秸稈菱鎂混凝土保溫板在農(nóng)房保溫改造中的應(yīng)用研究

姚久星,王付根,周寶木,畢士琪,徐學(xué)東

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院;山東省村鎮(zhèn)住宅工程技術(shù)研究中心,山東 泰安 271018

秸稈菱鎂混凝土保溫板在農(nóng)房保溫改造中的應(yīng)用研究

姚久星,王付根,周寶木,畢士琪,徐學(xué)東*

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院;山東省村鎮(zhèn)住宅工程技術(shù)研究中心,山東 泰安 271018

秸稈菱鎂混凝土保溫板是一種自主研發(fā)的環(huán)保節(jié)能板材，通過混凝土空心砌塊房的改造，研究了秸稈菱鎂混凝土保溫板的制作工藝和保溫改造技術(shù)，測試了房屋的保溫性能，并與普通磚房的保溫性能進行了對比分析。通過對混凝土空心砌塊房屋的保溫改造，形成了較為成熟的保溫改造施工工藝；對改造房進行熱工分析，秸稈菱鎂混凝土保溫板表現(xiàn)出良好的保溫性能，房屋保溫改造效果明顯。

農(nóng)房改造;秸稈菱鎂混凝土;保溫板;保溫性能

我國碳減排工作已經(jīng)邁入總量控制階段，建筑節(jié)能將是我國實現(xiàn)2030年碳減排目標的關(guān)鍵領(lǐng)域。有數(shù)據(jù)顯示，公共建筑、城鎮(zhèn)居住建筑、北方采暖地區(qū)單位面積能耗出現(xiàn)下降趨勢；但農(nóng)村建筑節(jié)能工作明顯滯后，農(nóng)村居住建筑單位面積能耗穩(wěn)步上升，單位面積電耗上升速度較快。與此同時，農(nóng)村農(nóng)作物秸稈被大量廢棄和焚燒，造成很大的資源浪費和環(huán)境污染。歐美等西方國家很早就已將秸稈用于建筑材料，因此將可循環(huán)利用的地方材料替代現(xiàn)有的工業(yè)化的建筑材料是一個不錯的發(fā)展方向，為農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用提供新途徑。

秸稈菱鎂混凝土保溫板是一種是以菱鎂水泥作為膠結(jié)材料，以小麥、玉米等秸稈纖維為加筋材料，另加少量礦物填料和添加劑，經(jīng)一定工藝制成的具有一定強度、保溫性能的環(huán)保節(jié)能板材。采用的農(nóng)作物秸稈是地方可再生材料，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用，較好地解決秸稈焚燒和環(huán)境污染問題。秸稈菱鎂混凝土保溫板具有保溫、防火、防霉、吸聲、易加工等特點，是一種性能良好的保溫板材，可用于農(nóng)村新型住房建設(shè)或既有農(nóng)房節(jié)能改造。我國菱鎂礦的儲量豐富，菱鎂水泥的堿度（pH值=9～10）比普通硅酸鹽水泥低，對纖維腐蝕性小，能與有機植物纖維很好地粘接，被廣泛用于秸稈基建筑材料的生產(chǎn)。

1 外保溫體系

1.1 外墻保溫技術(shù)

外墻保溫按其保溫層所在位置分類，目前主要有：外保溫、內(nèi)保溫、單一保溫和夾芯保溫四種類型。無論是外保溫還是內(nèi)保溫，都能有效降低墻體傳熱耗熱量并使墻內(nèi)表面溫度提高，使室內(nèi)氣候得到改善。但是，采用外保溫的效果更加良好，這主要是因為：a.常規(guī)的內(nèi)保溫對樓板、梁柱等處均無法處理，在冬季形成熱橋現(xiàn)象，使熱量損失和外墻內(nèi)表面潮濕、發(fā)霉；b.外保溫內(nèi)側(cè)的實墻蓄熱性能好，熱容量大，室內(nèi)能蓄存更多的熱量，使諸如太陽能或間接采暖造成的室內(nèi)溫度變化減緩，室溫較穩(wěn)定；c.外保溫有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的耐久性；d.外保溫可以減少墻體內(nèi)部冷凝現(xiàn)象。外保溫工程每平米造價比內(nèi)保溫相對高一些，不占用使用面積，綜合效益較為顯著。

