页岩陶砂泡沫混凝土在建筑节能的应用研究

陈 静，张 鹏

(1.河南理工大学 建筑与艺术设计学院，河南 焦作 454000；2.中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450000)

页岩陶砂泡沫混凝土在建筑节能的应用研究

陈 静1，张 鹏2

(1.河南理工大学 建筑与艺术设计学院，河南 焦作 454000；2.中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450000)

页岩陶砂泡沫混凝土用于建筑物的外围护墙和内隔墙，既能减轻建筑物的自重，又能满足建筑节能的要求。本文以页岩陶砂为骨料，基于最优配合比，得到了抗压强度、导热系数、吸水率和干表观密度等指标；然后通过现场热工模拟计算，得到了节能率不低于65%的一体化建筑保温系统，为工程应用提供理论基础。

页岩陶砂泡沫混凝土；最佳配合比；抗压强度；导热系数；热工计算

目前，国内外都非常重视泡沫混凝土的研究与开发，而泡沫混凝土的优良性能使其在建筑领域的应用越来越广，特别是随着我国国民经济的飞速发展，人民生活水平日益提高，对建筑居住要求越来越高，这既带动着建筑技术的快速更新换代；又使建筑向大跨度、高层和超高层等多样化方向发展。泡沫混凝土因具有保温、隔热、质轻、抗震、抗冲击、抗裂、防火等性能，而且生产中还可利用工业废渣，因此造价较低，且具有较好的施工性，它是工业与民用建筑中大力推广的一种新型的“绿色建材”。

发泡混凝土主要用于屋面泡沫混凝土保温层现浇、泡沫混凝土面块、泡沫混凝土轻质墙板、泡沫混凝土补偿地基等。但是，通过改变原材料构成，并充分利用泡沫混凝土的良好特性，不仅可以实现墙体现浇，而且还可以用在人防工程新型领域。因此，有必要对发泡混凝土的物理力学性能深入研究。

本文在最优配合比的基础上，对页岩陶砂泡沫混凝土抗压强度、导热系数、吸水率和干表观密度等性能进行了试验研究，并针对某一待建工程，以页岩陶粒(陶砂)为骨料，对结构为页岩陶粒混凝土、外围护墙(保温为干挂龙骨)为页岩陶砂泡沫混凝土的保温系统，以及屋顶保温层为页岩陶砂泡沫混凝土的组合方式，进行了热工模拟计算。

1 试验原材料

(1)粗骨料。

页岩陶粒：粒径为5 mm～20 mm、表观密度为952 kg/m3～1000 kg/m3、堆积密度为567 kg/m3～765 kg/m3、密度等级为600级～800级，吸水率为8.9%～10.9%。

(2)细骨料。

陶砂：堆积密度为602 kg/m3～772 kg/m3，密度等级为600级～800级，细度模数为2.32～3.37，连续级配。

(3)水泥。

采用某市坚固水泥厂生产的P.C32.5坚固牌复合硅酸盐水泥。

(4)矿物外加剂。

粉煤灰：某电厂产Ⅱ级粉煤灰，物理性能指标见表1。

表1 粉煤灰物理性能指标

(5)化学外加剂。

采用某公司生产的聚羧酸母液高效减水剂和某机械制造有限公司生产的发泡剂。经试验测定，聚羧酸母液高效减水剂的减水率为40%，掺量易为总胶凝材料总量的0.6%～1.6%，发泡剂固体含量为18.9%，泡沫体积为675%，发泡时间依据搅拌料的总量进行控制，试验温度宜在5℃～25℃。

2 最佳配合比

通过正交试验分析可知，各材料的质量比为水泥∶粉煤灰∶陶砂(粒径≤1 mm∶1 mm～3 mm∶3 mm～5 mm)=230∶150∶440，亦即1∶0.65∶1.91，每m3混凝土水泥用量为230 kg。

3 页岩陶砂泡沫混凝土设计

3.1 试验方法

试验步骤参照《JG/T266-2011)泡沫混凝土》和绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法(GB/T 10294-2008)，稠度宜控制在110 mm～120 mm，采用标准试验方法测试混凝土立方体抗压强度、干密度、导热系数、吸水率。其中，抗压强度、干密度、吸水率试件规格为100 mm×100 mm×100 mm，导热系数试件规格为300 mm×300 mm×30 mm。

3.2 性能指标

混凝土性能指标如表2所示。以最优配合比进行试验，得出立方体抗压强度为5.57 MPa，导热系数为0.16 W/m·k，干表观密度为1 017 kg/m3，经过反复试验，试验结果稳定，该结果达到了泡沫混凝土C5.0的设计强度要求。

表2 以最优配合比配制的混凝土性能指标

3.3 参数对比指标

参数对比指标如表3所示。根据表3的对比分析可知，页岩陶砂泡沫混凝土的保温及吸声效果远好于普通混凝土，且相同厚度的页岩陶砂泡沫混凝土墙体的耐火性能优于普通混凝土；页岩陶砂泡沫混凝土的耐火性能优于聚苯乙烯泡沫板。

表3 参数对比指标

4 工程概况及建筑热工分析

以某一待建某工程为例，6层框架剪力墙结构。其中，地下1层，地上5层，建筑高度为24.6 m，层高4.5 m，建筑面积A0=400 000 m2，建筑体积V0=1 560 000 m3，换气体积V=0.65V0=1 014 000 m3，建筑物体形系数S=0.02。楼梯间采暖，采暖期天数为98 d[4]，采暖期室外平均温度为1.4 ℃[4]。

