秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板工程應(yīng)用的試驗研究

趙龍龍，黃東升，王驍睿，周年強

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037)

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秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板工程應(yīng)用的試驗研究

趙龍龍，黃東升，王驍睿，周年強

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037)

提出一種由不同厚度、不同密度的秸稈板膠合而成的秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板。對復(fù)合條板保溫隔聲性能以及耐火性能進行試驗研究，分析其作為建筑隔墻應(yīng)用到實際工程的可行性。試驗結(jié)果表明：秸稈材料傳熱系數(shù)僅為秸稈混凝土的2.8%，具有良好的保溫性能，且保溫性能與試件厚度有關(guān)，試件厚度越厚，保溫效果越好；秸稈材料在中低頻段的吸聲性能最好，且在測試頻率范圍內(nèi)，吸聲性能也優(yōu)于傳統(tǒng)建筑材料，表明秸稈材料是良好的建筑隔聲構(gòu)造材料；復(fù)合條板兩側(cè)分別加12 mm的防火石膏板后的耐火極限超過1.5 h，滿足規(guī)范規(guī)定建筑隔墻耐火極限0.75 h的要求。秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板作為一種新型建筑隔墻，若在實際工程中得到廣泛應(yīng)用，不僅能緩解當(dāng)前國家所面臨的能源問題，也能很大程度上解決廢棄秸稈回收利用難題。

秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板；保溫性能；隔聲性能；耐火性能

0　引　言

我國是一個能源消費大國，全年能源消耗僅次于美國，總量居世界第二位[1]。與此同時，能源生產(chǎn)的增長速度滯后于國民經(jīng)濟的增長速度，能源問題逐漸成為我國需要解決的重大課題之一。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展、城市化水平不斷加深和居民生活水平的提高，建筑耗能占我國能源消耗總量的比例已從20世紀(jì)80年代初的10%增加到2000年的27.6%[2]。因此，建筑節(jié)能已成為我國能源可持續(xù)性發(fā)展行動的重要組成。隨著人們對節(jié)能意識的增強及環(huán)境問題的廣泛重視，研制新型墻體材料已成為建筑業(yè)的發(fā)展趨勢。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈資源十分豐富[3]。據(jù)統(tǒng)計，2007年我國的7種主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量約為5億t，年秸稈產(chǎn)量約為7億t。并且隨著農(nóng)作物產(chǎn)量逐年增加，秸稈產(chǎn)量也呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。然而長期以來的秸稈處理問題一直是困擾國家與個人生產(chǎn)生活的熱點問題。對原本廢棄的秸稈加以研究，將其制作成新型建筑材料成為國內(nèi)外眾多學(xué)者重視的課題[4-13]。

本文提出一種秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板，由不同厚度、不同密度的秸稈板膠合而成，中間為低密度內(nèi)襯板(ρ≤400 kg/m3)，兩側(cè)為高密度外面板(ρ≥700 kg/m3)。研究秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板的保溫隔聲性能、耐火性能，探究其作為建筑隔墻應(yīng)用于實際工程的可行性。

1　秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板保溫特性

1.1基本定義

在實施建筑節(jié)能的各項措施中，墻體保溫隔熱材料的運用是最行之有效的。秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板保溫特性通過傳熱系數(shù)K來描述，傳熱系數(shù)K值是指在穩(wěn)定傳熱條件下，圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1℃，1 h內(nèi)通過1 m2面積傳遞的熱量，單位是W/m2·℃，它充分考慮熱量傳遞的3種方式，即熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射，反映材料保持溫度穩(wěn)定和減小熱量耗損的能力。

式中：q為熱流平均值；T1為熱箱各點溫度的平均值；T2為冷箱各點溫度的平均值。

1.2試件設(shè)計

根據(jù)K值定義，設(shè)計兩種尺寸的秸稈板分別進行試驗，試件尺寸分別為1 000 mm×1 000 mm×120 mm，1 000 mm×1 000 mm×200 mm，在JW-I 型墻體及玻璃制品保溫性能檢測裝置中完成保溫特性試驗，裝置如圖1所示。

圖1　JW-I 型墻體及玻璃制品保溫性能檢測裝置圖Fig.1 JW-I type wall and equipment of thermal performance test for glassware

