川西高海拔地區夯土建筑墻體保溫性能優化研究

王 亮 宋美艷

(西南科技大學土木工程與建筑學院 四川綿陽 621010)

川西高海拔地區屬于高原山地氣候，冬季氣溫低、霜雪多、室內寒冷，幾乎所有民居都是采用火塘或暖墻的方式取暖，這就導致了室內環境質量下降。目前，民居墻體保溫性能無法滿足冬天人們對房屋保暖、防寒性的要求。因此，對川西高海拔地區傳統村落民居墻體保溫性能的優化研究，對當地以及相似條件地域新建傳統村落和改善人居環境來說顯得尤為必要。

傳統夯土民居以未經焙燒的原狀土為主要建筑原材料，以層層夯實的生土墻體為主要承重結構，通常就地取材，所取的原狀土無需燒制，直接拌和夯筑，建造過程中，每層夯土之間難免存在間隙，墻體的整體性較差[1]。為了改良夯土建筑墻體，國內外學者進行了相關研究。尚建麗等[2]通過大量試驗對夯土建筑所用材料——粗粒土的性質進行了研究，得出夯實粗粒土的導熱系數隨著夯實密度的減小而減小，隨著含水率的增加而增加。石堅等[3]通過擊實試驗、直接剪切試驗和軸向抗壓試驗得出，作為夯土建筑的土料，麥秸土有較好的抗剪抗壓工程特性，且可就地取材，造價低廉，施工簡單。夯土比其他大多數建筑材料具有環境優勢，Burroughs[4]對夯土的選土、穩定劑的添加等提出了可行性建議，目的是探討建造出符合或超過2 MPa抗壓強度的夯土墻的可能性。鄭龍等[5]采用人工夯土墻植入硅半導體傳感器的方式進行溫度檢測，得出在墻體內部靠近西表面處的變化比其他墻體內部測點的溫度變化更為劇烈，且從墻體表面向墻體中心有明顯梯度變化。Paul等[6]以一夯土房屋為例，采用聚合物來穩定地基，主要成分是瀝青乳液，在滿足支撐建筑和防止潮氣的同時，也減少CO2的排放，觀測表明地基令人滿意，沒有發現沉降或開裂。Nowamooz等[7]論述了墻體材料含水量對夯土強度的影響，提出了一種基于彈塑性框架的有限元模型，通過水壓試驗確定了不同模型的參數，得出夯土墻比混凝土墻更靈活，干墻比濕墻更穩定，不增塑。王培清等[8]通過對西藏林芝地區覺木村兩戶居民住宅的溫度、濕度、照度及風速的測試分析，得出由石塊、土坯磚、泥漿等建成的傳統民居保溫隔熱性能優于現代式建筑材料砌塊，并且可以保護傳統民居的建筑特色。劉盛等[9]以湘西傳統民居的典型代表“吞口屋”為研究對象，分析了湘西傳統民居的室內熱環境狀況，并利用全年動態能耗模擬軟件和計算流體力學軟件進行能耗和自然通風分析，得出外墻改造使用10 mm聚氨酯保溫板的“呼吸式”杉木墻體可以有效提高墻體隔熱保溫效果。劉成琳[10]通過對新型夯土建筑居民室內熱環境進行綜合評價，得出新型夯土民居的耗熱量指標比傳統夯土民居低了39%，比傳統磚混民居低了44%，降幅明顯，表明新型夯土民居的熱工性能相對于當地傳統民居有了顯著提升。吳徹平等[11]發現在墻體中加入膠粉聚苯顆粒可以改善墻體的保溫性能。前人對墻體的保溫隔熱性能、抗壓性能以及室內熱環境等進行了研究，但對于改善夯土墻體的保溫性能等研究還不夠深入。

由于川西高海拔地區傳統村落的土壤基質好，堅硬黏結，顆粒穩定性好，因此，本文考慮利用當地黏土，在其中加入不同類型不同配比的保溫材料，研究其保溫性能的變化規律。為了防止在加入保溫材料后墻體的抗壓性能降低，考慮在黏土中加入塑料纖維，并與改良前的原土建筑進行能耗對比，獲得最佳的復合材料配比，為川西高海拔地區傳統村落夯土建筑墻體材料的選用提供決策參考。

