結(jié)構(gòu)陶粒自保溫體系在建筑中的應用分析

劉軍，董恒瑞，秦硯瑤，尹亞柳

（中煤科工集團重慶設計研究院有限公司綠色建筑技術(shù)中心，重慶 400016）

0 引言

建筑能耗、工業(yè)能耗和交通運輸能耗并稱為社會“三大能耗”，建筑能耗占社會總能耗的30%左右，在嚴峻的能源形勢下，推行建筑節(jié)能已是世界性潮流[1]，推動生態(tài)文明建設必然要將建筑節(jié)能工作放在重要位置，對保證能源安全、保護環(huán)境、提高生活水平、拉動經(jīng)濟增長等都具有重要意義。

自重慶執(zhí)行建筑節(jié)能設計標準以來，建筑外墻主要以外保溫作為主要形式，外墻外保溫具有施工工藝成熟、保溫性能優(yōu)異等特點[2]，但保溫系統(tǒng)的耐久性問題一直是致命缺陷。無論是聚苯板還是膠粉聚苯顆粒漿料，其使用壽命約為10～20年，而一般建筑的設計使用年限為50年，外保溫系統(tǒng)無法與建筑同壽命，且使用階段保溫層存在空鼓、開裂、脫落等風險。為積極探索和優(yōu)化建筑外墻保溫形式、提升建筑外保溫工程質(zhì)量，重慶市陸續(xù)頒布相關(guān)墻體自保溫應用技術(shù)規(guī)程和圖集，引導和規(guī)范本地建筑外墻自保溫系統(tǒng)的應用，但建筑梁柱等主體結(jié)構(gòu)部位熱橋仍需采用附加保溫措施，為實現(xiàn)真正意義上的建筑整體自保溫，提出全新的結(jié)構(gòu)陶粒混凝土自保溫體系的概念，充分利用陶粒混凝土輕質(zhì)高強的特性，外墻熱橋梁柱無需再額外采取保溫措施。

1 結(jié)構(gòu)陶粒混凝土設計生產(chǎn)

采用結(jié)構(gòu)陶粒混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通混凝土作為承重結(jié)構(gòu)材料應用于建筑物，借助陶粒混凝土導熱系數(shù)低的優(yōu)勢，從根本上改善建筑熱橋部分的保溫性能。此設計做法既可以放寬對墻體砌塊導熱系數(shù)的要求，又能避免做內(nèi)外保溫所帶來的“后遺癥”。熱橋部分導熱系數(shù)的下降，配合采用保溫性能良好的砌塊，無需任何內(nèi)外保溫做法，就可以基本滿足南方地區(qū)規(guī)范對外墻平均傳熱系數(shù)的要求，做到真正意義上的自保溫。

經(jīng)初步節(jié)能和結(jié)構(gòu)計算，1800級LC35陶粒混凝土可滿足建筑結(jié)構(gòu)安全和保溫要求，兼具承重和自保溫效果。

由于陶粒生產(chǎn)質(zhì)量水平有限，按照標準規(guī)定進行配合比設計，結(jié)果出入較大。筆者結(jié)合相關(guān)文獻資料和研究經(jīng)驗，在水膠比、骨料占比、陶粒上浮率以及試件強度“四因素”的反饋信息指導下進行1800級LC35混凝土配合比設計[3]。具體見表1、表2、圖1。

表1 LC35結(jié)構(gòu)陶粒混凝土配合比（kg/m3）

表2 試驗結(jié)果匯總

圖1 新拌結(jié)構(gòu)陶粒混凝土

2 結(jié)構(gòu)陶粒混凝土施工

陶粒混凝土施工過程與普通混凝土基本一致，主要控制點是泵送壓力。加壓條件下結(jié)構(gòu)陶粒混凝土中的水分將部分進入陶粒中，造成混凝土可泵性下降。

通過泵送中試試驗發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)陶粒混凝土入泵時坍落度不小于200mm為宜，在開始泵送前，要采用潤管砂漿充分潤滑管道，在管道中存留懸浮運動的潤滑層，泵送時應處于勻速緩慢運行并隨時可反泵的狀態(tài)。泵送速度應先慢后快，逐步加速。

結(jié)構(gòu)陶粒混凝土拌合物較普通混凝土更易出現(xiàn)離析、泌水及陶粒上浮情況。結(jié)構(gòu)陶粒混凝土出現(xiàn)離析分層或陶粒上浮分層時，對強度及保溫性造成影響，結(jié)構(gòu)陶粒混凝土構(gòu)件在受彎或偏心受壓狀態(tài)下，更易出現(xiàn)非正常破壞。因此，結(jié)構(gòu)陶粒混凝土不僅要具有良好的流動性，也要具有較好的自密實能力，通過減少振搗作用，保證混凝土整體均勻性。