4.1 建筑节能措施

4.1.1 框架结构

该建筑主体框架结构的梁、板、柱采用普通混凝土，梁、柱尺寸分别为300 mm×800 mm、500 mm×500 mm。普通混凝土的导热系数为1.74 W/(m·k)[4]。

4.1.2 节能屋顶结构

屋顶采用页岩陶砂泡沫混凝土取代普通混凝土，因其导热系数为0.1 W/(m·k)[5]，较普通混凝土低16.4倍，从而可进一步地降低房屋的整体热导率。

4.1.3 节能外围护结构

本工程的外围护墙采用页岩陶砂泡沫混凝土，厚度为200 mm，其导热系数为0.16 W/(m·k) ，较普通混凝土低10.5倍，外层采用轻钢龙骨铝板装饰保温构造。

4.2 建筑结构热工计算

表4 各部分围护结构的传热系数和传热面积

采暖耗煤量指标如下式：

qC=24zqH/HCη1η2

(1)

式中：z为采暖期天数,d；qH为建筑物耗热指标,w/m2；HC为指标煤热值，取8.14×102w·h/kg；η1为室外管网输送效率，采取节能措施前取0.85，采取节能措施后，取0.90；η2为锅炉运行效率，采取节能措施前，取0.55，采取节能措施后，取0.68。

文献[5]指出，框架结构采用普通混凝土，外墙采用240 mm陶粒混凝土砌块，外保温采用聚苯板保温时，其采暖耗煤量为8.113 kg/m2，节能率为67.8%；当框架结构采用普通混凝土，外墙外墙采用240 mm陶粒混凝土砌块，外保温采用水泥基玻化微珠保温系统时，采暖耗煤量为5.95 kg/m2，节能率为63.29%。根据1980年我国通用设计能耗水平指标为25.2 kg/m2，由以上各表计算结果可知本方案框架结构采用普通混凝土，外墙采用200 mm的页岩陶砂泡沫混凝土，装饰层为轻钢龙骨铝板，屋顶保温为页岩陶砂泡沫混凝土，其采暖耗煤量为3.97 kg/m2，节能率为84.2%，超过65%建筑节能标准，优于外墙采用陶粒混凝土砌块时的节能率，同时避免了因聚苯泡沬板与结构寿命不同步的问题。

5 结 语

(1) 页岩陶砂泡沫混凝土的最佳配合比为水泥∶粉煤灰∶陶砂(粒径≤1 mm∶1 mm～3 mm∶3 mm～5 mm)=230∶150∶440，亦即1∶0.65∶1.91，每m3混凝土水泥用量为230 kg，该结果达到了泡沫混凝土C5.0的设计强度要求。

(2) 通过试验分别测定了页岩陶砂泡沫混凝土的立方体抗拉强度、干密度、吸水率、导热系数等性能指标，分别满足相应强度等级技术指标要求。

(3) 页岩陶砂泡沫混凝土的保温性能、隔音性能、耐火性能均优于普通混凝土，且热变形性能优于聚苯乙烯泡沫板。

(4) 框架结构采用普通混凝土，外墙采用200 mm页岩陶砂泡沫混凝土，装饰层为轻钢龙骨铝板，屋顶保温为页岩陶砂泡沫混凝土，采暖耗煤量为3.97 kg/m2，其节能率为84.2%，超过65%建筑节能标准，优于目前外墙采用聚苯板保温时的节能效果。

[1] 龚洛书,柳春圃.轻集料混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1996:201-203.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JG/T 266-2011泡沫混凝土[S].2011:1-16.

[3] 邓友生,段邦政,李玉博,等.干湿态泡沫混凝土吸声系数研究[J].混凝土.2016(9):1-5.

[4] 徐占发.建筑节能技术实用手册[M].北京:机械工业出版社,2004:257-279.

[5] 王玉.基于结构保温的高性能陶粒混凝土试验研究[D].河南:河南理工大学,2011:55-65.

[6] 高原,张君.加气混凝土自保温与聚苯板外保温墙体保温隔热性能对比[J].新型建筑材料,2010(3):48-52.

[7] 梁向东,王宗昌.泡沫混凝土及其在工程中的应用[J].门窗,2006(2):26-28.

Application of Shale Ceramic Sand Foam Concrete in Building Energy Saving

CHEN Jing1, ZHANG Peng2

(1.Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;2.China Construction Seventh Engineering Division Corp LTD, Zhengzhou 450000, China)

With the implementation of standards of buildings energy efficiency, new building materials related to building energy efficiency have been developed rapidly. Owing to the good performance of foam concrete using ceramic sand as aggregate, the concrete is used in structures of the exterior wall and interior wall. As a result, it not only can reduce the weight of the building, but also meet the requirements of building energy efficiency. Therefore, in the paper ceramic sand as aggregate is taken as aggregate, basic parameters of compressive strength, thermal conductivity, bibulous rate and the dry bulk density can be obtained when optimal mixing proportion is used. Then integration system of insulation building which has a good the economy energy rates is founded. It is helpful for engineering application.

SCSFC; best mixture ratio; the compressive strength; thermal conductivity; thermal calculation

2016-11-05

陈静(1987-)，女，河南周口人，硕士，助教，主要从事建筑材料方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.01.015

TU528

A

1674-5403(2017)01-0052-04