目前，市場上比較成熟的保溫構(gòu)造主要有：EPS板薄抹灰系統(tǒng)、膠粉EPS顆粒保溫漿料系統(tǒng)、EPS板現(xiàn)澆砼系統(tǒng)、預(yù)制外掛保溫板、水泥聚苯板外保溫、XPS保溫板及聚氨酯硬泡(PU)板等。不同外保溫體系，其材料、構(gòu)造和施工工藝各有差異，采用的固定保溫板的方法各不相同，粘結(jié)或釘固在基層上，或者兩者結(jié)合。保溫層永久固定的機械件，一般采用鋼制膨脹螺栓，并作相應(yīng)的防銹處理。保溫板的面層具有防護和裝飾作用，其做法各不相同，薄面層一般為聚合物水泥砂漿抹面，厚面層仍采用普通水泥砂漿抹面，有的則在龍骨上吊掛板材或瓷磚覆面。

1.2 內(nèi)保溫體系

內(nèi)保溫外墻的保溫結(jié)構(gòu)一般是由保溫板和空氣層組成，加設(shè)空氣層一是解決保溫材料侵潮問題，二是提高外墻的保溫能力。可用于外墻內(nèi)保溫的板材有：充氣石膏板、水泥聚苯板、紙面石膏聚苯復(fù)合板、無紙石膏聚苯板[1]。張德研究了GRC復(fù)合保溫板外墻內(nèi)保溫的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，GRC是一種玻璃纖維增強水泥為面層，以聚苯乙烯泡沫塑料板為夾層的夾心復(fù)合保溫板[2]。目前常見GRC內(nèi)保溫板尺寸，板長900～2700 mm，板寬600 mm，厚有50、60 mm兩種。該復(fù)合保溫板安裝于外墻有點結(jié)構(gòu)和條基結(jié)構(gòu)兩種（見圖1），采用P砂漿粘貼，板與外墻間設(shè)置20～30 mm的空氣層；該墻體經(jīng)不同季節(jié)的干濕循環(huán)，墻面平整，無裂紋，未出現(xiàn)熱橋和冷橋現(xiàn)象，滿足民用建筑節(jié)能設(shè)計標準的要求。P砂漿是由低堿度早強水泥、細河沙、滑石粉、707膠液調(diào)制成漿體，用于板和墻體的連接和接縫。

圖1 點結(jié)構(gòu)、條基結(jié)構(gòu)安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of point structure and strip structure

1.3 質(zhì)量控制

秸稈菱鎂混凝土保溫板比一般板材更易加工，可鋸、可鉆、可釘，使用一般木工工具即可加工，保溫板與菱鎂水泥砂漿有較好膠結(jié)性能，施工較為方便。采用秸稈菱鎂混凝土保溫板來代替聚苯乙烯泡沫板對傳統(tǒng)農(nóng)房進行節(jié)能改造，不僅施工工序簡單，縮短工期，而且強度高、抗沖擊能力好、穩(wěn)定性良好、阻燃、無毒環(huán)保。在施工過程中要注意以下幾個要點：

（1）基層處理，應(yīng)檢查墻面抹灰的平整度、垂直度、厚度、強度，以保證墻面與保溫板貼合度；

（2）木龍骨安裝過程中，為防止鑿入過多的釘子而開裂，先用電錘鉆孔，再用螺栓或鋼釘固定；

（3）保溫板在運輸、裝卸和存放時要采取相應(yīng)操作措施，損壞的板不能用于工程。安裝保溫板在打孔時要注意孔徑尺寸，應(yīng)略小于塑料膨脹釘在膨脹之前的直徑，防止影響墻面的咬合強度甚至脫釘，安裝完成要檢查其牢固性，發(fā)現(xiàn)問題，及時修正；

