嚴寒地區新型自保溫砌塊配合比設計與構造研究★

梁曉旭 方光秀

(延邊大學工學院,吉林 延吉 133002)

0 引言

隨著經濟的快速發展，人們對于自己的居住環境有了更高的要求，需要一種能夠做到冬暖夏涼的房子，這就對墻體的保溫提出了更高的標準。最近幾年，國家對于建筑領域的節能愈來愈重視，傳統的保溫措施只是在墻體外增加保溫層，不僅增加了施工量，而且耐久度不強[1]。因此，對于既能充當墻體，又能做到保溫的自保溫砌塊的研究迫在眉睫。

長白山地區有著大量的火山灰資源，可作為混凝土的天然輕質骨料。本文根據JGJ 26—2010嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準中的要求，即：嚴寒地區不小于9層建筑物外墻的傳熱系數限值為0.50 W/(m2·K)，0.55 W/(m2·K)，0.60 W/(m2·K)，并借鑒在國內外已有研究文獻的基礎上，研究與提出既滿足國家65%的建筑節能要求，又適用于東北嚴寒地區的新型自保溫砌塊配合比設計與構造。通過創新性的雙摻火山灰和粉煤灰來等量取代水泥用量；同時，設計全新的X軸，Y軸立體咬合式自保溫砌塊構造，以此達到綠色節能、低碳環保目的。

1 國內外文獻研究

1.1 國內研究成果分析

通過國內文獻的整理分析與研究，本文可借鑒的代表性成果如下：姜玉梅、魏代曉等[1]設計了XH自保溫砌塊，其以燒結頁巖多孔磚為基體，采用斷橋矩形孔洞設計。其獨特的設計使得熱量在沿墻體橫向的任一位置傳遞時都要經過空氣層的阻斷，增大了熱阻，有效地抑制了熱量的傳遞。

丁曉燕、羅永磊、陳忠范等[2]經過數次優化之后得出的自保溫砌塊塊型構造，采用了孔洞與豎肋非均勻排列的方式，并在孔洞中插入聚苯板，其力學性能和熱工性能均有明顯的提高。

1.2 國外研究成果分析

發達國家由于其經濟實力原因，采用高效保溫材料完全替代砌塊的空氣孔洞。通過國外文獻的整理分析與研究，本文可借鑒的代表性成果如下：美國是最早生產混凝土砌塊的國家，自1866年美國哈契遜獲得第一份生產空心砌塊的專利以來，混凝土自保溫空心砌塊研究就持續開展，研制出的TB型保溫隔熱復合砌塊，其內砌塊與外砌塊之間采用高效保溫材料，完全消除了通過墻體砌塊橫肋的傳熱，300 mm厚砌體的傳熱系數可以達到0.36 W/(m2·K)～0.58 W/(m2·K)。加拿大研究的IMSI保溫隔熱砌塊，墻體厚度200 mm，共兩排孔，外側孔既窄又長而且插放絕熱板，內側孔可根據需要布置鋼筋或保溫板，其墻體的總傳熱系數可達到0.405 W/(m2·K)。德國在砌塊孔洞中填充玄武巖保溫顆粒，這種顆粒是將玄武巖在1 500 ℃下熔化成塊，再經工藝處理而成，能使砌塊隔熱性能、隔聲效果得到明顯改善。波蘭研究出咬合式的保溫砌塊，組成后砌塊墻體厚變為320 mm，砌塊母體材料采用輕質硅或用砂石硅生產，孔洞內插入高效保溫材料，墻體的總傳熱系數為0.209 W/(m2·K)～1.000 W/(m2·K)[3]。

2 新型自保溫砌塊設計

2.1 材料的選用

1)水泥：P.O42.5普通硅酸鹽水泥，產于吉林亞泰水泥有限責任公司；

2)粉煤灰：延吉市朝陽建材，Ⅰ級粉煤灰；

3)水：延吉市自來水；

4)天然粗、細骨料：細骨料選用延吉產的河砂，細度模數為2.5，級配區為Ⅱ區。粗骨料選用延吉產5 mm～10 mm連續級配的花崗巖碎石；

5)外加劑：延吉方勝建材有限公司出產的高效聚羧酸減水劑母液，減水率為20%；

6)火山灰：長白山地區火山灰。

2.2 新型自保溫砌塊塊型構造設計

根據文獻[4,5]研究，矩形孔洞的傳熱系數為最小。此外，砌塊的熱阻還與空氣層的厚度有關，在砌塊中，當空氣層的厚度達到20 mm后，隨著其厚度的增大，空氣層熱阻的增量越來越小。當空氣層厚度到40 mm后，熱阻趨于常量，此時若增多孔洞排數，可以顯著提高其熱阻。但從砌塊成型的角度考慮，孔洞的排數越多、成型越困難。另外，孔洞的錯位排列能夠使熱量在沿墻體橫向任一位置傳遞時都要經過空氣層的阻斷，增大了熱阻，有效地抑制了熱量的傳遞。同時孔洞與豎肋非均勻排列可以有效起到保溫的效果，故孔洞宜采用非均勻排列，且近冷熱源兩側端面的保溫層越厚，砌塊保溫節能效果越好。