1 實驗方案

建筑墻體材料是室內外環境進行熱交換的主要途徑，其導熱性能和穩定性能是重要的參數。因此，通過在原土中加入具有保溫性能的膠粉顆粒和聚苯顆粒以及有一定抗壓性能的塑料纖維顆粒，研究混合后的墻體材料保溫性能。

(1)利用現有原土，分別加入2%，4%，6%，8%，10%的聚苯顆粒、膠粉聚苯顆粒和塑料纖維膠粉聚苯顆粒，混合均勻。(2)放入100 mm×100 mm×50 mm 的砌塊模型夯實，風干一個月。(3)取出砌塊，進行導熱系數以及抗壓強度測定。

2 實驗砌塊性能測定

2.1 保溫性能測定

在材料設置上，考慮了聚苯顆粒組、膠粉聚苯顆粒組和塑料纖維膠粉聚苯顆粒組3個組別(下文中分別簡稱為“聚苯組”、“膠粉聚苯組”和“纖維膠粉聚苯組”)，并與原土材料進行對比。待砌塊放置至完全風干狀態以后，利用TPMBE建筑材料導熱系數檢測設備對實驗砌塊進行了導熱系數測定，并得到各個組別的導熱系數對比圖，如圖1、圖2所示。

圖1 聚苯組導熱系數圖Fig.1 Heat transfer coefficient of polystyrene group

圖2 膠粉聚苯組導熱系數圖Fig.2 Heat transfer coefficient of rubber powder polyphenyl group

通過導熱系數測定結果發現：聚苯組和膠粉聚苯組的導熱系數均隨著添加比例的增加而降低，表明兩者均具有良好的保溫隔熱性能。當添加比例為2% 時，聚苯組和膠粉聚苯組的導熱系數分別為1.15 W·m-1·K-1和1.03 W·m-1·K-1，相比原土的下降幅度最大，分別達到0.19 W·m-1·K-1和0.31 W·m-1·K-1。添加比例增大一倍時，兩組對應的導熱系數降幅分別為0.37 W·m-1·K-1和0.49 W·m-1·K-1，沒有達到導熱系數再降低一倍的效果。添加比例為6%時，聚苯組的導熱系數相比原土下降了0.49 W·m-1·K-1，膠粉聚苯組相比原土下降了0.57 W·m-1·K-1。當兩個實驗組的添加比例大于6%后，導熱系數下降的趨勢均有所減緩，基本趨于穩定值，說明實驗砌塊中的保溫材料添加比例此時已經達到了飽和狀態，再增加用量其效果增加已經不再顯著。

膠粉聚苯組的導熱系數整體比聚苯組小，表明添加了膠粉聚苯顆粒的實驗砌塊在導熱系數的改進方面要優于只添加了聚苯顆粒的實驗砌塊，也即保溫隔熱性能相對更好。

通過對比得出，膠粉聚苯組的保溫隔熱性能相對更好，為了防止加入保溫材料后砌塊的抗壓性能降低，以膠粉聚苯顆粒和塑料纖維1∶1的比例與原土混合，得到添加比例分別為2%，4%，6%，8%和10%的塑料纖維膠粉聚苯顆粒實驗砌塊，并測定其導熱系數，如圖3所示。

圖3 纖維膠粉聚苯組導熱系數圖Fig.3 Heat transfer coefficient ofpolyphenyl group of fiber rubber powder

結果表明，纖維膠粉聚苯組的導熱系數相比原土下降幅度也較大，具有良好的保溫隔熱性能。當添加比例為6% 時，導熱系數下降了0.65 W·m-1·K-1，同樣在添加比例大于6%后，導熱系數下降趨勢有所減緩。

值得注意的是，在膠粉聚苯顆粒中加入塑料纖維后，導熱系數整體降低，下降幅度大于膠粉聚苯組，表明塑料纖維不僅可以用來改善墻體的抗壓性能，也具有一定的保溫隔熱性能。如圖4所示，當添加比例為2%時，膠粉聚苯組的導熱系數為1.03 W·m-1·K-1，纖維膠粉聚苯組的導熱系數為0.88 W·m-1·K-1，相比膠粉聚苯組降低了0.15 W·m-1·K-1，保溫隔熱性能增強了14.6%。添加比例增加一倍時，兩組的導熱系數降幅分別為0.49 W·m-1·K-1和0.60 W·m-1·K-1，兩者的降幅差值減小，為0.11 W·m-1·K-1，表明塑料纖維對墻體材料保溫隔熱性能的改善作用減弱。當材料的添加比例大于6%后，兩組的導熱系數差值幾乎相等，降幅均為 0.07 W·m-1·K-1，保溫隔熱性能的改善效果趨于穩定，說明雖然塑料纖維有一定的保溫隔熱性能，但再增加用量其效果已經不再明顯。