（4）玻璃纖維布必須壓貼緊密，不應(yīng)有折皺、翹邊等現(xiàn)象。對施工銜接縫隙、陰陽角和門窗洞口邊緣等復(fù)雜的施工位置要加強保溫層的抗裂防護處理，避免產(chǎn)生裂縫而造成保溫質(zhì)量的喪失，可加強玻纖網(wǎng)格布的使用以及局部位置應(yīng)用抗裂砂漿等。

2 在農(nóng)房保溫改造中的應(yīng)用

2.1 案例介紹

為了通過實踐檢驗此種材料的實際保溫效果，在萊蕪市華山村用秸稈混凝土制成保溫板改造了一處使用面積為12 m2的普通住房進行實踐性研究。該住房為坡屋頂?shù)拇u木結(jié)構(gòu)，毛石基礎(chǔ)，墻體一面為石墻，其它三面為混凝土空心砌塊砌墻，屋頂由木屋架木檁條承重。圖2為住房平面現(xiàn)狀圖。

2.2 改造方式

本文的農(nóng)房改造采用內(nèi)保溫，保溫板機械固定于基層，面層抹灰并用玻纖布防開裂，圖3為外墻內(nèi)保溫構(gòu)造示意圖。秸稈菱鎂混凝土保溫板制品有墻板和吊頂板兩種，保溫墻板尺寸為1200 mm×500 mm×40 mm，吊頂板尺寸為390 mm×240 mm×10 mm，在施工圖設(shè)計中要充分考慮保溫板的尺寸，吊頂采用輕鋼龍骨和烤漆T型龍骨。

圖2 住房平面現(xiàn)狀圖Fig.2 Housing plane status map

圖3 外墻內(nèi)保溫構(gòu)造圖Fig.3 Internal thermal insulation construction of external wall

2.3 施工過程

首先要進行施工準備：秸稈菱鎂混凝土保溫板、吊頂板、金屬龍骨、木方、吊筋、膨脹螺栓、鋼釘、塑料膨脹釘?shù)炔牧弦约半婂N、電鋸等機具。然后，進入施工階段，施工過程示意見圖4。

（1）基層處理。內(nèi)墻面水泥砂漿抹灰找平，用水平尺檢查平整度、垂直度，陰角剔鑿順直。為控制保溫板的安裝精度，安裝前應(yīng)使用激光水平儀，整平靠近墻根5 cm范圍內(nèi)的地面使之在同一水平面上，先夯實地面再用砌磚等方式調(diào)整至水平，磚施工前半小時噴水潤濕。

（2）龍骨安裝。案例中房屋的后墻為石墻，表面極不平整，故考慮安裝木龍骨進行墻面調(diào)平，用膨脹螺栓將豎向主龍骨固定在墻上，用螺栓或鋼釘將副龍骨水平固定在豎向龍骨上，并邊固定邊用水平尺調(diào)整至豎直。為增加木龍骨的穩(wěn)定性，應(yīng)減小固定點的間距。

（3）保溫板安裝。根據(jù)設(shè)計好的施工圖紙，秸稈菱鎂混凝土保溫板豎向放置，調(diào)平后用電錘沿著保溫板中心線打孔，穿透保溫板并深入墻面一定深度，并用塑料膨脹釘固定，每塊板至少固定三個位置。按塊安裝，并邊安裝邊固定。

（4）吊頂板安裝。安裝流程為：確定吊筋位置、布置吊筋、連接主龍骨、安裝面龍骨、安裝吊頂面板。吊筋間距不超過1 m，主龍骨應(yīng)保持相互平行，吊頂板的兩對邊應(yīng)垂直或平行于面龍骨，每一排的最后一塊應(yīng)根據(jù)實際尺寸切割后放置。

