燒結粉煤灰、煤矸石多孔磚在內保溫體系的應用

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

我國建筑圍護結構保溫性能差，建筑用能浪費嚴重。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達國家的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。而發達國家則通過持續不斷的努力，使新建建筑采暖能耗已經降低至1973年石油危機前的1/5～1/3。隨著我國經濟建設的快速發展，人們生活水平的提高，建筑室內熱環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大力興建，能源供應難以為繼，勢必影響發展國民經濟戰略目標的實現。

1986年，建設部頒布《民用建筑節能設計標準（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-86），要求在原有基礎上節能30%。1995年，建設部又提出新的要求，在1986年的基礎上再節能30%，即將原標準的節能水平提高到50%。2005年，國家又將部分重點地區的建筑節能標準在1995年的基礎上再節省30%，即節能水平提高到65%。要實現這一目標，就需要在墻體技術系統、供暖技術系統、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

我國現有建筑墻體用實心粘土磚的生產企業約有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能耗和北方地區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。如果實心粘土磚產量繼續增長，不僅增加墻體材料的生產能耗，而且將導致新建建筑的采暖能耗和空調能耗大幅度增加，將嚴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，其生產能耗平均為發達國家的2 倍以上，外墻外保溫隔熱性能相差4～5 倍，空調和采暖的很大一部分負荷是由墻體造成的，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、破壞耕地的現象屢禁不止，特別是近年來城鄉建設的快速發展，對建材產品的需求量急劇增加，一些地區實心粘土磚生產呈增長態勢。可見，取土制磚不僅毀壞耕田，浪費能源，而且嚴重制約著我國國民經濟的可持續發展。

2.1.2 空心磚和空心砌塊墻體

據統計，目前我國在170個城市實行了禁止生產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的產品。在土地資源緊張的大城市及其周邊地區和人均耕地較少的東部沿海發達地區，應限制粘土制品（包括空心粘土磚）的生產和使用；但在我國的中西部和北方地區，有很多的土丘、土山，粘土資源十分豐富，從實際情況出發，可在一定范圍內繼續生產燒結多孔磚和空心磚；在我國的西南地區，有豐富的頁巖資源，可大力發展燒結的頁巖空心磚;在黃河沿岸地區可充分利用淤泥生產空心磚;在南方河湖較多的地區，可利用河泥、湖泥發展空心磚制品。特別是在一些工業發達地區可以利用工業廢料研發生產空心磚和空心砌塊制品，在生產保溫產品的同時，又利用了工業廢料，減輕環境污染。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，可利用這些輕集料生產制作保溫砌塊，用于建筑墻體保溫，尤其適用于嚴寒地區高層框架結構的填充墻。

2.1.3 加氣混凝土墻體

與傳統粘土磚墻體材料相比較，加氣混凝土的計算導熱系數約為粘土磚砌體的30%。因此，加氣混凝土是一種保溫性能好、節能效果顯著的墻體材料。利用加氣混凝土的這一優勢，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。當建筑節能要求較高時，可采用在墻體內側涂抹保溫砂漿，或在砌塊孔洞內填充一些導熱系數低的保溫材料，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、節能和價廉等優點。

2.2 復合墻體

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能要求的前提下，復合墻體已經成為建筑墻體的主流。復合墻體一般采用磚砌體或鋼筋混凝土作承重墻，并與絕熱材料復合；采用鋼或鋼筋混凝土框架結構時，用薄壁材料夾以絕熱材料作墻體。常見的復合墻體形式有內保溫復合墻體、外保溫復合墻體、混凝土夾心墻體等。

2.2.1 外保溫復合墻體

1）外保溫復合墻體及其優點

外保溫復合墻體的做法是將絕熱材料復合在承重墻外側。外保溫復合墻體與內保溫復合墻體相比，具有以下優點：

①保護主體結構，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構外側，減小了因溫度變化導致結構變形產生的應力，減輕了空氣中有害氣體和紫外線對圍護結構的侵蝕，避免了雨、雪以及凍融、干濕循環對主體結構造成的破壞。

