新型复合结构冷热桥绝热构件实验研究与模拟分析

2021-07-30郭媛媛李洪强高星刘丽芳

新型建筑材料 2021年7期

郭媛媛，李洪强，2，3，高星，刘丽芳

（1.湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082；2.湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室，湖南长沙 410082；3.国家级建筑安全与环境国际联合研究中心，湖南长沙 410082；4.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201）

装配式建筑采用标准化设计、工厂化生产、装配化施工、信息化管理、智能化应用，是建筑行业发展的一大趋势[1]。但是由于特殊构造方式，装配式建筑各构件衔接处更易出现冷热桥现象。冷热桥的存在不但导致热量集中散失，还可能引起结露，产生霉菌，甚至破坏建筑结构，影响墙体的热工性能[2-3]，如何减轻冷热桥的影响对装配式建筑的发展至关重要。

针对装配式建筑冷热桥问题，国内外诸多学者展开了研究。Ge H等[4]针对阳台板冷热桥问题，改变楼板与阳台构造，引入一个由EPS模块组成的阳台隔热板，可有效减少阳台板的传热，地面最低温度从6.1℃提高到12.5℃，供暖能耗降低5%～13%。Erdem Cuce等[5]针对住宅冷热桥问题，对建筑内部进行超保温改造，在内墙上设置20 mm厚的气凝胶覆盖层，结果表明,仅内部改造并不是减少住宅建筑热损失的有效方案，墙体热流从0.66 W/m2升至5.86 W/m2。Adriano等[6]对巴西轻钢框架建筑的围护构件冷热桥进行数值模拟分析，与非金属结构相比，加入内部金属框架时峰值热负荷增加了约10%，每年能源使用增加约5%。

对于装配式建筑，大量结构接缝处冷热桥带来的建筑冷热损耗是不容忽视的，应该采取特殊措施解决。Oh J M等[7]针对金属幕墙接缝处冷热桥，在金属面板与支架的连接处，提出采用导热系数更低的塑料框架替代金属框架，结果表明，替代版金属幕墙导热系数降低了72%，可有效减少金属板连接处热损失。Stefano等[8]发现，建筑接缝处冷热桥不仅有热损失且容易滋生霉菌，对建筑冷热桥内侧进行绝热处理，涂覆保温底漆，在提升保温隔热性能的同时，还可有效抑制霉菌生长。

综上所述，出于保温隔热和降低能耗的考虑，一般采用结构保温、构造设计、替代导热系数大的材料等方式降低冷热桥对建筑热工性能的影响，但通常需根据建筑实际情况提供改造方案，不易推广应用。本研究在前期工作中，探索了农林废弃物制备建筑保温材料的可行性[9-11]，该种新型生物质基复合保温材料具有良好的防火阻燃性、绝热性以及高力学强度等性能。在本研究中，将该种材料作为基础材料，并通过复合结构设计，探索其作为建筑冷热桥绝热构件的可行性。

1 复合结构冷热桥绝热构件设计与研究方法

1.1 复合结构冷热桥绝热构件设计

复合结构冷热桥绝热构件的构造如图1所示。构件为均质直角构件，置于楼板与外墙衔接处，起到局部保温隔热的作用，可设置内部构件或外部构件。构件的结构组成从外到内有3层（见图2），分别为粘结层、防水层和基础材料。此外还有1层表面保护膜，在实际施工过程中去除。

图1 复合结构冷热桥绝热构件结构组成

图2 楼板与外墙衔接处冷热桥节点构造

1.2 复合结构冷热桥绝热构件多目标性能研究

复合结构冷热桥绝热构件用于解决装配式建筑楼板与外墙衔接处的冷热桥问题，基础材料本身具有良好的热工性能和力学性能[9-10]。为满足构件应用环境的各种要求，本文主要研究了构件的防水性能、防潮性能、粘结性能及绝热性能。