3 模型及分析

以典型多層洋房和高層住宅項目為模型，分析兩種不同（多層、高層）住宅應用結(jié)構(gòu)陶粒混凝土自保溫體系的優(yōu)勢（圖2）。

圖2 項目效果圖

（1）某多層住宅，位于重慶市綦江區(qū)，總建筑面積約4773m2，為板式花園洋房，共3個單元6戶，地上共8層，地下兩層車庫，層高3.0m，總計24m。

（2）某高層住宅，位于重慶市江北區(qū)，總建筑面積22196m2，為高層住宅，層數(shù)33層，建筑高度100m。

為研究結(jié)構(gòu)陶粒自保溫體系和傳統(tǒng)常規(guī)體系 （混凝土結(jié)構(gòu)+結(jié)構(gòu)外保溫體系）在兩種不同建筑類型中的受力情況、節(jié)能效果及經(jīng)濟性，采用專業(yè)軟件進行模擬計算多層住宅和高層住宅建筑結(jié)構(gòu)造價、圍護墻體成本以及節(jié)能效果等。

3.1 結(jié)構(gòu)及造價分析

該項目采用1800級LC35結(jié)構(gòu)陶粒混凝土替代普通混凝土作為建筑主體結(jié)構(gòu)，對多層住宅和高層住宅進行結(jié)構(gòu)受力分析和成本對比。利用結(jié)構(gòu)設計軟件PKPM-SATWE對數(shù)據(jù)資料作適當調(diào)整修訂，得出兩種不同結(jié)構(gòu)形式的受力情況及在地震作用下的自振周期、層間位移，并對給出的抗剪及正常使用極限狀態(tài)下的結(jié)果進行人工復核，確定配筋用量[4]。

模擬計算是在其他外圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)符合規(guī)范規(guī)定且保持不變的情況下進行，本次模擬分析時圍護墻材均為A3.5 B06級普通蒸壓加氣混凝土砌塊。

3.1.1 多層住宅建筑

表3 多層住宅兩種不同結(jié)構(gòu)形式受力對比

表4 多層住宅兩種不同結(jié)構(gòu)形式建筑材料用量對比

由表3、表4可知：結(jié)構(gòu)陶粒混凝土代替普通混凝土，地震作用下的最大層間位移角比普通混凝土結(jié)構(gòu)大，但未超過《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2010規(guī)定的限制1/550。陶粒混凝土替代普通混凝土，其周期比基本不變，單純改變材料品種，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度變化不明顯。

對多層建筑而言，由于結(jié)構(gòu)陶粒混凝土強度設計值fc與普通混凝土相同，結(jié)構(gòu)陶粒混凝土的彈性模量ELC與普通混凝土的彈性模量EC差別較大。以1800級LC15～LC60結(jié)構(gòu)陶粒混凝土為例，其彈性模量ELC/EC≈64%～78%，剪切彈性模量GLC約為普通混凝土剪切模量GC的40%左右，陶粒混凝土結(jié)構(gòu)形式的位移角增大。

因此在結(jié)構(gòu)設計時，結(jié)構(gòu)陶粒混凝土主體鋼量增加，主體陶粒混凝土方量增大，但建筑結(jié)構(gòu)總重量減少了2200t，基礎(chǔ)部位鋼筋和混凝土用量降低。

多層結(jié)構(gòu)造價比較：

鋼筋增量：298.19t-277.43t=20.76t

鋼筋增加成本：20.76t×3000元/t=62880元

陶粒混凝土造價：5054.37m3×550=2779903元

普通混凝土造價：4721.16m3×350=1652406元

結(jié)構(gòu)總成本增加：2779903+62880-1652406=1190377元

單從結(jié)構(gòu)材料用量上分析，采用結(jié)構(gòu)陶粒混凝土自保溫，建筑成本增量約為119.4萬元，該成本增量未將基礎(chǔ)造價成本降低量考慮進去，另外，分戶樓板為160mm陶粒混凝土，滿足分戶樓板隔熱、隔聲性能要求。

3.1.2 高層住宅建筑

表5 高層住宅兩種不同結(jié)構(gòu)形式建筑材料用量對比

由表5可知：高層住宅結(jié)構(gòu)重量減少12%左右，基礎(chǔ)鋼筋和基礎(chǔ)混凝土用量降低，但由于實際設計中基礎(chǔ)歸并系數(shù)往往大于主體，故基礎(chǔ)混凝土和鋼筋用量差別不大。

高層結(jié)構(gòu)造價比較：

鋼筋增量：753.76 t-711.00t=42.76t

鋼筋增加成本：42.76t×3000元/t=128280元

陶粒混凝土造價：7763.84方×550=4270112元

普通混凝土造價：6767.12方×350=2368492元

結(jié)構(gòu)總成本增加：4270112+128280-2368492=2029900元

單從結(jié)構(gòu)材料用量上分析，采用結(jié)構(gòu)陶粒混凝土自保溫，建筑成本增量約為203萬元。

由于陶粒混凝土還未大規(guī)模生產(chǎn)應用，導致陶粒混凝土單價較高，采用結(jié)構(gòu)陶粒混凝土方案后建筑有部分成本增量，但綜合考慮結(jié)構(gòu)陶粒混凝土的使用效果，項目整體成本增量并不高，特別是在后期運營階段，其保溫性能、抗震性能、低維護屬性將逐漸凸顯。

