燒結(jié)粉煤灰、煤矸石多孔磚在內(nèi)保溫體系的應(yīng)用

董河毅（山西省萬家寨引黃工程管理局，山西 太原 030012）

1 墻體保溫

我國建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫性能差，建筑用能浪費嚴(yán)重。建筑物在建造、使用、改造、拆除過程中消耗了大量的能源。在中國，建筑能耗連同墻體材料生產(chǎn)能耗已超過全國能源消耗總量的1/4，并將隨著人民生活水平的提高逐步增加到1/3 以上。在400億平方米的城鄉(xiāng)既有建筑中，高能耗建筑占95%以上。目前我國單位建筑面積能耗是氣候相近的發(fā)達(dá)國家的3～5 倍，而中國資源占有量不到世界平均水平的1/5，人均資源占有量則更少。而發(fā)達(dá)國家則通過持續(xù)不斷的努力，使新建建筑采暖能耗已經(jīng)降低至1973年石油危機前的1/5～1/3。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，人們生活水平的提高，建筑室內(nèi)熱環(huán)境舒適度的要求逐漸增加，建筑能耗還要增加，建筑能耗占總能耗的比重還會加大。如果放任高能耗建筑繼續(xù)大力興建，能源供應(yīng)難以為繼，勢必影響發(fā)展國民經(jīng)濟戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)。

1986年，建設(shè)部頒布《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-86），要求在原有基礎(chǔ)上節(jié)能30%。1995年，建設(shè)部又提出新的要求，在1986年的基礎(chǔ)上再節(jié)能30%，即將原標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能水平提高到50%。2005年，國家又將部分重點地區(qū)的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)在1995年的基礎(chǔ)上再節(jié)省30%，即節(jié)能水平提高到65%。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要在墻體技術(shù)系統(tǒng)、供暖技術(shù)系統(tǒng)、新材料、施工工藝和住宅體系等方面尋求突破。

2 常見的保溫形式

2.1 單一墻體

2.1.1 實心粘土磚墻體

我國現(xiàn)有建筑墻體用實心粘土磚的生產(chǎn)企業(yè)約有12萬個，占地500 多萬畝，每年燒磚近7000億塊，取土14億m3，相當(dāng)于毀田120萬畝；同時實心粘土磚保溫性能差，每年采暖能耗12 多億噸煤。由此計算，每年僅墻體材料的生產(chǎn)能耗和北方地區(qū)采暖能耗合計就約占全國能源消費總量的15%以上，僅燒磚一項每年就排放CO217億噸。如果實心粘土磚產(chǎn)量繼續(xù)增長，不僅增加墻體材料的生產(chǎn)能耗，而且將導(dǎo)致新建建筑的采暖能耗和空調(diào)能耗大幅度增加，將嚴(yán)重加劇能源供需矛盾。實心粘土磚同國外同體積墻體材料相比，其生產(chǎn)能耗平均為發(fā)達(dá)國家的2 倍以上，外墻外保溫隔熱性能相差4～5 倍，空調(diào)和采暖的很大一部分負(fù)荷是由墻體造成的，寶貴的能源白白浪費了。然而，由于諸多因素影響，全國以粘土磚和非節(jié)能建筑為主的格局尚未得到根本改變，毀田燒磚、破壞耕地的現(xiàn)象屢禁不止，特別是近年來城鄉(xiāng)建設(shè)的快速發(fā)展，對建材產(chǎn)品的需求量急劇增加，一些地區(qū)實心粘土磚生產(chǎn)呈增長態(tài)勢。可見，取土制磚不僅毀壞耕田，浪費能源，而且嚴(yán)重制約著我國國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

2.1.2 空心磚和空心砌塊墻體

據(jù)統(tǒng)計，目前我國在170個城市實行了禁止生產(chǎn)和使用實心粘土磚的政策，隨著墻改工作的推進，有些城市將粘土空心磚也列為禁止生產(chǎn)的產(chǎn)品。在土地資源緊張的大城市及其周邊地區(qū)和人均耕地較少的東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，應(yīng)限制粘土制品（包括空心粘土磚）的生產(chǎn)和使用；但在我國的中西部和北方地區(qū)，有很多的土丘、土山，粘土資源十分豐富，從實際情況出發(fā)，可在一定范圍內(nèi)繼續(xù)生產(chǎn)燒結(jié)多孔磚和空心磚；在我國的西南地區(qū)，有豐富的頁巖資源，可大力發(fā)展燒結(jié)的頁巖空心磚;在黃河沿岸地區(qū)可充分利用淤泥生產(chǎn)空心磚;在南方河湖較多的地區(qū)，可利用河泥、湖泥發(fā)展空心磚制品。特別是在一些工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)可以利用工業(yè)廢料研發(fā)生產(chǎn)空心磚和空心砌塊制品，在生產(chǎn)保溫產(chǎn)品的同時，又利用了工業(yè)廢料，減輕環(huán)境污染。擁有豐富粘土陶粒、頁巖陶粒等堆積密度為300～500kg/m3輕集料的地區(qū)，可利用這些輕集料生產(chǎn)制作保溫砌塊，用于建筑墻體保溫，尤其適用于嚴(yán)寒地區(qū)高層框架結(jié)構(gòu)的填充墻。