1.2.1 复合结构冷热桥绝热构件的防水与防潮性能

复合结构冷热桥绝热构件会与潮湿空气或水直接接触，从而影响其绝热性能，因此需进行防水处理。防水处理方法分为表面防水和内掺防水[11]，内掺防水对基础材料的性能及固化效果有一定影响，因此在研究选择外加防水层的表面防水增强方式。

在制备好的基础材料试样表面涂覆防水剂，常温常压下静置48 h，使构件表面形成防水层。涂刷时用细毛刷纵横交错涂于基材表面，喷涂时均匀喷洒，浸渍时将基材完全没于防水剂中2 h以上，使防水剂充分渗透。

对试样进行防水和防潮性能测试，探究防水剂种类、表面处理方式及防水层涂覆次数对构件防水与防潮性能的影响，用吸水率R1和吸湿率R2表征，试样编号及处理见表1。

表1 复合结构冷热桥绝热构件防水与防潮性能测试试样处理

式中：R1——吸水率，%；

Mw——试样吸水后的质量，g；

Md1——防水测试中试样干燥时的质量，g。

式中：R2——吸湿率，%；

Mm——试样吸湿后的质量，g；

Md2——防潮测试中试样干燥时的质量，g。

1.2.2 复合结构冷热桥绝热构件的粘结性能

复合结构冷热桥绝热构件无需承压，与外墙和楼板的连接方式可采用胶粘连接，与其他连接（铆接、螺接等）方式形成的接头相比，胶接接头应力分布均匀，可连接不同材质构件，并且可避免零星冷热桥的产生，操作相对简单。

对试样进行粘结性能测试，粘结层采用常见的环氧树脂胶粘剂，将构件与混凝土材料粘结，用万能拉力试验机进行胶层剪切强度τ测试：

式中：τ——剪切强度，MPa；

Fmax——试样破坏时的最大载荷，N；

S——剪切面积，mm2。

1.2.3 复合结构冷热桥绝热构件的绝热性能

复合结构冷热桥绝热构件在不同应用场景下的绝热性能存在差异，同时为探究构件设计参数对绝热性能的影响，本研究建立外墙与楼板衔接处冷热桥节点模型，采用fluent进行稳态传热模拟，分析冷热桥影响区域的温度场。

2 复合结构冷热桥绝热构件实验研究

2.1 复合结构冷热桥绝热构件实验目标与流程

2.1.1 防水性能测试

测量试样外加防水层后吸水率随吸水时间的变化情况，连续记录72 h。将涂覆防水剂的试样置于干燥箱中105℃烘干4 h，称量试样干燥时的质量Md1；将试样浸在装有水的烧杯中静置，如图3所示。测量时将试样移出，用吸水纸擦拭表面水分，无残余水分后立即称量试样吸水后的质量Mw。

图3 复合结构冷热桥绝热构件防水性能测试

2.1.2 防潮性能测试

测量试样外加防水层后的吸湿率。将涂覆防水剂的试样置于干燥箱中105℃烘干4 h，称量试样干燥时的质量Md2；将试样放入接近100%相对湿度的含水密封玻璃器皿中，如图4所示。每隔24 h称重，直到连续3个试样的质量变化小于总质量的0.1%，可视为达到恒重，然后记录试样的吸湿后的质量Mm。

图4 复合结构冷热桥绝热构件防潮性能测试

2.1.3 粘结性能测试

测量试样外加粘结层后的粘结性能。将构件与混凝土材料粘结，胶粘剂固化后用万能拉力试验机进行胶层剪切强度的测试，匀速施加载荷，速度为5 mm/min，记录试样破坏时的载荷Fmax，根据式（3）计算剪切强度τ。