因此，本文在借鑒文獻研究成果的基礎上，經計算最終確定自保溫砌塊孔洞數為3排，外壁厚為22 mm，助壁厚分別為35 mm，28 mm，20 mm，18 mm，15 mm；空氣層排數為3排，厚度分別為40 mm，30 mm；長度分別為160 mm，150 mm；空心率為39.3%，在其孔洞中插入聚苯板。創新性的在砌塊兩側的左右端部分別設置凹槽和凸槽、且砌塊上下的底部和頂部分別設置凹槽和凸槽，以此形成X軸,Y軸立體咬合式自保溫砌塊構造?？捎行ё钄嗨闹艿睦錁颍瑥亩沟帽匦Ч?，如圖1所示。

2.3 新型自保溫砌塊配合比設計

本次試驗，根據標準[6]設計了砌塊強度為MU10.0,混凝土強度為C30，密度等級為1 200級的自保溫砌塊。

2.3.1混凝土配置強度的確定

1)混凝土立方體試塊和自保溫砌塊抗壓強度之間的關系[7，8]：

RK/RL=0.957 7-1.129K

(1)

其中，RK為自保溫砌塊抗壓強度，MPa；RL為混凝土立方體試塊抗壓強度，MPa；K為自保溫砌塊空心率。分別代入數值得到：RL=19.46 MPa。

2)混凝土的立方體試塊的設計強度可按照式(2)計算[9]：

fcu,o=fcu,k+1.645σ

(2)

標準差σ值，如表1所示。

表1 標準差σ值

由表1得出，σ=5.0，fcu，o=38.225 MPa。

2.3.2混凝土用水量和外加劑用量

每立方米混凝土的用水量mw0的確定：

(3)

每立方米混凝土中外加劑用量ma0的確定:

ma0=mb0βa=5.75 kg

(4)

2.3.3混凝土膠凝材料(水泥、粉煤灰、火山灰)用量

每立方米混凝土中膠凝材料總用量為mb0：

mb0=mw0/(W/B)=383.3 kg

(5)

雙摻粉煤灰、火山灰等量取代20%水泥，采用的火山灰和粉煤灰的摻入比為1∶4。每立方米混凝土中的粉煤灰、火山灰的總用量為mh0：

mh0=mb0Bf=76.06 kg

(6)

粉煤灰的用量為mf0：

mf0=60.85 kg。

火山灰的用量為mt0：

mt0=15.21 kg。

每立方米混凝土中水泥用量為mc0：

mc0=mb0-mf0-mt0=307.27 kg

(7)

2.3.4砂率

砂率根據骨料的技術指標、混凝土拌合物性能，參考資料確定為35%。

2.3.5粗、細骨料用量

采用質量法計算粗、細骨料用量分別為mg0,ms0：

mf0+mt0+mc0+mg0+ms0+mw0=mcp

(8)

βs=ms0/(mg0+ms0)×100%

(9)

mg0=1 191.2 kg；

ms0=641.4 kg。

3 理論計算分析

根據文獻[2]的研究，本文提出的砌塊構造所采用的導熱系數預測可以達到0.11 W/(m·K)。

1)自保溫砌塊砌體熱阻應按式(10)計算[10]:

Rma=dma/ε·λma

(10)

其中，Rma為自保溫砌塊砌體的熱阻，m2·K/W;dma為自保溫砌塊砌體的厚度，m;ε為對灰縫影響的修正系數，按表2選取;λma為自保溫砌塊砌體當量導熱系數，W/(m·K)。

由式(10)計算得出：Rma=2.182 m2·K/W。

表2 修正系數的取值

2)自保溫砌塊墻體部位傳熱阻和傳熱系數應按式(11)，式(12)計算：

Rp=Ri+Rma+∑Rpj+Re

(11)

Kp=1/Rp

(12)

其中，Rp為自保溫砌塊墻體部位傳熱阻，m2·K/W；Ri為內表面換熱阻，表面換熱阻應根據砌體表面的空氣流速、輻射率求得，一般情況下其值取0.11 m2·K/W;Rpj為自保溫砌塊墻體部位除砌體層外各層材料的熱阻，m2·K/W;Re為外表面換熱阻，表面換熱阻應根據砌體表面的空氣流速、輻射率求得，一般情況下其值取0.04 m2·K/W;Kp為自保溫砌塊墻體部位的傳熱系數，W/(m2·K)。

由式(11),式(12)計算得出：Kp=0.429 W/(m2·K)。

4 結語

1)本試驗所提出的自保溫砌塊的配合比與構造皆建立在理論的基礎上，為后來的研究提供借鑒。

2)在混凝土中以1∶4的摻入比、雙摻火山灰與粉煤灰等量取代水泥用量20%，且設計出全新的自保溫砌塊配合比；同時，設計出X軸,Y軸立體咬合式自保溫砌塊構造，可有效的阻斷四周的冷橋，實現綠色、環保、節能的要求。

3)經過理論計算分析，新型自保溫砌塊的傳熱系數可以達到0.429 W/(m2·K)，能夠滿足嚴寒A,B,C區外墻傳熱系數的限值。