圖2　駐波管

冷端溫度/℃熱端溫度/℃熱流/W溫差/℃?zhèn)鳠嵯禂?shù)/(W·m-2.K-1)平均傳熱系數(shù)/(W·m-2.K-1)3.22029.7471.49026.5270.0563.34730.1131.25326.7670.0463.37329.6801.52126.3070.0583.06729.9331.50226.8670.0560.054

表2　200 mm厚試件試驗結(jié)果

1.3試驗結(jié)果

分析試驗結(jié)果(見表1和表2)可知，同等溫度條件下，120 mm厚的試件傳熱系數(shù)為0.054 W/m2.K，200 mm厚的試件傳熱系數(shù)為0.030 W/m2.K。查閱相關(guān)資料得知：190 mm厚混凝土傳熱系數(shù)為1.74 W/m2.K[14]，200 mm厚秸稈混凝土傳熱系數(shù)為1.08 W/m2.K[15]。由此可知：同種材料同樣的條件下，厚度大的試件比厚度小的傳熱系數(shù)小，即保溫效果隨著試件厚度的增加而增強；秸稈混凝土的保溫性能優(yōu)于混凝土，純秸稈材料傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于相同厚度的秸稈混凝土，僅為秸稈混凝土的2.8%，可以起到更好的保溫效果。這是因為秸稈材料密度低，且內(nèi)部疏松多孔，存在大量的不流動空氣，這些不流動的空氣阻隔了熱量的傳導(dǎo)，從而使得秸稈材料擁有良好的保溫效果。

2　秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板隔聲性能

隔聲性能優(yōu)劣是建筑隔墻材料選擇的重要依據(jù)。常用隔聲性能評價指標(biāo)是吸聲系數(shù)αP，αP為材料吸收的聲能與入射聲能的比值，反映材料吸收聲音、減小聲音傳播的能力，其值越大，表示建筑隔墻隔聲能力越強。

2.1試驗方案

本實驗采用駐波管(如圖2所示)法測法向吸聲系數(shù)αP。駐波管結(jié)構(gòu)的主要部分為一根內(nèi)壁光滑，堅硬且截面均勻的管子，管子的末端安裝吸聲材料試件，試件可按使用要求緊貼末端剛性活塞表面，也可留在空腔內(nèi)。駐波管的另一端為音頻(低頻)信號發(fā)生器，通過揚聲器向管內(nèi)發(fā)出，不同頻率的單頻信號，當(dāng)聲波頻率滿足下列關(guān)系式時，相應(yīng)頻率的聲波是平面聲波。

設(shè)入射聲波的聲壓為Pi，投射于材料時，必有相位相反的聲波反射指向聲源，其反射聲壓為Pr，聲波在管內(nèi)多次來回反射結(jié)果在管中建立了駐波聲場。從材料表面算起，管內(nèi)出現(xiàn)了聲壓極大值Pmax和極小值Pmin的交替分布，通過探管中可以動的探管傳聲接收器可探測到聲壓極大值Pmax和極小值Pmin，及離開材料表面的距離，記錄下數(shù)據(jù)。即可確定垂直入射的法向吸聲系數(shù) 。

2.2試驗設(shè)計

隔聲試驗試件(如圖3所示)為兩組直徑為100 mm，厚度分別為120 mm與200 mm的圓柱體，試件中間部分均是密度為400 kg/m3秸稈板，板厚分別為100 mm和180 mm，兩側(cè)均是密度為750 kg/m3、厚度為10 mm的秸稈板。本文試驗采用200、250、315、400、500、630、800、1000、1 250、1600、2 000 Hz共11個頻率來確定吸聲系數(shù)αp。

圖3　隔聲試驗試件Fig.3 Test-piece of sound insulation test

圖4　隔聲試驗結(jié)果Fig.4 The results of sound insulation test

建筑材料倍頻帶中心頻率/Hz125250500100020004000吸聲系數(shù)普通磚0.030.030.030.040.050.07混凝土0.010.010.020.020.020.02木料0.150.110.100.070.060.07灰泥0.010.020.020.030.040.05大理石0.010.010.020.020.020.03玻璃窗0.150.100.080.080.070.05