2.2 复合结构冷热桥绝热构件实验结果与讨论

2.2.1 防水与防潮性能实验结果与讨论

复合结构冷热桥绝热构件防水与防潮性能测试结果如表2、表3所示。

表2 复合结构冷热桥绝热构件的防水性能

表3 复合结构冷热桥绝热构件防潮性能

由表2、表3可见，与无防水层的1#试样相比，外加防水覆层的试样吸水率明显降低，其中采用有机硅防水剂的2#试样效果最好，吸水率较1#试样降低了13.88个百分点。这是由于基础材料的偏高岭土中含二氧化硅，制备过程中与碱反应生成硅酸盐，有机硅防水剂的活性成分可与硅酸盐表面的羟基等活性基团反应，形成网状防水膜层，从而具有较好的防水性。不同表面处理方式中，涂刷效果最好，比喷涂更加均匀，比浸渍渗透效果更好。而涂刷次数越多，防水效果越好，涂刷4次防水剂的7#试样吸水率仅为18.54%，相比涂刷1次的5#试样，吸水率降低了13.65个百分点。同样，无防水覆层的1#试样吸湿率为6.99%，7#试样吸湿率最小，为2.12%，相比1#试样降低了4.87个百分点，该试样采用有机硅防水剂的防水层，表面采用涂刷方式涂刷4次。

在实际工程应用中，防水层建议选择有机硅防水剂，采用涂刷的表面处理方式，协同考虑工程防水等级要求以及经济成本，从而确定涂刷次数，建议为2次。

2.2.2 粘结性能实验结果与讨论

复合结构冷热桥绝热构件粘结性能试验如图5所示，施加一定载荷后，试样在构件与混凝土材料的胶接处破坏。试样胶层的剪切强度见表4。

图5 复合结构冷热桥绝热构件粘结性能试验

表4 复合结构冷热桥绝热构件剪切强度值

由表4可见，在测试的8个试样中，剪切强度最小为0.198 MPa，最大为0.536 MPa，均大于常用保温材料0.10 MPa的要求。

3 复合结构冷热桥绝热构件应用场景模拟分析

3.1 复合结构冷热桥绝热构件应用场景建模

建立装配式建筑楼板与外墙衔接处冷热桥节点的传热模型，楼板与外墙的位置关系为齐平式构造，采用预制轻质板材，其中楼板采用钢骨架轻型板，外墙采用蒸压加气混凝土板[12]。楼板、外墙板材及复合结构冷热桥绝热构件性能参数如表5所示。根据规范，以长沙市为例，室内和室外设计温度分别设定为20℃和-1.9℃，外墙内外表面换热系数分别为8.7 W/（m2·K）和23.0 W/（m2·K）[13-14。

表5 楼板、外墙板材及复合结构冷热桥绝热构件性能

3.2 复合结构冷热桥绝热构件应用场景模拟结果与讨论

3.2.1 复合结构冷热桥绝热构件不同应用场景下的绝热性能

针对外墙与楼板衔接处冷热桥节点不设置构件、设置内部构件和设置外部构件这3种应用场景，分别进行稳态传热模拟分析，如图6所示。

图6 不同应用场景下外墙内表面温度变化

由图6可以看出，外墙与构造衔接处距离大于300 mm后，内表面温度保持稳定，说明该模拟状况下冷热桥影响区域为0～300 mm，因此后文主要讨论构件设计参数对该区域温度的影响。不设置构件时，外墙内表面温度稳定时为14.4℃，冷热桥影响区域最低温度为11.9℃。冬季工况下室内温度20℃，相对湿度60%，可得露点温度为12℃，此时室内可能出现结露现象。设置内部构件和外部构件后，外墙内表面温度明显升高，说明构件在实际应用场景中具有良好的绝热性能，可有效减少外墙与楼板衔接处冷热桥产生的热量散失，提高外墙内表面温度，避免出现结露甚至发霉的问题，保护建筑结构。

3.2.2 复合结构冷热桥绝热构件关键参数影响特性分析

模拟复合结构冷热桥绝热构件在不同宽度和厚度下的传热情况，设置构件时，建议宽厚比大于2，其中构件宽度在400 mm以内，厚度在30 mm以内，模拟结果如图7、图8所示。虚线为不设置构件时的外墙内表面稳定温度，若要削弱楼板与外墙衔接处冷热桥影响，应使冷热桥影响区域温度在露点温度12℃之上，且在虚线附近最佳，即达到外墙内表面稳定温度。冷热桥影响区域温度取其最低温度。