（5）面層修飾。秸稈混凝土板表面抹灰或貼瓷磚時，應(yīng)做好基層處理，表面灑水濕潤，掛玻纖網(wǎng)格布，防止墻面出現(xiàn)裂縫。如在墻面保溫板表面固定玻璃纖維布，用一層5 mm左右的菱鎂水泥漿粘貼，搭接處不小于100 mm。2 h初凝后，再抹一層菱鎂水泥漿并找平，以備再刮膩子、刷涂料或乳膠漆。

圖4 保溫改造過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of insulation reform

2.4 熱工性能分析

2.4.1 室內(nèi)外溫度采集 為了測試改造房的墻體保溫性能，并實測墻體的總傳熱系數(shù)，進行保溫性能分析。在冬季有取暖設(shè)施條件下，觀測室內(nèi)、外溫度變化情況，測試時房屋無人居住、門窗關(guān)閉，熱能主要來自一臺連續(xù)工作的功率為2000 W取暖器。在室內(nèi)外各設(shè)置2個溫度測試節(jié)點，測點離地面高度0.8～1.5 m，應(yīng)離開墻壁和熱源不小于0.5 m。采用BES-Aa建筑圍護結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測儀，每5 min自動記錄1次數(shù)據(jù)。記錄結(jié)果如圖3室內(nèi)外溫度隨時間變化曲線。

圖5 室內(nèi)外溫度24 h隨時間變化曲線Fig.5 Curves of temperatures indoor and outdoor in 24 h

圖6 試驗房外墻斷面圖Fig.6 Test house external wall sectional drawing

由圖5可以看出，當室外氣溫晝夜變化時，白天受太陽輻射的影響，室內(nèi)溫度逐漸升高，下午4點左右達到最高并逐漸減低，到晚上8點室內(nèi)溫度開始保持相對穩(wěn)定，整體溫差在3.2℃以內(nèi)，而室外氣溫變化差在5.2℃。這說明冬季室內(nèi)溫度在一天的變化很小，改造房具有較好的保溫性能。室內(nèi)平均溫度為15.6℃，基本達到國家冬季采暖標準（《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》GB/T18883-2002規(guī)定冬季采暖標準為16～24℃），符合這個標準的室內(nèi)溫度就是舒適的室內(nèi)溫度。但用取暖器費用過高，可以采用傳統(tǒng)的火爐取暖，提高使用者的舒適度。

2.4.2 外墻熱工理論計算 改造后的外墻從內(nèi)到外的構(gòu)造為42 mm(實測平均厚度)秸稈菱鎂混凝土保溫板—5 mm空氣間層—20 mm水泥砂漿抹灰—240 mm混凝土空心砌塊，見圖6。

取水泥砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.93 W/(m·K)，秸稈菱鎂混凝土保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.054 W/(m·K)[3]，5 mm空氣間層熱阻值取0.1 m2·K/W，[1]該空心砌塊為單排三孔普通混凝土空心砌塊，尺寸為390×240×180 mm（長×寬×高）。該空心砌塊的熱阻經(jīng)試驗測定為R=0.476 m2·K/W。計算墻體材料的熱阻（R）為：

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》GB50176—93[4]附錄2.4，內(nèi)表面換熱阻Ri=0.11 m2·K/W，外表面換熱阻Re=0.04 m2·K/W，則外墻總的熱阻R0：R0=Ri+R+Re=0.11+1.375+0.04=1.525 m2·K/W