2.3試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果(圖4)可知，120 mm厚試件對頻率在300～400 Hz段的聲音吸聲能力最好，在315 Hz處達(dá)到最大值，對400 Hz以后到1250 Hz區(qū)間內(nèi)的聲音吸聲能力隨頻率增大而減弱，1 250 Hz以后呈緩慢上升趨勢，在1 600 Hz附近達(dá)到第二個峰值，然后繼續(xù)減??；200 mm厚試件在頻率為250Hz左右吸聲能力最佳，在250 Hz到630 Hz頻率區(qū)間吸聲能力隨頻率增大而減弱，630 Hz以后吸聲能力再次緩慢升高，于1 000 Hz處吸聲能力轉(zhuǎn)而逐漸下降。

不同厚度秸稈試件吸聲規(guī)律基本一致，對低頻聲源的吸收能力優(yōu)于高頻聲源，這是因為聲音頻率越高波長越短，而秸稈材料密度較小，孔隙率大，對波長較長的聲音吸收能力強，對于波長較短的聲音吸收能力弱。

對比常用建筑材料(見表3)可發(fā)現(xiàn)，秸稈材料吸聲系數(shù)大于常用建筑材料，具有更好的吸聲隔聲效果，可以將其用于建筑隔聲構(gòu)造。

3　秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板的耐火性能

根據(jù)GB/T 9978.1-2008《建筑構(gòu)件耐火試驗方法：第1部分：通用要求》和GB/T9978.8-2008《建筑構(gòu)件耐火試驗方法第8部分：非承重垂直分隔構(gòu)件的特殊要求》來進行耐火性試驗。

試驗過程中判定構(gòu)件失效有3個標(biāo)準(zhǔn)：①失去穩(wěn)定性。②失去完整性。即棉墊被點燃或背火面竄火10s以上；試件背火面出現(xiàn)貫通至試驗爐內(nèi)的裂縫，直徑6 mm的探棒可穿過裂縫進入爐內(nèi)，并且探棒可沿裂縫長度方向移動不小于150 mm，或直徑25 mm的探棒可以穿過裂縫進入爐內(nèi)。③失去隔熱性。試件背火面的平均溫升超過140℃；背火面上任何一點的溫升超過180℃。

3.1試驗設(shè)計

本次耐火性試驗在開口尺寸為3 m×3 m的試驗爐中進行，由于試件為非承重填充墻，安裝試件時未布置豎向荷載，直接將兩組試件嵌固剛性墻體內(nèi)，試件與墻體縫隙用水泥砂漿填充，養(yǎng)護。鑒于石膏是一種性能優(yōu)良的防火建材[16]與傳統(tǒng)的裝飾材料，設(shè)計試件時根據(jù)規(guī)范，兩側(cè)分別選用一層和兩層12 mm厚石膏板進行防護(見表4)。

表4　秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板耐火性能試驗試件參數(shù)

3.2試驗過程

試驗過程中兩組試件背火面的溫度均穩(wěn)定升高，整個試驗過程中板面均未出現(xiàn)竄火現(xiàn)象。點火2 min時，試件受火面紙面石膏板表面均開始發(fā)黑；試件受火后15～20 min時，試件受火面的石膏板在高溫下失水，板面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。當(dāng)試驗進行到50 min時，試件1的石膏板幾乎全部脫落，試件背火面隔墻與試驗爐墻體的連接處有少量白煙冒出。試件2在試驗進行至75 min時出現(xiàn)第一層防火石膏板局部脫落現(xiàn)象，至82 min時第二層石膏板開始脫落。

3.3試驗結(jié)果

國家現(xiàn)行規(guī)范《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016-2007)規(guī)定房間隔墻一級耐火極限是0.75h，對比耐火試驗失效標(biāo)準(zhǔn)，兩組試驗進行到0.75h時均未失效，選擇在1.5h停止試驗，試驗結(jié)束后觀察試件受火面，發(fā)現(xiàn)兩組試驗現(xiàn)象差異較大，試件1的受火面秸稈板燃燒至低密度內(nèi)襯板(如圖5所示)，試件2的受火面石膏板脫落后燃燒到秸稈板高密度外層(如圖6所示)。