②基本消除了熱橋的影響。外保溫復合墻體既可以防止熱橋部位產生結露，又可以消除熱橋造成的熱損失，節約了能源。

③墻體潮濕情況基本得到改善。一般情況下，內保溫復合墻體須設置隔氣層，而采用外保溫時，由于蒸汽滲透性高的主體結構材料位于保溫層的內側，因此只要保溫材料選材適當，在墻體內部一般不會發生冷凝現象，故無需設置隔氣層。同時采取外保溫措施后，結構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。由于外保溫復合墻體蓄熱能力較大的結構層在墻體內側，當室內受到不穩定熱作用時，墻體結構層能夠吸收或釋放熱量。

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

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。由于外保溫技術所用保溫材料置于墻體的外側，其保溫、隔熱效果優于內保溫，故可使主體結構墻體減薄，從而增加了建筑物的使用面積。

2.2.2 內保溫復合墻體及其優點

內保溫復合墻體的做法是將絕熱材料復合在承重墻內側，簡便易行，目前應用較為廣泛。在滿足建筑物承重要求的前提下，墻體可適當減薄。絕熱材料往往強度較低，需設覆面層防護。有些在保溫層內設隔氣層，則有保溫及隔汽之效。目前常用的內保溫技術有：增強石膏復合聚苯保溫板、聚合物砂漿復合聚苯保溫板、增強水泥復合聚苯保溫板、內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格布的做法[7,8]。

增強粉刷石膏聚苯板外墻內保溫墻體是最常見的一種內保溫復合墻體。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，導熱系數低，具有一定強度，尺寸靈活，切割方便，密度可依設計要求，一般以大于18 kg/m3為宜。施工時，以粘結石膏作為粘結劑，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，不會出現空鼓開裂。這種內保溫復合墻體的表面微孔結構可改善呼吸透氣效果，并具有良好的防火性能。當采用被覆中堿玻纖網格時，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。布做增強材料內保溫復合墻體的保溫結構一般為干作業施工，可加快施工進度，提高生產效率。它的優點表現在：

1）對飾面和保溫材料的防水、耐候性等技術指標的要求不高，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）內保溫材料被樓板所分隔，僅在一個層高范圍內施工，施工方便，不需搭設腳手架，不受天氣的影響，雨季和冬季作業不受氣候的影響。

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，內外保溫都有其優點，也有其實用性，外保溫主要是可以很好的消除熱橋的影響，而其也就是內保溫的缺點；內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 燒結多孔磚內保溫體系的推出

由于燒結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、或對墻體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使得保溫更容易進行。對其進行內保溫，能一定程度上克服內保溫的缺點，更好的發揮內保溫的優點。為了達到很好的經濟性，使其更好的在經濟正在發展的城鄉進行推廣。在對燒結多孔磚進行了一定的熱工試驗基礎上，推出燒結多孔磚內保溫體系。

體系可以克服傳統內保溫的以下缺點：

（1）保溫砂漿的使用可以很好的對窗邊冷橋進行克服；

（2）對構造柱圈梁等處的冷橋能起到很大的減弱作用。

3.1 燒結多孔磚的力學性能

通過對粉煤灰和煤矸石燒結多孔磚本身的性質進行跟蹤檢測，與規范要求進行對比；進一步對其砌體結構進行基本力學試驗：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、煤矸石燒結多孔磚本身性質很好的滿足國家規范的要求；其砌體的基本力學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、煤矸石燒結多孔磚砌體結構，從各方面來說與傳統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范公式來計算，但其安全度大大增加。

3.2 燒結多孔磚結構靜力及地震反應分析

用ansys 分析軟件建立粉煤灰、煤矸石燒結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，可知燒結粉煤灰、煤矸石多孔磚砌體結構在對稱荷載作用下，結構變形、應力呈正對稱性，其變形及受力情況符合理論分析結果，受力變形規律同普通磚砌體相同，墻體整體上處于受壓狀態，充分發揮了燒結粉煤灰、煤矸石多孔磚砌體優越的抗壓性能等。

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

3.3 燒結多孔磚熱工性能試驗及有限元非線性

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

3.4 燒結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。推出燒結多孔磚砌體內保溫結構體系，解決了內保溫本身的缺點：節點保溫、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 結語

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

[1]自保溫節能承重多孔磚的研究與應用,馬翠芬,《山東建筑大學學報》,2009.01

[2]保溫混凝土多孔磚節能建筑體系,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用,關雅賢,《21世紀建筑材料》,2009.4