由理論計算可知，秸稈菱鎂混凝土保溫板熱阻占該墻體總熱阻的54%，其對混凝土空心砌塊墻體保溫性能的改造效果明顯。

2.4.3 外墻傳熱系數(shù)的現(xiàn)場測試 采用BES-Aa圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測儀測量外墻的熱阻和傳熱系數(shù)，在房屋山墻距地面1.5 m高的墻面處，內(nèi)外對應(yīng)布置2個熱偶計和熱流計，測試設(shè)備每5 min采集記錄一次數(shù)值。在室內(nèi)放置一臺連續(xù)工作的功率為2000 W取暖器，根據(jù)記錄的結(jié)果顯示，室內(nèi)溫度在14 h后達到穩(wěn)定狀態(tài)，并繼續(xù)保持加熱狀態(tài)24 h保證墻體溫度達到穩(wěn)態(tài)。故試驗數(shù)據(jù)取自加熱開始后38 h，即選自2017年1月17日凌晨00:40至05:25這一溫度均衡的285 min時間段。圖7為內(nèi)外墻面溫度隨時間變化曲線，圖8為墻體傳熱系數(shù)隨時間變化曲線。

圖7 內(nèi)外墻面溫度隨時間變化曲線Fig.7 Curves of inner and outer walls temperature changes with time

圖8 墻體傳熱系數(shù)隨時間變化曲線Fig.8 Curves of wall heat transfer coefficient with time

從圖7、圖8可以看出，在這一時間段室內(nèi)、外墻面溫度近于一條直線，保持穩(wěn)定狀態(tài)；計算得出的傳熱系數(shù)的變異系數(shù)（標準差與均值的比率）為3.3%，處于穩(wěn)定狀態(tài)。由測試結(jié)果得出，該墻體的平均傳熱系數(shù)為0.636W/(m2·K)。

2.4.4 墻體傳熱系數(shù)計算值和實測值的對比 改造房外墻的傳熱系數(shù)計算值為0.656 W/(m2·K)，實測值為0.636 W/(m2·K)，誤差為3%，出現(xiàn)偏差的原因主要有兩個方面：①試件的實際情況與計算參數(shù)方面并不完全一致，比如，保溫板個體差異、砌筑灰縫的影響及抹灰厚度的誤差等。②儀器設(shè)備本身有一定的測試誤差。

表1 改造前后墻體熱工對比Table 1 Comparison of wall thermal performance before and after reform

從表1中可以看出，秸稈菱鎂混凝土保溫板加在普通混凝土空心砌塊墻體一側(cè)，與改造前的墻體相比，墻體總熱阻提高135%，墻體傳熱系數(shù)減小57%，即改造后的墻體比原來的混凝土空心砌塊墻體節(jié)能57%。

2.4.5 紅外熱成像技術(shù)檢測 利用德國紅外熱成像儀testo 890在同一時間、地點及陽光照射條件下對保溫改造的住房和同面積普通房屋進行紅外熱像拍照，利用testo IRSoft軟件進行分析，比較外墻面溫度差異，進行保溫性能分析[5]。拍攝時間選在冬季，2017年1月17日早上7:00對改造房進行拍攝，并對拍攝結(jié)果進行分析。分析結(jié)果見圖6～8。

圖9 房屋外墻熱像圖Fig.9 Thermal image of external wall of house

圖10 外墻溫度剖面圖Fig.10 Section graphs of exterior wall temperature

圖11 外墻溫度直方圖Fig.11 Histogram of exterior wall temperature

經(jīng)過testo IR Soft軟件圖像分析，在圖9中，房屋外墻熱像圖中可以看出改造房外墻混凝土空心砌塊縫隙處的溫度達到1.7℃，存在明顯的熱工缺陷，主要是因為外墻沒有抹灰，混凝土空心砌塊無法阻擋縫隙處的熱流。

表2 外墻溫度對比表Table 2 Comparison of exterior wall temperature

從圖10和圖11的分析可以得出外墻溫度的對比表2，由表中數(shù)據(jù)可以看出，相同環(huán)境條件下改造房外墻平均溫度為-3.9℃，而普通磚房外墻平均溫度為-3.1℃，兩者相差0.8℃。因此，在相同供熱條件下，普通磚墻的傳熱比改造墻的傳熱要快，改造墻的保溫隔熱性能要優(yōu)于普通磚墻，同樣改造房的保溫性能優(yōu)于普通磚房。