2.1.3 加氣混凝土墻體

與傳統(tǒng)粘土磚墻體材料相比較，加氣混凝土的計算導(dǎo)熱系數(shù)約為粘土磚砌體的30%。因此，加氣混凝土是一種保溫性能好、節(jié)能效果顯著的墻體材料。利用加氣混凝土的這一優(yōu)勢，將其用于框架填充墻及低層建筑承重墻，可取得較好的保溫效果。當(dāng)建筑節(jié)能要求較高時，可采用在墻體內(nèi)側(cè)涂抹保溫砂漿，或在砌塊孔洞內(nèi)填充一些導(dǎo)熱系數(shù)低的保溫材料，在外表面涂刷保溫涂料等手段來提高保溫效果。采用粉煤灰為原料的加氣混凝土，具有利廢、節(jié)能和價廉等優(yōu)點。

2.2 復(fù)合墻體

作為承重用的單一材料墻體，往往難以同時滿足較高的絕熱（保溫、隔熱）要求，因而在滿足建筑保溫節(jié)能要求的前提下，復(fù)合墻體已經(jīng)成為建筑墻體的主流。復(fù)合墻體一般采用磚砌體或鋼筋混凝土作承重墻，并與絕熱材料復(fù)合；采用鋼或鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)時，用薄壁材料夾以絕熱材料作墻體。常見的復(fù)合墻體形式有內(nèi)保溫復(fù)合墻體、外保溫復(fù)合墻體、混凝土夾心墻體等。

2.2.1 外保溫復(fù)合墻體

1）外保溫復(fù)合墻體及其優(yōu)點

外保溫復(fù)合墻體的做法是將絕熱材料復(fù)合在承重墻外側(cè)。外保溫復(fù)合墻體與內(nèi)保溫復(fù)合墻體相比，具有以下優(yōu)點：

①保護主體結(jié)構(gòu)，延長建筑物使用壽命。由于外保溫墻體的保溫層置于建筑物圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)，減小了因溫度變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的應(yīng)力，減輕了空氣中有害氣體和紫外線對圍護結(jié)構(gòu)的侵蝕，避免了雨、雪以及凍融、干濕循環(huán)對主體結(jié)構(gòu)造成的破壞。

②基本消除了熱橋的影響。外保溫復(fù)合墻體既可以防止熱橋部位產(chǎn)生結(jié)露，又可以消除熱橋造成的熱損失，節(jié)約了能源。

③墻體潮濕情況基本得到改善。一般情況下，內(nèi)保溫復(fù)合墻體須設(shè)置隔氣層，而采用外保溫時，由于蒸汽滲透性高的主體結(jié)構(gòu)材料位于保溫層的內(nèi)側(cè)，因此只要保溫材料選材適當(dāng)，在墻體內(nèi)部一般不會發(fā)生冷凝現(xiàn)象，故無需設(shè)置隔氣層。同時采取外保溫措施后，結(jié)構(gòu)層整個墻身的溫度有所提高，可進一步改善墻體的保溫性能。

④有利于室溫保持恒定。由于外保溫復(fù)合墻體蓄熱能力較大的結(jié)構(gòu)層在墻體內(nèi)側(cè)，當(dāng)室內(nèi)受到不穩(wěn)定熱作用時，墻體結(jié)構(gòu)層能夠吸收或釋放熱量。

⑤便于既有建筑物的節(jié)能改造。與內(nèi)保溫復(fù)合墻體相比，采用外保溫復(fù)合墻體方式對既有建筑物進行節(jié)能改造時，最大的優(yōu)點是無需用戶臨時搬遷，基本不影響用戶的室內(nèi)活動和正常生活。

