异型啮合式轻集料混凝土复合自保温砌块的块型设计及相关性能研究

2018-08-10彭红刘立军

新型建筑材料 2018年7期

彭红，刘立军

（1.重庆建筑工程职业学院，重庆 400070；2.重庆市建筑科学研究院，重庆 400050）

0 引言

当前，现有的混凝土砌块大多达不到自保温的要求，通常需要额外加做保温层，这样不仅浪费材料、增加成本，同时也提高了施工难度，容易出现质量问题[1]。为了响应国家建筑节能的号召，自保温混凝土砌块应运而生，通过在砌块中引入孔洞、筛选使用轻质保温原材料等措施，以使砌块达到自保温的目的。同时，在砌筑过程中配套使用专用砌筑砂浆，可以显著改善墙体的热工性能，得到真正意义上的节能型混凝土砌块墙体自保温系统。

本试验研发的异型啮合式轻集料混凝土复合自保温砌块，是以水泥为胶结材料、轻质工业废渣为主要轻集料、页岩粉末为混合料，且加入适当的外加剂，经机械压制而成的平面呈Z型且中间有空气层和双排空腔，其空腔内用有机或无机保温材料填充的一种自保温墙体材料。同时配套研发了在砌筑砌体时与主规格砌块配合使用、主要用于门窗洞口和砌体两端的配块。该自保温系统具有导热系数低、保温隔热效果明显、并能很好的解决目前墙体自保温系统在建筑中使用出现热桥等技术问题，同时啮合式设计提升了墙体的整体稳定性。

1 复合自保温砌块结构的优化设计研究

目前墙体自保温系统主要用于建筑体系中的填充墙部位，传统填充墙采用的实心混凝土砌块形式单一，热桥现象突出，严重制约了墙体的整体保温隔热性能[2]。为解决热桥对墙体的热工性能及房间舒适度的影响，本试验打破了传统墙体材料的常规外形设计，对其作了进一步优化，采用平面呈Z型，侧面设有凸台和凹槽，且中间设有空气层和双排空腔的外形（见图 1），砌块尺寸为 350 mm×230 mm×180 mm（长×宽×高），其中砌块最小外壁厚不应小于25 mm，最小肋厚不应小于20 mm。经测定，其干表观密度为900 kg/m3、吸水率控制在18%以下，抗压强度最高达到5 MPa。通过Z型设计、双排空腔填充约60 mm厚的保温材料及在砌块中间设计1个约10 mm宽的静止空气层等措施，隔断及部分延长热传导的路径，显著降低了固体部分的传热，解决热桥问题，同时所引入的凸台和凹槽的啮合设计，可以提高砌筑墙体的整体性和稳定性。

图1 主砌块的构造

目前，在很多实际工程中，填充墙体在砌筑门窗洞口部位或满足错缝要求时，大量使用的配砖是实心烧结砖。而实心烧结砖的导热系数远远超过了自保温砌块，这种砌筑选材对整个墙体的热工性能非常不利。因此，为确保墙体保温隔热的效果，在墙体门窗洞口和砌体两端的部位，应使用配套生产的小砌块。

本试验针对Z型主砌块的规格，专门研究设计了与其配套使用的2种规格小砌块，长×宽×高都为180 mm×230 mm×180 mm，主要区别在于侧面凸台和凹槽的设计，其构造见图2。配块沿长度方向的两空腔之间肋的位置应确保能与空气层垂直相交，以避免热桥的形成，有效提高配块的保温隔热性能。

图2 配套砌块的构造

2 复合自保温砌块的制备及性能研究

2.1 砌块的制备

2.1.1 原材料及配合比

水泥：P·O42.5水泥；工业煤渣：含碳量不大于10%，细度与混凝土的细骨料粗砂接近，最大粒径不大于10 mm，且考虑其作为砌块中的轻集料使用，要求煤渣的绝干体积密度为300～900 kg/m3；混合料：硅质页岩，重庆，其塑性指数为 12.7，化学成分及颗粒级配分别见表1、表2；减水剂：FDN萘系高效减水剂，其推荐掺量为水泥用量的0.5%～1.0%，各项技术指标应符合GB 8076—2008）《混凝土外加剂》的规定。

表1 页岩的化学成分 %

表2 页岩的颗粒级配

异型啮合式轻集料混凝土复合自保温砌块是以水泥为胶结材料、轻质工业废渣为主要轻集料、页岩粉末为混合料，且加入适当的外加剂制备而成。根据项目前期试验数据分析，确定异型啮合式轻集料混凝土复合自保温砌块的最佳配合比为：m（水泥）∶m（工业煤渣）∶m（页岩粉）∶m（水）=1：0.96：0.5：0.6，外加剂根据需要适量掺加。

