更少。而发达国家则通过持续不断的努力，使新建建筑采暖能耗已经降低至1973年石油危机前的1/5～1/3。随着我国经济建设的快速发展，人们生活水平的提高，建筑室内热环境舒适度的要求逐渐增加，建筑能耗还要增加，建筑能耗占总能耗的比重还会加大。如果放任高能耗建筑继续大力兴建，能源供应难以为继，势必影响发展国民经济战略目标的实现。

1986年，建设部颁布《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-86），要求在原有基础上节能30%。1995年，建设部又提出新的要求，在1986年的基础上再节能30%，即将原标准的节能水平提高到50%。2005年，国家又将部分重点地区的建筑节能标准在1995年的基础上再节省30%，即节能水平提高到65%。要实现这一目标，就需要在墙体技术系统、供暖技术系统、新材料、施工工艺和住宅体系等方面寻求突破。

2 常见的保温形式

2.1 单一墙体

2.1.1 实心粘土砖墙体

我国现有建筑墙体用实心粘土砖的生产企业约有12万个，占地500 多万亩，每年烧砖近7000亿块，取土14亿m3，相当于毁田120万亩；同时实心粘土砖保温性能差，每年采暖能耗12 多亿吨煤。由此计算，每年仅墙体材料的生产能耗和北方地区采暖能耗合计就约占全国能源消费总量的15%以上，仅烧砖一项每年就排放CO217亿吨。如果实心粘土砖产量继续增长，不仅增加墙体材料的生产能耗，而且将导致新建建筑的采暖能耗和空调能耗大幅度增加，将严重加剧能源供需矛盾。实心粘土砖同国外同体积墙体材料相比，其生产能耗平均为发达国家的2 倍以上，外墙外保温隔热性能相差4～5 倍，空调和采暖的很大一部分负荷是由墙体造成的，宝贵的能源白白浪费了。然而，由于诸多因素影响，全国以粘土砖和非节能建筑为主的格局尚未得到根本改变，毁田烧砖、破坏耕地的现象屡禁不止，特别是近年来城乡建设的快速发展，对建材产品的需求量急剧增加，一些地区实心粘土砖生产呈增长态势。可见，取土制砖不仅毁坏耕田，浪费能源，而且严重制约着我国国民经济的可持续发展。

2.1.2 空心砖和空心砌块墙体

据统计，目前我国在170个城市实行了禁止生产和使用实心粘土砖的政策，随着墙改工作的推进，有些城市将粘土空心砖也列为禁止生产的产品。在土地资源紧张的大城市及其周边地区和人均耕地较少的东部沿海发达地区，应限制粘土制品（包括空心粘土砖）的生产和使用；但在我国的中西部和北方地区，有很多的土丘、土山，粘土资源十分丰富，从实际情况出发，可在一定范围内继续生产烧结多孔砖和空心砖；在我国的西南地区，有丰富的页岩资源，可大力发展烧结的页岩空心砖;在黄河沿岸地区可充分利用淤泥生产空心砖;在南方河湖较多的地区，可利用河泥、湖泥发展空心砖制品。特别是在一些工业发达地区可以利用工业废料研发生产空心砖和空心砌块制品，在生产保温产品的同时，又利用了工业废料，减轻环境污染。拥有丰富粘土陶粒、页岩陶粒等堆积密度为300～500kg/m3轻集料的地区，可利用这些轻集料生产制作保温砌块，用于建筑墙体保温，尤其适用于严寒地区高层框架结构的填充墙。

2.1.3 加气混凝土墙体

与传统粘土砖墙体材料相比较，加气混凝土的计算导热系数约为粘土砖砌体的30%。因此，加气混凝土是一种保温性能好、节能效果显著的墙体材料。利用加气混凝土的这一优势，将其用于框架填充墙及低层建筑承重墙，可取得较好的保温效果。当建筑节能要求较高时，可采用在墙体内侧涂抹保温砂浆，或在砌块孔洞内填充一些导热系数低的保温材料，在外表面涂刷保温涂料等手段来提高保温效果。采用粉煤灰为原料的加气混凝土，具有利废、节能和价廉等优点。

