頁巖陶砂泡沫混凝土在建筑節(jié)能的應(yīng)用研究

陳 靜，張 鵬

(1.河南理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

頁巖陶砂泡沫混凝土在建筑節(jié)能的應(yīng)用研究

陳 靜1，張 鵬2

(1.河南理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

頁巖陶砂泡沫混凝土用于建筑物的外圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻，既能減輕建筑物的自重，又能滿足建筑節(jié)能的要求。本文以頁巖陶砂為骨料，基于最優(yōu)配合比，得到了抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率和干表觀密度等指標(biāo)；然后通過現(xiàn)場熱工模擬計算，得到了節(jié)能率不低于65%的一體化建筑保溫系統(tǒng)，為工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

頁巖陶砂泡沫混凝土；最佳配合比；抗壓強(qiáng)度；導(dǎo)熱系數(shù)；熱工計算

目前，國內(nèi)外都非常重視泡沫混凝土的研究與開發(fā)，而泡沫混凝土的優(yōu)良性能使其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，特別是隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平日益提高，對建筑居住要求越來越高，這既帶動著建筑技術(shù)的快速更新?lián)Q代；又使建筑向大跨度、高層和超高層等多樣化方向發(fā)展。泡沫混凝土因具有保溫、隔熱、質(zhì)輕、抗震、抗沖擊、抗裂、防火等性能，而且生產(chǎn)中還可利用工業(yè)廢渣，因此造價較低，且具有較好的施工性，它是工業(yè)與民用建筑中大力推廣的一種新型的“綠色建材”。

發(fā)泡混凝土主要用于屋面泡沫混凝土保溫層現(xiàn)澆、泡沫混凝土面塊、泡沫混凝土輕質(zhì)墻板、泡沫混凝土補(bǔ)償?shù)鼗?。但是，通過改變原材料構(gòu)成，并充分利用泡沫混凝土的良好特性，不僅可以實現(xiàn)墻體現(xiàn)澆，而且還可以用在人防工程新型領(lǐng)域。因此，有必要對發(fā)泡混凝土的物理力學(xué)性能深入研究。

本文在最優(yōu)配合比的基礎(chǔ)上，對頁巖陶砂泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率和干表觀密度等性能進(jìn)行了試驗研究，并針對某一待建工程，以頁巖陶粒(陶砂)為骨料，對結(jié)構(gòu)為頁巖陶粒混凝土、外圍護(hù)墻(保溫為干掛龍骨)為頁巖陶砂泡沫混凝土的保溫系統(tǒng)，以及屋頂保溫層為頁巖陶砂泡沫混凝土的組合方式，進(jìn)行了熱工模擬計算。

1 試驗原材料

(1)粗骨料。

頁巖陶粒：粒徑為5 mm～20 mm、表觀密度為952 kg/m3～1000 kg/m3、堆積密度為567 kg/m3～765 kg/m3、密度等級為600級～800級，吸水率為8.9%～10.9%。

(2)細(xì)骨料。

陶砂：堆積密度為602 kg/m3～772 kg/m3，密度等級為600級～800級，細(xì)度模數(shù)為2.32～3.37，連續(xù)級配。

(3)水泥。

采用某市堅固水泥廠生產(chǎn)的P.C32.5堅固牌復(fù)合硅酸鹽水泥。

(4)礦物外加劑。

粉煤灰：某電廠產(chǎn)Ⅱ級粉煤灰，物理性能指標(biāo)見表1。

表1 粉煤灰物理性能指標(biāo)

(5)化學(xué)外加劑。

采用某公司生產(chǎn)的聚羧酸母液高效減水劑和某機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的發(fā)泡劑。經(jīng)試驗測定，聚羧酸母液高效減水劑的減水率為40%，摻量易為總膠凝材料總量的0.6%～1.6%，發(fā)泡劑固體含量為18.9%，泡沫體積為675%，發(fā)泡時間依據(jù)攪拌料的總量進(jìn)行控制，試驗溫度宜在5℃～25℃。

2 最佳配合比

通過正交試驗分析可知，各材料的質(zhì)量比為水泥∶粉煤灰∶陶砂(粒徑≤1 mm∶1 mm～3 mm∶3 mm～5 mm)=230∶150∶440，亦即1∶0.65∶1.91，每m3混凝土水泥用量為230 kg。

3 頁巖陶砂泡沫混凝土設(shè)計

3.1 試驗方法

試驗步驟參照《JG/T266-2011)泡沫混凝土》和絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護(hù)熱板法(GB/T 10294-2008)，稠度宜控制在110 mm～120 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測試混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、干密度、導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率。其中，抗壓強(qiáng)度、干密度、吸水率試件規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm，導(dǎo)熱系數(shù)試件規(guī)格為300 mm×300 mm×30 mm。

3.2 性能指標(biāo)

混凝土性能指標(biāo)如表2所示。以最優(yōu)配合比進(jìn)行試驗，得出立方體抗壓強(qiáng)度為5.57 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.16 W/m·k，干表觀密度為1 017 kg/m3，經(jīng)過反復(fù)試驗，試驗結(jié)果穩(wěn)定，該結(jié)果達(dá)到了泡沫混凝土C5.0的設(shè)計強(qiáng)度要求。

表2 以最優(yōu)配合比配制的混凝土性能指標(biāo)

3.3 參數(shù)對比指標(biāo)

參數(shù)對比指標(biāo)如表3所示。根據(jù)表3的對比分析可知，頁巖陶砂泡沫混凝土的保溫及吸聲效果遠(yuǎn)好于普通混凝土，且相同厚度的頁巖陶砂泡沫混凝土墻體的耐火性能優(yōu)于普通混凝土；頁巖陶砂泡沫混凝土的耐火性能優(yōu)于聚苯乙烯泡沫板。