圖5　試件1受火面試驗現(xiàn)象Fig.5 The test phenomenon of fire scenery for test piece 1

圖6　試件2受火面試驗現(xiàn)象Fig.6 The test phenomenon of fire scenery for test piece 2

參照規(guī)范耐火極限要求，兩組試件均未失效。石膏板作為防護材料，在試驗過程中充當(dāng)?shù)谝坏婪谰€，在試驗溫度不斷升高過程中，由表面碳化到失水開裂，到局部剝離直至全部脫落，避免墻體母材與火源直接接觸而導(dǎo)致的失效過快。石膏板的厚度也直接決定了耐火性的優(yōu)劣，當(dāng)試件1燃燒至高密度外層板時試件2才出現(xiàn)石膏板局部剝離現(xiàn)象，這是由于石膏板厚度越厚，其含水量越大，失水時間也就越長，水分蒸發(fā)大量吸收試件表面熱量，耐火時間隨之增長。

4　結(jié)　論

本文通過秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板的保溫隔聲性能與耐火性能試驗，對照相應(yīng)規(guī)范，分析后認(rèn)為其能夠作為建筑隔墻應(yīng)用于實際工程。根據(jù)試驗結(jié)果，可得出以下具體結(jié)論：

(1)秸稈材料的保溫隔熱性能遠(yuǎn)好于混凝土材料，這是由于秸稈材料內(nèi)部具有大量充滿空氣的密閉空隙，形成良好的隔熱層，使其具有優(yōu)良的保溫性能；同種材料，試件越厚，密閉空氣層隨之增厚，保溫性能越好，因此可根據(jù)建筑所處地區(qū)氣候特點來調(diào)整低密度內(nèi)襯板厚度以達(dá)到相應(yīng)保溫效果。

(2)秸稈材料密度較小，孔隙率大，對低頻(波長較長)聲源吸收能力強，對高頻(波長較短)聲源吸收能力弱。對比其他建筑材料，秸稈材料以內(nèi)部構(gòu)造疏松，孔隙率大而天然成為優(yōu)質(zhì)的隔聲材料。

(3)采取厚12 mm的石膏板對試件進行防護后，秸稈復(fù)合條板墻的耐火性極限超過1.5 h，滿足規(guī)范規(guī)定建筑隔墻耐火極限0.75 h的要求。且試件耐火性隨石膏板層數(shù)增加而增強，這是因為石膏層越厚，含水量越大，水分蒸發(fā)吸走大量熱量，減緩試件表面溫度升高的速率，有效延長耐火時間。

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Experimental Study of Light-Weight Straw CompositePanel Used in Practical Engineering

Zhao Longlong，Huang Dongsheng ，Wang Xiaorui，Zhou Nianqiang

(College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037)

This paper proposed a kind of light-weight straw composite panel with different thickness and different densities.The thermal insulation performance，sound absorption performance and the fire resistance were tested in order to analyze the feasibility of the proposed composite panel used as partition.The results showed that the heat transfer coefficient of the straw light-weight partition composite panel was only 2.8% of the straw concrete panel.Meanwhile the thermal insulation property was enhanced with the increase of specimen thickness.The test pieces had the best sound absorption performance in middle and low frequency segments.Even in the range of the tested frequency，the sound absorption performance of the proposed composite panel was better than the traditional building materials.When both sides of the composite panel were added by 12 mm gypsum boards，the duration of fire resistance of the proposed composite panel was more than 1.5 h which meets the fire resistance requirement of 0.75 h for partition.It demonstrated that straw light-weight partition composite panel can be a good kind of building material.Once it was widely used for practical engineering，the proposed composite panel could alleviate the problems of energy and circulating the waste straw.

light-weight straw composite panel；thermal insulation performance；sound absorption performance；fire resistance

2016-01-23

“十二五”國家科技支撐計劃課題(2011BAJ08B04)

趙龍龍，碩士，助理實驗師。研究方向：建筑材料。E-mail：njfuzll@163.com

趙龍龍，黃東升，王驍睿，等.秸稈輕質(zhì)隔墻復(fù)合條板工程應(yīng)用的試驗研究[J].森林工程，2016，32(5)：97-100.

TU 111.41

A

1001-005X(2016)05-0097-04