圖4 膠粉聚苯組與纖維膠粉聚苯組導熱系數對比圖Fig.4 Comparison of thermal conductivity between rubber powder polybenzene and fiber rubber powder polybenzene group

2.2 抗壓性能測定

由于民居大多都是用夯土堆砌而成的，其抗壓性能普遍較差，而且在加入保溫材料后，必然會進一步削弱墻體的抗壓性能。因此，在測定添加比例為6%的纖維膠粉聚苯實驗砌塊具有良好的保溫隔熱性能基礎上，使用三軸抗壓強度儀對其抗壓性能進行驗證。分析發現，添加比例為6%的纖維膠粉聚苯砌塊抗壓強度為49.89 kN，相比原土增加了2.59 kN，盡管上升幅度比較小，但在一定程度上改善了墻體砌塊的抗壓性能。

綜上所述，夯土建筑墻體材料宜優先選擇添加比例為6 %的纖維膠粉聚苯顆粒砌塊。

3 節能效益

根據上述導熱系數以及抗壓性能測定結果，利用DEST能耗模擬軟件，對川西高海拔地區傳統村落某夯土建筑能耗情況進行研究。該建筑位于綿陽市平武縣白馬藏族鄉，此地區屬于典型高寒冷低溫帶生態氣候區，海拔高、年平均氣溫低、晝夜溫差大。建筑坐南朝北，南向窗墻比設置為0.32，北向窗墻比設置為0.22，建筑平面圖如圖5所示。在能耗模擬中，將房屋的墻體設置為變量，通過改變該墻體的組成成分，獲得其單位面積空調年能耗以及單位面積采暖年能耗，計算其節能率。

圖5 建筑平面圖Fig.5 Architectural plans

根據性能測定實驗結果，得出添加比例為6%的塑料纖維膠粉聚苯顆粒墻體材料的保溫隔熱性能最好。在此基礎上，通過能耗模擬軟件模擬此墻體材料的建筑能耗情況，得到該建筑單位面積空調年能耗和單位面積采暖年能耗如表1所示。

表1 不同墻體組分建筑能耗Table 1 Building energy consumption of different wall components

分析能耗模擬結果可以發現，原土建筑單位面積能耗最高，加入保溫材料和塑料纖維后，可以有效降低建筑能耗。

在墻體原土材料中添加塑料纖維膠粉聚苯顆粒后，單位面積建筑能耗顯著降低。當添加比例為2%時，單位面積空調年能耗為23.78 kWh·m-2，空調節能率為13.62%，單位面積采暖年能耗為179.21 kWh·m-2，采暖節能率為5.45%。隨著添加比例的增加，節能率先增大后減小，當添加比例為6%時，節能率達到最大，單位面積空調節能率可達到35.89 %，單位面積采暖節能率可達到8.86%。

綜上所述，當墻體材料添加了6%的塑料纖維膠粉聚苯顆粒砌塊時，建筑單位面積能耗最小，更適合作為夯土建筑墻體的組成成分而廣泛使用。

4 結論

本文對不同組成成分的夯土砌塊進行了保溫性能測定，并且利用能耗模擬軟件對不同墻體組分建筑能耗進行研究，得出以下結論：(1)相較于原土，塑料纖維膠粉聚苯顆粒砌塊的導熱系數下降幅度最大，添加比例為6%時，導熱系數下降了0.65 W·m-1·K-1，保溫隔熱性能良好，塑料纖維也具有一定的保溫性能；(2)塑料纖維膠粉聚苯顆粒也具有良好的抗壓性能，在添加比例為6%時，抗壓強度增加了2.59 kN，一定程度上促進了墻體砌塊的抗壓性能；(3)添加比例為6%的塑料纖維膠粉聚苯顆粒的建筑單位面積能耗最小，單位面積空調節能率可達35.89%，單位面積采暖節能率可達8.86%；(4)綜合考慮墻體的保溫性能、抗壓性能以及單位面積建筑能耗，對于川西高海拔地區傳統村落保護，夯土建筑墻體選用添加6%的塑料纖維膠粉聚苯顆粒效果最佳。