表3 參數(shù)對比指標(biāo)

4 工程概況及建筑熱工分析

以某一待建某工程為例，6層框架剪力墻結(jié)構(gòu)。其中，地下1層，地上5層，建筑高度為24.6 m，層高4.5 m，建筑面積A0=400 000 m2，建筑體積V0=1 560 000 m3，換氣體積V=0.65V0=1 014 000 m3，建筑物體形系數(shù)S=0.02。樓梯間采暖，采暖期天數(shù)為98 d[4]，采暖期室外平均溫度為1.4 ℃[4]。

4.1 建筑節(jié)能措施

4.1.1 框架結(jié)構(gòu)

該建筑主體框架結(jié)構(gòu)的梁、板、柱采用普通混凝土，梁、柱尺寸分別為300 mm×800 mm、500 mm×500 mm。普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.74 W/(m·k)[4]。

4.1.2 節(jié)能屋頂結(jié)構(gòu)

屋頂采用頁巖陶砂泡沫混凝土取代普通混凝土，因其導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W/(m·k)[5]，較普通混凝土低16.4倍，從而可進(jìn)一步地降低房屋的整體熱導(dǎo)率。

4.1.3 節(jié)能外圍護(hù)結(jié)構(gòu)

本工程的外圍護(hù)墻采用頁巖陶砂泡沫混凝土，厚度為200 mm，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.16 W/(m·k) ，較普通混凝土低10.5倍，外層采用輕鋼龍骨鋁板裝飾保溫構(gòu)造。

4.2 建筑結(jié)構(gòu)熱工計算

表4 各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和傳熱面積

采暖耗煤量指標(biāo)如下式：

qC=24zqH/HCη1η2

(1)

式中：z為采暖期天數(shù),d；qH為建筑物耗熱指標(biāo),w/m2；HC為指標(biāo)煤熱值，取8.14×102w·h/kg；η1為室外管網(wǎng)輸送效率，采取節(jié)能措施前取0.85，采取節(jié)能措施后，取0.90；η2為鍋爐運行效率，采取節(jié)能措施前，取0.55，采取節(jié)能措施后，取0.68。

文獻(xiàn)[5]指出，框架結(jié)構(gòu)采用普通混凝土，外墻采用240 mm陶?；炷疗鰤K，外保溫采用聚苯板保溫時，其采暖耗煤量為8.113 kg/m2，節(jié)能率為67.8%；當(dāng)框架結(jié)構(gòu)采用普通混凝土，外墻外墻采用240 mm陶?；炷疗鰤K，外保溫采用水泥基?；⒅楸叵到y(tǒng)時，采暖耗煤量為5.95 kg/m2，節(jié)能率為63.29%。根據(jù)1980年我國通用設(shè)計能耗水平指標(biāo)為25.2 kg/m2，由以上各表計算結(jié)果可知本方案框架結(jié)構(gòu)采用普通混凝土，外墻采用200 mm的頁巖陶砂泡沫混凝土，裝飾層為輕鋼龍骨鋁板，屋頂保溫為頁巖陶砂泡沫混凝土，其采暖耗煤量為3.97 kg/m2，節(jié)能率為84.2%，超過65%建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)于外墻采用陶?；炷疗鰤K時的節(jié)能率，同時避免了因聚苯泡沬板與結(jié)構(gòu)壽命不同步的問題。

5 結(jié) 語

(1) 頁巖陶砂泡沫混凝土的最佳配合比為水泥∶粉煤灰∶陶砂(粒徑≤1 mm∶1 mm～3 mm∶3 mm～5 mm)=230∶150∶440，亦即1∶0.65∶1.91，每m3混凝土水泥用量為230 kg，該結(jié)果達(dá)到了泡沫混凝土C5.0的設(shè)計強(qiáng)度要求。

(2) 通過試驗分別測定了頁巖陶砂泡沫混凝土的立方體抗拉強(qiáng)度、干密度、吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)等性能指標(biāo)，分別滿足相應(yīng)強(qiáng)度等級技術(shù)指標(biāo)要求。

(3) 頁巖陶砂泡沫混凝土的保溫性能、隔音性能、耐火性能均優(yōu)于普通混凝土，且熱變形性能優(yōu)于聚苯乙烯泡沫板。

(4) 框架結(jié)構(gòu)采用普通混凝土，外墻采用200 mm頁巖陶砂泡沫混凝土，裝飾層為輕鋼龍骨鋁板，屋頂保溫為頁巖陶砂泡沫混凝土，采暖耗煤量為3.97 kg/m2，其節(jié)能率為84.2%，超過65%建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)于目前外墻采用聚苯板保溫時的節(jié)能效果。

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Application of Shale Ceramic Sand Foam Concrete in Building Energy Saving

CHEN Jing1, ZHANG Peng2

(1.Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;2.China Construction Seventh Engineering Division Corp LTD, Zhengzhou 450000, China)

With the implementation of standards of buildings energy efficiency, new building materials related to building energy efficiency have been developed rapidly. Owing to the good performance of foam concrete using ceramic sand as aggregate, the concrete is used in structures of the exterior wall and interior wall. As a result, it not only can reduce the weight of the building, but also meet the requirements of building energy efficiency. Therefore, in the paper ceramic sand as aggregate is taken as aggregate, basic parameters of compressive strength, thermal conductivity, bibulous rate and the dry bulk density can be obtained when optimal mixing proportion is used. Then integration system of insulation building which has a good the economy energy rates is founded. It is helpful for engineering application.

SCSFC; best mixture ratio; the compressive strength; thermal conductivity; thermal calculation

2016-11-05

陳靜(1987-)，女，河南周口人，碩士，助教，主要從事建筑材料方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.01.015

TU528

A

1674-5403(2017)01-0052-04