结构陶粒自保温体系在建筑中的应用分析

2018-07-20刘军董恒瑞秦砚瑶尹亚柳

重庆建筑 2018年7期

刘军，董恒瑞，秦砚瑶，尹亚柳

（中煤科工集团重庆设计研究院有限公司绿色建筑技术中心，重庆 400016）

0 引言

建筑能耗、工业能耗和交通运输能耗并称为社会“三大能耗”，建筑能耗占社会总能耗的30%左右，在严峻的能源形势下，推行建筑节能已是世界性潮流[1]，推动生态文明建设必然要将建筑节能工作放在重要位置，对保证能源安全、保护环境、提高生活水平、拉动经济增长等都具有重要意义。

自重庆执行建筑节能设计标准以来，建筑外墙主要以外保温作为主要形式，外墙外保温具有施工工艺成熟、保温性能优异等特点[2]，但保温系统的耐久性问题一直是致命缺陷。无论是聚苯板还是胶粉聚苯颗粒浆料，其使用寿命约为10～20年，而一般建筑的设计使用年限为50年，外保温系统无法与建筑同寿命，且使用阶段保温层存在空鼓、开裂、脱落等风险。为积极探索和优化建筑外墙保温形式、提升建筑外保温工程质量，重庆市陆续颁布相关墙体自保温应用技术规程和图集，引导和规范本地建筑外墙自保温系统的应用，但建筑梁柱等主体结构部位热桥仍需采用附加保温措施，为实现真正意义上的建筑整体自保温，提出全新的结构陶粒混凝土自保温体系的概念，充分利用陶粒混凝土轻质高强的特性，外墙热桥梁柱无需再额外采取保温措施。

1 结构陶粒混凝土设计生产

采用结构陶粒混凝土代替传统的普通混凝土作为承重结构材料应用于建筑物，借助陶粒混凝土导热系数低的优势，从根本上改善建筑热桥部分的保温性能。此设计做法既可以放宽对墙体砌块导热系数的要求，又能避免做内外保温所带来的“后遗症”。热桥部分导热系数的下降，配合采用保温性能良好的砌块，无需任何内外保温做法，就可以基本满足南方地区规范对外墙平均传热系数的要求，做到真正意义上的自保温。

经初步节能和结构计算，1800级LC35陶粒混凝土可满足建筑结构安全和保温要求，兼具承重和自保温效果。

由于陶粒生产质量水平有限，按照标准规定进行配合比设计，结果出入较大。笔者结合相关文献资料和研究经验，在水胶比、骨料占比、陶粒上浮率以及试件强度“四因素”的反馈信息指导下进行1800级LC35混凝土配合比设计[3]。具体见表1、表2、图1。

表1 LC35结构陶粒混凝土配合比（kg/m3）

表2 试验结果汇总

图1 新拌结构陶粒混凝土

2 结构陶粒混凝土施工

陶粒混凝土施工过程与普通混凝土基本一致，主要控制点是泵送压力。加压条件下结构陶粒混凝土中的水分将部分进入陶粒中，造成混凝土可泵性下降。

通过泵送中试试验发现，结构陶粒混凝土入泵时坍落度不小于200mm为宜，在开始泵送前，要采用润管砂浆充分润滑管道，在管道中存留悬浮运动的润滑层，泵送时应处于匀速缓慢运行并随时可反泵的状态。泵送速度应先慢后快，逐步加速。

结构陶粒混凝土拌合物较普通混凝土更易出现离析、泌水及陶粒上浮情况。结构陶粒混凝土出现离析分层或陶粒上浮分层时，对强度及保温性造成影响，结构陶粒混凝土构件在受弯或偏心受压状态下，更易出现非正常破坏。因此，结构陶粒混凝土不仅要具有良好的流动性，也要具有较好的自密实能力，通过减少振捣作用，保证混凝土整体均匀性。

3 模型及分析

以典型多层洋房和高层住宅项目为模型，分析两种不同（多层、高层）住宅应用结构陶粒混凝土自保温体系的优势（图2）。

图2 项目效果图

（1）某多层住宅，位于重庆市綦江区，总建筑面积约4773m2，为板式花园洋房，共3个单元6户，地上共8层，地下两层车库，层高3.0m，总计24m。

（2）某高层住宅，位于重庆市江北区，总建筑面积22196m2，为高层住宅，层数33层，建筑高度100m。

为研究结构陶粒自保温体系和传统常规体系（混凝土结构+结构外保温体系）在两种不同建筑类型中的受力情况、节能效果及经济性，采用专业软件进行模拟计算多层住宅和高层住宅建筑结构造价、围护墙体成本以及节能效果等。

3.1 结构及造价分析

该项目采用1800级LC35结构陶粒混凝土替代普通混凝土作为建筑主体结构，对多层住宅和高层住宅进行结构受力分析和成本对比。利用结构设计软件PKPM-SATWE对数据资料作适当调整修订，得出两种不同结构形式的受力情况及在地震作用下的自振周期、层间位移，并对给出的抗剪及正常使用极限状态下的结果进行人工复核，确定配筋用量[4]。

模拟计算是在其他外围护结构热工参数符合规范规定且保持不变的情况下进行，本次模拟分析时围护墙材均为A3.5 B06级普通蒸压加气混凝土砌块。

3.1.1 多层住宅建筑

表3 多层住宅两种不同结构形式受力对比

表4 多层住宅两种不同结构形式建筑材料用量对比

由表3、表4可知：结构陶粒混凝土代替普通混凝土，地震作用下的最大层间位移角比普通混凝土结构大，但未超过《建筑抗震设计规范》GB50011-2010规定的限制1/550。陶粒混凝土替代普通混凝土，其周期比基本不变，单纯改变材料品种，结构扭转刚度变化不明显。