2.2 复合墙体

作为承重用的单一材料墙体，往往难以同时满足较高的绝热（保温、隔热）要求，因而在满足建筑保温节能要求的前提下，复合墙体已经成为建筑墙体的主流。复合墙体一般采用砖砌体或钢筋混凝土作承重墙，并与绝热材料复合；采用钢或钢筋混凝土框架结构时，用薄壁材料夹以绝热材料作墙体。常见的复合墙体形式有内保温复合墙体、外保温复合墙体、混凝土夹心墙体等。

2.2.1 外保温复合墙体

1）外保温复合墙体及其优点

外保温复合墙体的做法是将绝热材料复合在承重墙外侧。外保温复合墙体与内保温复合墙体相比，具有以下优点：

①保护主体结构，延长建筑物使用寿命。由于外保温墙体的保温层置于建筑物围护结构外侧，减小了因温度变化导致结构变形产生的应力，减轻了空气中有害气体和紫外线对围护结构的侵蚀，避免了雨、雪以及冻融、干湿循环对主体结构造成的破坏。

②基本消除了热桥的影响。外保温复合墙体既可以防止热桥部位产生结露，又可以消除热桥造成的热损失，节约了能源。

③墙体潮湿情况基本得到改善。一般情况下，内保温复合墙体须设置隔气层，而采用外保温时，由于蒸汽渗透性高的主体结构材料位于保温层的内侧，因此只要保温材料选材适当，在墙体内部一般不会发生冷凝现象，故无需设置隔气层。同时采取外保温措施后，结构层整个墙身的温度有所提高，可进一步改善墙体的保温性能。

④有利于室温保持恒定。由于外保温复合墙体蓄热能力较大的结构层在墙体内侧，当室内受到不稳定热作用时，墙体结构层能够吸收或释放热量。

⑤便于既有建筑物的节能改造。与内保温复合墙体相比，采用外保温复合墙体方式对既有建筑物进行节能改造时，最大的优点是无需用户临时搬迁，基本不影响用户的室内活动和正常生活。

⑥避免了装修对保温层的破坏。

⑦增加了建筑物的使用面积。由于外保温技术所用保温材料置于墙体的外侧，其保温、隔热效果优于内保温，故可使主体结构墙体减薄，从而增加了建筑物的使用面积。

2.2.2 内保温复合墙体及其优点

内保温复合墙体的做法是将绝热材料复合在承重墙内侧，简便易行，目前应用较为广泛。在满足建筑物承重要求的前提下，墙体可适当减薄。绝热材料往往强度较低，需设覆面层防护。有些在保温层内设隔气层，则有保温及隔汽之效。目前常用的内保温技术有：增强石膏复合聚苯保温板、聚合物砂浆复合聚苯保温板、增强水泥复合聚苯保温板、内墙贴聚苯板抹粉刷石膏及抹聚苯颗粒保温料浆加抗裂砂浆压入网格布的做法[7,8]。

增强粉刷石膏聚苯板外墙内保温墙体是最常见的一种内保温复合墙体。这种墙体以阻燃型泡沫聚苯板为保温材料，这种板材货源充足，导热系数低，具有一定强度，尺寸灵活，切割方便，密度可依设计要求，一般以大于18 kg/m3为宜。施工时，以粘结石膏作为粘结剂，抹灰材料采用石膏粉与外加剂相混合配制的粉状袋装粉刷石膏，加适量水即可施工；干燥固化快，不会出现空鼓开裂。这种内保温复合墙体的表面微孔结构可改善呼吸透气效果，并具有良好的防火性能。当采用被覆中碱玻纤网格时，可提高墙体的整体强度、刚度和表面抗裂性及保温层的抗冲击性能。布做增强材料内保温复合墙体的保温结构一般为干作业施工，可加快施工进度，提高生产效率。它的优点表现在：