⑥避免了裝修對保溫層的破壞。

⑦增加了建筑物的使用面積。由于外保溫技術(shù)所用保溫材料置于墻體的外側(cè)，其保溫、隔熱效果優(yōu)于內(nèi)保溫，故可使主體結(jié)構(gòu)墻體減薄，從而增加了建筑物的使用面積。

2.2.2 內(nèi)保溫復(fù)合墻體及其優(yōu)點

內(nèi)保溫復(fù)合墻體的做法是將絕熱材料復(fù)合在承重墻內(nèi)側(cè)，簡便易行，目前應(yīng)用較為廣泛。在滿足建筑物承重要求的前提下，墻體可適當(dāng)減薄。絕熱材料往往強度較低，需設(shè)覆面層防護。有些在保溫層內(nèi)設(shè)隔氣層，則有保溫及隔汽之效。目前常用的內(nèi)保溫技術(shù)有：增強石膏復(fù)合聚苯保溫板、聚合物砂漿復(fù)合聚苯保溫板、增強水泥復(fù)合聚苯保溫板、內(nèi)墻貼聚苯板抹粉刷石膏及抹聚苯顆粒保溫料漿加抗裂砂漿壓入網(wǎng)格布的做法[7,8]。

增強粉刷石膏聚苯板外墻內(nèi)保溫墻體是最常見的一種內(nèi)保溫復(fù)合墻體。這種墻體以阻燃型泡沫聚苯板為保溫材料，這種板材貨源充足，導(dǎo)熱系數(shù)低，具有一定強度，尺寸靈活，切割方便，密度可依設(shè)計要求，一般以大于18 kg/m3為宜。施工時，以粘結(jié)石膏作為粘結(jié)劑，抹灰材料采用石膏粉與外加劑相混合配制的粉狀袋裝粉刷石膏，加適量水即可施工；干燥固化快，不會出現(xiàn)空鼓開裂。這種內(nèi)保溫復(fù)合墻體的表面微孔結(jié)構(gòu)可改善呼吸透氣效果，并具有良好的防火性能。當(dāng)采用被覆中堿玻纖網(wǎng)格時，可提高墻體的整體強度、剛度和表面抗裂性及保溫層的抗沖擊性能。布做增強材料內(nèi)保溫復(fù)合墻體的保溫結(jié)構(gòu)一般為干作業(yè)施工，可加快施工進度，提高生產(chǎn)效率。它的優(yōu)點表現(xiàn)在：

1）對飾面和保溫材料的防水、耐候性等技術(shù)指標(biāo)的要求不高，取材方便。紙面石膏板、石膏抹面砂漿等均可滿足使用要求。

2）內(nèi)保溫材料被樓板所分隔，僅在一個層高范圍內(nèi)施工，施工方便，不需搭設(shè)腳手架，不受天氣的影響，雨季和冬季作業(yè)不受氣候的影響。

3）便于施工，施工速度較快，有利于縮短施工周期。

4）采用內(nèi)保溫，在冬季可以提高表面溫度，避免對人體的冷輻射。

綜上所述，內(nèi)外保溫都有其優(yōu)點，也有其實用性，外保溫主要是可以很好的消除熱橋的影響，而其也就是內(nèi)保溫的缺點；內(nèi)保溫主要是便于施工，成本比較低，且保溫材料不受外界的影響，壽命比較長，其也是外保溫的缺點。

3 燒結(jié)多孔磚內(nèi)保溫體系的推出

由于燒結(jié)多孔磚砌體本身有很好的保溫效果；磚本身也是一種很好的裝飾材料，清水墻、或?qū)w稍微進行一定的處理，都會有很好的裝飾效果；各種保溫砂漿的出現(xiàn)使得保溫更容易進行。對其進行內(nèi)保溫，能一定程度上克服內(nèi)保溫的缺點，更好的發(fā)揮內(nèi)保溫的優(yōu)點。為了達(dá)到很好的經(jīng)濟性，使其更好的在經(jīng)濟正在發(fā)展的城鄉(xiāng)進行推廣。在對燒結(jié)多孔磚進行了一定的熱工試驗基礎(chǔ)上，推出燒結(jié)多孔磚內(nèi)保溫體系。