2.5 成本分析

本小節(jié)對秸稈菱鎂混凝土保溫板在農(nóng)房保溫改造的成本進行分析，成本分析是在本試驗現(xiàn)有條件下進行的，半手工加工，與機械化生產(chǎn)相比，得到的成本會偏高。表3對本章的農(nóng)房保溫改造進行了成本分析，對類似開間4米、進深3米農(nóng)房保溫改造起到一定借鑒作用。通過成本分析可以看出，總成本為1852.7元，均攤于墻面面積，約65元/m2，是一個比較合理的單價。因此，秸稈菱鎂混凝土保溫板不但具有明顯的經(jīng)濟效益，而且避免了塊材墻體易出現(xiàn)開裂、冷(熱)橋等質(zhì)量通病，具有很好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

表3 農(nóng)房保溫改造成本分析Table 3 Cost analysis of the house insulation reform

3 結(jié)論

（1）通過對混凝土空心砌塊房屋改造，保溫板可鋸、可鉆、可釘，使用一般木工工具即可加工，易施工，且強度高、抗沖擊，避免了塊材墻體易出現(xiàn)開裂、冷(熱)橋等質(zhì)量通病，形成了較為成熟的新型建筑材料秸稈混凝土用于墻體和屋面保溫的施工工藝，提供了可借鑒的節(jié)能改造施工方案。

（2）現(xiàn)場測定改造后墻體的傳熱系數(shù)為0.636 W/(m2·K)，秸稈菱鎂混凝土保溫板熱阻占墻體總熱阻的54%，比改造前的混凝土空心砌塊墻體保溫性能提高了57%，保溫性能的明顯提高。

（3）對改造房進行熱工分析，經(jīng)改造后的房屋保溫性優(yōu)于普通磚房，秸稈菱鎂混凝土保溫板顯示了很好的保溫性能。總而言之，由秸稈混凝土制成的墻體保溫板，輕質(zhì)、成型快、保溫隔熱效果好，為建筑保溫材料發(fā)展提供新的方向，具有良好的發(fā)展前景。

[1]王立雄.建筑節(jié)能[M].第二版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009

[2]張 德.GRC復(fù)合保溫板外墻內(nèi)保溫的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[J].新型建筑材料,1998(1):28-30

[3]姚久星,周寶木,等.秸稈混凝土保溫性能試驗研究[J].新型建筑材料,2017.

[4]中華人民共和國建設(shè)部.民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范GB50176-93[S].1993

[5]楊青松,徐學(xué)東.玉米秸稈改造住房建造技術(shù)及保溫性能研究[J].新型建筑材料,2015,5.61-63

Study on Application of Straw Concrete Insulation Board in the Rural House Insulation Reform

YAO Jiu-xing,WANG Fu-gen,ZHOU Bao-mu,BI Shi-qi,XU Xue-dong*
College of Water Conservancy and Civil Engineering;Shandong Province Rural Residential Engineering Technology Research Center/Shandong Agricultural University,Tai‘a(chǎn)n271018,China

Straw MOC concrete insulation board is a kind of independent research and development of environmental protection and energy saving plate.Through the reform of the concrete hollow block house,the production process and insulation reform technology of straw MOC concrete insulation board were studied;the thermal insulation performance of the reform house were tested;And the thermal insulation performance of ordinary brick house was compared and analyzed.Through the reform of the insulation performance of the house,mature insulation transformation technology was formed.Engineering thermal analysis of the house shows straw MOC concrete insulation board has good thermal insulation performance and the effect of thermal insulation housing reform is obvious.

Rural house reconstruction;straw MOC concrete;insulation board;thermal insulation properties

TU582.572

A

1000-2324(2017)05-0730-06

2016-10-23

2016-11-08

“十二五”國家科技支撐計劃課題:低成本村鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境建設(shè)技術(shù)研究與示范(2014BAL04B05)

姚久星(1991-),男,碩士研究生,研究方向為設(shè)施技術(shù)與項目管理.E-mail:jxyao2013@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:xdxu2007@163.com