对多层建筑而言，由于结构陶粒混凝土强度设计值fc与普通混凝土相同，结构陶粒混凝土的弹性模量ELC与普通混凝土的弹性模量EC差别较大。以1800级LC15～LC60结构陶粒混凝土为例，其弹性模量ELC/EC≈64%～78%，剪切弹性模量GLC约为普通混凝土剪切模量GC的40%左右，陶粒混凝土结构形式的位移角增大。

因此在结构设计时，结构陶粒混凝土主体钢量增加，主体陶粒混凝土方量增大，但建筑结构总重量减少了2200t，基础部位钢筋和混凝土用量降低。

多层结构造价比较：

钢筋增量：298.19t-277.43t=20.76t

钢筋增加成本：20.76t×3000元/t=62880元

陶粒混凝土造价：5054.37m3×550=2779903元

普通混凝土造价：4721.16m3×350=1652406元

结构总成本增加：2779903+62880-1652406=1190377元

单从结构材料用量上分析，采用结构陶粒混凝土自保温，建筑成本增量约为119.4万元，该成本增量未将基础造价成本降低量考虑进去，另外，分户楼板为160mm陶粒混凝土，满足分户楼板隔热、隔声性能要求。

3.1.2 高层住宅建筑

表5 高层住宅两种不同结构形式建筑材料用量对比

由表5可知：高层住宅结构重量减少12%左右，基础钢筋和基础混凝土用量降低，但由于实际设计中基础归并系数往往大于主体，故基础混凝土和钢筋用量差别不大。

高层结构造价比较：

钢筋增量：753.76 t-711.00t=42.76t

钢筋增加成本：42.76t×3000元/t=128280元

陶粒混凝土造价：7763.84方×550=4270112元

普通混凝土造价：6767.12方×350=2368492元

结构总成本增加：4270112+128280-2368492=2029900元

单从结构材料用量上分析，采用结构陶粒混凝土自保温，建筑成本增量约为203万元。

由于陶粒混凝土还未大规模生产应用，导致陶粒混凝土单价较高，采用结构陶粒混凝土方案后建筑有部分成本增量，但综合考虑结构陶粒混凝土的使用效果，项目整体成本增量并不高，特别是在后期运营阶段，其保温性能、抗震性能、低维护属性将逐渐凸显。

3.2 节能及成本对比

3.2.1 多层住宅建筑

该多层住宅项目外围护墙体采用蒸压加气混凝土砌块，其中普通混凝土体系采用220mm厚普通蒸压加气混凝土砌块，热桥采用20mm保温材料，结构陶粒混凝土自保温体系采用200mm厚蒸压加气混凝土精确砌块、采用薄层砌筑。节能计算基于重庆市《居住建筑节能65%设计标准》DBJ50-071-2016，采用“建筑节能分析软件—PKPM（重庆版），PBECA Build2016.11”进行计算。经计算，外墙传热系数为1.42 W/（m2·K），不满足《居住建筑节能65%设计标准》DBJ50-071-2016中表4.2.1中的限值，但满足《居住建筑节能65%设计标准》外墙传热系数小于1.50 W/（m2·K）的要求值；现对建筑围护结构热工性能进行综合判断，见表6。

表6 多层住宅能耗判断

图3 多层建筑住宅能耗

表6计算结果显示：设计建筑的单位面积全年能耗均小于参照建筑的单位面积能耗，节能率均已达到重庆市《居住建筑节能65%设计标准》DBJ50-071-2016的节能要求。

表7 多层住宅保温造价对比

由表7可知：与传统保温形式相比，陶粒混凝土结构自保温节能造价可节约207670-162688≈45万元；采用160mm厚陶粒混凝土楼板，可免去分户楼板保温施工，节约该项造价约51.0万元。结合结构成本增量其综合造价：增幅119-45-51=23万元（单位面积增量约20元/㎡），同时考虑到地基、施工周期、保温形式后期等优势更明显。

3.2.2 高层住宅建筑

对比普通混凝土方案和结构陶粒混凝土自保温方案的节能效果。详见表8。

表8 高层住宅节能对比

两种方案的节能率均符合《居住建筑节能65%设计标准》DBJ50-071-2016的规定，结构陶粒混凝土自保温方案的节能率比普通混凝土方案高1.85%，节能效果明显。

计算参数：200mm厚普通烧结页岩空心砌块按85元/m2；200mm厚蒸压加气混凝土500级薄层砌筑按100元/m2；岩棉板（垂直纤维）按80元/m2；全轻混凝土按45元/m2。

高层住宅采用剪力墙结构，因热桥面积较大，传统混凝土方案保温造价约为2755695元，而采用结构陶粒混凝土自保温方案保温造价仅为65810元，自保温方案节省成本2689885元，抵消结构成本增量203万元，综合造价节约65.98万元；考虑地基、施工周期、保温形式后期优势将更明显。

4 工期成本

采用结构陶粒混凝土自保温体系，免去了大量的热桥外保温施工环节[5]，特别是在该体系中采用蒸压加气混凝土精确砌块薄层砌筑技术，将免除外墙附加保温构造，其综合施工工期可以明显缩短，根据工程经验，对该多层和高层住宅项目，在砌筑工程阶段每层可缩短0.25～0.5d，装修（外墙粘贴保温板等）阶段每层可缩短工期1～1.5d，综合考虑每层可缩短工期1.25～2d，该多层住宅项目可缩短10d以上，高层住宅项目可缩短42d以上。在人工成本，机械租赁，项目管理等环节可进一步降低成本。