1）对饰面和保温材料的防水、耐候性等技术指标的要求不高，取材方便。纸面石膏板、石膏抹面砂浆等均可满足使用要求。

2）内保温材料被楼板所分隔，仅在一个层高范围内施工，施工方便，不需搭设脚手架，不受天气的影响，雨季和冬季作业不受气候的影响。

3）便于施工，施工速度较快，有利于缩短施工周期。

4）采用内保温，在冬季可以提高表面温度，避免对人体的冷辐射。

综上所述，内外保温都有其优点，也有其实用性，外保温主要是可以很好的消除热桥的影响，而其也就是内保温的缺点；内保温主要是便于施工，成本比较低，且保温材料不受外界的影响，寿命比较长，其也是外保温的缺点。

3 烧结多孔砖内保温体系的推出

由于烧结多孔砖砌体本身有很好的保温效果；砖本身也是一种很好的装饰材料，清水墙、或对墙体稍微进行一定的处理，都会有很好的装饰效果；各种保温砂浆的出现使得保温更容易进行。对其进行内保温，能一定程度上克服内保温的缺点，更好的发挥内保温的优点。为了达到很好的经济性，使其更好的在经济正在发展的城乡进行推广。在对烧结多孔砖进行了一定的热工试验基础上，推出烧结多孔砖内保温体系。

体系可以克服传统内保温的以下缺点：

（1）保温砂浆的使用可以很好的对窗边冷桥进行克服；

（2）对构造柱圈梁等处的冷桥能起到很大的减弱作用。

3.1 烧结多孔砖的力学性能

通过对粉煤灰和煤矸石烧结多孔砖本身的性质进行跟踪检测，与规范要求进行对比；进一步对其砌体结构进行基本力学试验：砌体抗压、抗剪，得到其抗压强度、抗剪强度并对其破坏过程进行分析对比，对其弹性模量、变形曲线、波松比等进行了分析。分析研究表明，粉煤灰、煤矸石烧结多孔砖本身性质很好的满足国家规范的要求；其砌体的基本力学性能从变形到破坏与粘土砖的基本上一致，满足要求；得到的抗压、抗剪强度都比规范公式计算的要大；并得到合理的弹性模量、波松比。

总的来说，粉煤灰、煤矸石烧结多孔砖砌体结构，从各方面来说与传统粘土砖对比都能很好的代替。其计算公式也基本上可以按照粘土砖的及规范公式来计算，但其安全度大大增加。

3.2 烧结多孔砖结构静力及地震反应分析

用ansys 分析软件建立粉煤灰、煤矸石烧结多孔砖砌体五层试验楼，对其静力荷载下的受力与变形进行分析，进一步运用模态分析、谱分析对其进行抗震能力分析。

通过其静力模拟，可知烧结粉煤灰、煤矸石多孔砖砌体结构在对称荷载作用下，结构变形、应力呈正对称性，其变形及受力情况符合理论分析结果，受力变形规律同普通砖砌体相同，墙体整体上处于受压状态，充分发挥了烧结粉煤灰、煤矸石多孔砖砌体优越的抗压性能等。

通过模态分析，得到合理的自振周期、频率，在一般的砌体结构变化范围之内，进一步通过谱分析得知结构剪力、变形都很小，结构的地震反应总是以低阶振型反应为主，结构的变形主要以剪切变形为主，有很好的抗震能力，此结构可以在地震区域很好的进行推广。

3.3 烧结多孔砖热工性能试验及有限元非线性

通过实验，运用WRCD 稳态热传递性质测定装置对370mm 厚的烧结多孔砖墙体内保温的传热系数进行了测定，通过试验得到单层砌体的K值，进而推出其λ值，且与规范以往规定一致；得到加保温层的砌体K 值，通过与规范公式计算相比较，得知根据规范计算所得结果比实际测试结果要保守的多。多孔砖结构由于本身多孔的结构特点，内部空气的流动对结构的保温性能起着很大的作用，并不能简单的按照规范公式进行计算，而是随着保温层的厚度产生非线性的特点。