體系可以克服傳統(tǒng)內(nèi)保溫的以下缺點：

（1）保溫砂漿的使用可以很好的對窗邊冷橋進行克服；

（2）對構(gòu)造柱圈梁等處的冷橋能起到很大的減弱作用。

3.1 燒結(jié)多孔磚的力學(xué)性能

通過對粉煤灰和煤矸石燒結(jié)多孔磚本身的性質(zhì)進行跟蹤檢測，與規(guī)范要求進行對比；進一步對其砌體結(jié)構(gòu)進行基本力學(xué)試驗：砌體抗壓、抗剪，得到其抗壓強度、抗剪強度并對其破壞過程進行分析對比，對其彈性模量、變形曲線、波松比等進行了分析。分析研究表明，粉煤灰、煤矸石燒結(jié)多孔磚本身性質(zhì)很好的滿足國家規(guī)范的要求；其砌體的基本力學(xué)性能從變形到破壞與粘土磚的基本上一致，滿足要求；得到的抗壓、抗剪強度都比規(guī)范公式計算的要大；并得到合理的彈性模量、波松比。

總的來說，粉煤灰、煤矸石燒結(jié)多孔磚砌體結(jié)構(gòu)，從各方面來說與傳統(tǒng)粘土磚對比都能很好的代替。其計算公式也基本上可以按照粘土磚的及規(guī)范公式來計算，但其安全度大大增加。

3.2 燒結(jié)多孔磚結(jié)構(gòu)靜力及地震反應(yīng)分析

用ansys 分析軟件建立粉煤灰、煤矸石燒結(jié)多孔磚砌體五層試驗樓，對其靜力荷載下的受力與變形進行分析，進一步運用模態(tài)分析、譜分析對其進行抗震能力分析。

通過其靜力模擬，可知燒結(jié)粉煤灰、煤矸石多孔磚砌體結(jié)構(gòu)在對稱荷載作用下，結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力呈正對稱性，其變形及受力情況符合理論分析結(jié)果，受力變形規(guī)律同普通磚砌體相同，墻體整體上處于受壓狀態(tài)，充分發(fā)揮了燒結(jié)粉煤灰、煤矸石多孔磚砌體優(yōu)越的抗壓性能等。

通過模態(tài)分析，得到合理的自振周期、頻率，在一般的砌體結(jié)構(gòu)變化范圍之內(nèi)，進一步通過譜分析得知結(jié)構(gòu)剪力、變形都很小，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)總是以低階振型反應(yīng)為主，結(jié)構(gòu)的變形主要以剪切變形為主，有很好的抗震能力，此結(jié)構(gòu)可以在地震區(qū)域很好的進行推廣。

3.3 燒結(jié)多孔磚熱工性能試驗及有限元非線性

通過實驗，運用WRCD 穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質(zhì)測定裝置對370mm 厚的燒結(jié)多孔磚墻體內(nèi)保溫的傳熱系數(shù)進行了測定，通過試驗得到單層砌體的K值，進而推出其λ值，且與規(guī)范以往規(guī)定一致；得到加保溫層的砌體K 值，通過與規(guī)范公式計算相比較，得知根據(jù)規(guī)范計算所得結(jié)果比實際測試結(jié)果要保守的多。多孔磚結(jié)構(gòu)由于本身多孔的結(jié)構(gòu)特點，內(nèi)部空氣的流動對結(jié)構(gòu)的保溫性能起著很大的作用，并不能簡單的按照規(guī)范公式進行計算，而是隨著保溫層的厚度產(chǎn)生非線性的特點。

3.4 燒結(jié)多孔磚二維傳熱計算

運用ansys 軟件對砌體墻的保溫效果進行了分析。推出燒結(jié)多孔磚砌體內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)體系，解決了內(nèi)保溫本身的缺點：節(jié)點保溫、窗邊保溫。在與外保溫進行對比的同時，通過對比，找到的比較合理的保溫型式。并對窗邊保溫與否進行了分析、對比，得出了窗邊保溫的必要性。

4 結(jié)語

總之，通過分析得出合理的內(nèi)保溫體系，說明了內(nèi)保溫與外保溫的差別并不是很大，可以得到應(yīng)用。并且燒結(jié)粉煤灰、煤矸石多孔磚生產(chǎn)能耗低，能有效提高能源利用率，在目前節(jié)能、環(huán)保意識的趨勢下，一定會得到很好的推廣。

[1]自保溫節(jié)能承重多孔磚的研究與應(yīng)用,馬翠芬,《山東建筑大學(xué)學(xué)報》,2009.01

[2]保溫混凝土多孔磚節(jié)能建筑體系,何勁波,《磚瓦世界》,2010.7

[3]外墻外保溫混凝土多孔磚砌體的應(yīng)用,關(guān)雅賢,《21世紀(jì)建筑材料》,2009.4