3.2 節(jié)能及成本對比

3.2.1 多層住宅建筑

該多層住宅項目外圍護墻體采用蒸壓加氣混凝土砌塊，其中普通混凝土體系采用220mm厚普通蒸壓加氣混凝土砌塊，熱橋采用20mm保溫材料，結(jié)構(gòu)陶粒混凝土自保溫體系采用200mm厚蒸壓加氣混凝土精確砌塊、采用薄層砌筑。節(jié)能計算基于重慶市 《居住建筑節(jié)能65%設計標準》DBJ50-071-2016，采用“建筑節(jié)能分析軟件—PKPM（重慶版），PBECA Build2016.11”進行計算。 經(jīng)計算，外墻傳熱系數(shù)為1.42 W/（m2·K），不滿足《居住建筑節(jié)能65%設計標準》DBJ50-071-2016中表4.2.1中的限值，但滿足《居住建筑節(jié)能65%設計標準》外墻傳熱系數(shù)小于1.50 W/（m2·K）的要求值；現(xiàn)對建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能進行綜合判斷，見表6。

表6 多層住宅能耗判斷

圖3 多層建筑住宅能耗

表6計算結(jié)果顯示：設計建筑的單位面積全年能耗均小于參照建筑的單位面積能耗，節(jié)能率均已達到重慶市《居住建筑節(jié)能65%設計標準》DBJ50-071-2016的節(jié)能要求。

表7 多層住宅保溫造價對比

由表7可知：與傳統(tǒng)保溫形式相比，陶粒混凝土結(jié)構(gòu)自保溫節(jié)能造價可節(jié)約207670-162688≈45萬元；采用160mm厚陶粒混凝土樓板，可免去分戶樓板保溫施工，節(jié)約該項造價約51.0萬元。結(jié)合結(jié)構(gòu)成本增量其綜合造價：增幅119-45-51=23萬元（單位面積增量約20元/㎡），同時考慮到地基、施工周期、保溫形式后期等優(yōu)勢更明顯。

3.2.2 高層住宅建筑

對比普通混凝土方案和結(jié)構(gòu)陶粒混凝土自保溫方案的節(jié)能效果。詳見表8。

表8 高層住宅節(jié)能對比

兩種方案的節(jié)能率均符合 《居住建筑節(jié)能65%設計標準》DBJ50-071-2016的規(guī)定，結(jié)構(gòu)陶粒混凝土自保溫方案的節(jié)能率比普通混凝土方案高1.85%，節(jié)能效果明顯。

計算參數(shù)：200mm厚普通燒結(jié)頁巖空心砌塊按85元/m2；200mm厚蒸壓加氣混凝土500級薄層砌筑按100元/m2；巖棉板（垂直纖維）按80元/m2；全輕混凝土按45元/m2。

高層住宅采用剪力墻結(jié)構(gòu)，因熱橋面積較大，傳統(tǒng)混凝土方案保溫造價約為2755695元，而采用結(jié)構(gòu)陶粒混凝土自保溫方案保溫造價僅為65810元，自保溫方案節(jié)省成本2689885元，抵消結(jié)構(gòu)成本增量203萬元，綜合造價節(jié)約65.98萬元；考慮地基、施工周期、保溫形式后期優(yōu)勢將更明顯。

4 工期成本

采用結(jié)構(gòu)陶粒混凝土自保溫體系，免去了大量的熱橋外保溫施工環(huán)節(jié)[5]，特別是在該體系中采用蒸壓加氣混凝土精確砌塊薄層砌筑技術(shù)，將免除外墻附加保溫構(gòu)造，其綜合施工工期可以明顯縮短，根據(jù)工程經(jīng)驗，對該多層和高層住宅項目，在砌筑工程階段每層可縮短0.25～0.5d，裝修（外墻粘貼保溫板等）階段每層可縮短工期1～1.5d，綜合考慮每層可縮短工期1.25～2d，該多層住宅項目可縮短10d以上，高層住宅項目可縮短42d以上。在人工成本，機械租賃，項目管理等環(huán)節(jié)可進一步降低成本。

5 結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)陶粒混凝土自保溫體系相對傳統(tǒng)保溫體系，可降低綜合成本，特別是對于高層住宅，成本優(yōu)勢更明顯；

（2）結(jié)構(gòu)陶粒混凝土自保溫體系實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和保溫功能一體化，與建筑同壽命，無需后期維護或更換，安全系數(shù)提高，使用階段能獲得良好的經(jīng)濟和社會效益；

（3）采用結(jié)構(gòu)陶粒混凝土自保溫體系，建筑自重降低，地震作用也會在一定程度上降低，在地質(zhì)條件較差的區(qū)域，基礎(chǔ)成本會大大降低。