2.1.2 砌块的制备工艺流程

考虑到轻集料工业煤渣的吸水率较大，为提高砌块混凝土的强度，在搅拌前采取预加水的措施，使煤渣在成型前吸足水分。本项目采用的预湿搅拌工艺流程为：水→煤渣+页岩粉+水泥→搅拌→水→搅拌→砌块混凝土拌和物。整个过程的拌合时间为2 min。

砌块的成型是砌块生产的关键工序，根据自保温砌块优化后的块型结构制备了配套的钢制模具，在灌注混凝土前，应将空腔填充的保温材料预先安放在钢模中的设定位置，并在钢模内壁涂刷一层脱模剂。然后将搅拌好的混凝土拌合物灌入钢模中，在振动台上振捣2 min左右取下，放入标准养护箱中养护48 h后脱模，之后将砌块放置在温度不低于20℃的环境中养护10～14 d，在整个养护期间要始终保持砌块处于潮湿状态。

2.2 相关配套材料研究

2.2.1 空腔填充材料的筛选

在不增加异型啮合式轻集料混凝土砌块生产难度的前提下，采用热工性能优异的保温材料填充异型砌块双排空腔的方法，以大幅度降低砌块的导热系数，制备复合型异型啮合式轻集料混凝土砌块。

为分析研究在空腔内填充不同类型的保温材料对砌块热阻的影响，结合市场需求，分别采用XPS板、岩棉板及发泡水泥等材料进行对比试验，测得的各组砌块的热阻如表3所示。

表3 空腔填充不同保温材料的异型啮合式

混凝土复合砌块的热阻

从表3可以看出，砌块空腔采用XPS板填充时，其热阻达到1.35（m2·K）/W，保温隔热性能优于填充岩棉板和发泡水泥的复合砌块。

2.2.2 配套砌筑砂浆的研究

由于自保温砌块质轻、保温性能好，而普通水泥砌筑砂浆的导热系数较大，其产生的附加能耗已经成为节能建筑实际能耗中的一个重要组成部分[3]。为确保异型啮合式轻集料混凝土复合砌块墙体的热工性能，组成真正意义上的节能型轻集料混凝土复合砌块墙体自保温系统，完善以“异型啮合式轻集料混凝土复合砌块”为核心的自保温技术体系，本试验不仅对砌块块型结构和空腔填充材料进行了优化设计及筛选，而且对其配套使用的砌筑砂浆也进行了初步的研究。结合前期的研究成果和工程实际应用的情况，本试验选用具有优良保温隔热性能的膨胀玻化微珠保温砂浆作为异型啮合式砌块的配套砌筑砂浆，其各项性能指标符合JG/T 283—2010《膨胀玻化微珠轻质砂浆》的相关规定。

以优选的空腔内填充XPS板的异型啮合式轻集料混凝土自保温砌块（以下简称XPS填充复合砌块）为例，假设墙体中砌筑砂浆灰缝厚度均为10 mm，墙体两侧水泥砂浆抹灰层厚度均为20 mm，分析水泥砌筑砂浆和膨胀玻化微珠砌筑砂浆对墙体热工性能的影响。砌体材料的性质见表4，在实验室测得的使用不同砌筑砂浆砌筑异型啮合式砌块砌体的热工性能见表5。

表4 砌体材料的性能

表5 不同砌筑砂浆砌筑XPS填充复合砌块砌体的热工性能

由表4、表5可以看出，在相同条件下，膨胀玻化微珠砌筑砂浆砌体的传热系数比水泥砌筑砂浆砌体降低了约20%，当量导热系数降低了27%。表明水泥砌筑砂浆灰缝在砌体中形成了“热桥”，在自保温墙体中，大量热量可以通过灰缝快速的传递，这不仅降低了墙体的保温隔热效果，而且容易在灰缝中产生热应力，导致墙体开裂及渗漏风险增大。因而灰缝带来的能耗在自保温墙体中是不可忽略的，而膨胀玻化微珠砌筑砂浆与异型啮合式砌块的导热系数相近，避免热桥的产生，同时保温砌筑砂浆也减少了灰缝的附加能耗。因此异型啮合式轻集料混凝土自保温砌块墙体应选择JG/T 283—2010《膨胀玻化微珠轻质砂浆》中的砌筑型砂浆，从而使墙体达到真正的自保温功能。