坡屋面建筑外墻保溫系統構造層孔隙結構分析

楊柳青

中鐵十八局集團產業發展有限公司

面對嚴重能量資源消耗，環境污染問題與熱島效應情況也越來越嚴重[1]。我國相關規定中，要求民用建筑的保溫材料需要達到A 級以上，所以對于建筑外墻保溫系統需要進一步研究[2-4]。對此，以坡度不小于3%的高層坡屋面為例，本文研究高層坡屋面建筑外墻保溫系統構造層孔隙結構對于建筑外墻保溫效果影響。泡沫玻璃材料具有孔隙結構眾多，通常導熱系數較小，且耐用性能較好的有點，添加不同穩定劑和發泡劑后，該材料的孔隙結構發揮不同保溫作用，在冷熱循環交替情況下，分析其隔熱保溫效果。

1 材料方法

1.1 高層坡屋面建筑外墻保溫系統構造層簡介

坡屋面建筑具有較高防水與保溫效果，而且這種結構屋面能夠節省更多建筑空間 [5-6]，且美觀性較強，隨著近年來高層建筑逐漸增多，越來越多高層建筑也選擇使用坡屋面屋頂，高層坡屋面建筑模型見圖1。

圖1 高層坡屋面建筑三維模型

相關建筑研究單位為提升高層坡屋面建筑的節能保溫效果，提出眾多保溫系統結構，通常情況下高層坡屋面建筑保溫系統的構造層包含界面層粘結層護面層以及保溫層等多個組成部分[7-9]，本文所研究的孔隙結構：泡沫玻璃，安裝在構造層中的保溫層之中，發揮隔熱保溫的作用，泡沫玻璃不同影響因素之下對于高層坡屋面建筑的保溫情況影響如下。

1.2 材料

玻璃粉：泡沫玻璃制備主要原料，從廢棄玻璃廠采購。粉煤灰：河北省布石礦物粉體加工廠，粒徑約為1 μm 至55 μm 之間，主要用于提升泡沫玻璃強度。碳酸鈉：分析純，發泡劑，福建省福州市德潤化工有限公司。氮化硼噴劑：分析純，脫模劑，廣東省江門市駿業潤滑材料有限公司。硼砂：分析純，助溶劑，河南省海龍化工有限公司。二氧化鈦：分析純，助溶劑，廣東省壹諾化工科技有限公司。三氧化二鐵：分析純，助溶劑，安徽省晶瑞新材料有限公司。磷酸三鈉，分析純，穩泡劑，山東省健碩化工有限公司。磷酸三鉀：分析純，穩泡劑，河北省潤步生物科技有限公司。

1.3 儀器設備

DRH-Ⅲ導熱系數測試儀：湖南省湘潭儀器儀表有限公司；KZJ-5000 電動抗折試驗機：河北省博偉試驗儀器有限公司；SM-500 水泥試驗磨中球磨：河北省利晟試驗儀器有限公司；SQ-PF 電子計重秤：廣東省一量計量設備有限公司；NJ-160B 水泥凈漿攪拌機：河南省西元機械設備有限公司；BKH-C12 真空干燥箱：山東省華躍機械設備有限公司；混凝土震動臺：山東省乾坤工程有限公司。

1.4 試驗方法

1）泡沫玻璃材料制備：將廢棄玻璃材料清理干凈后自然干燥，運用水泥試驗磨中球磨研磨，使用真空干燥箱烘干玻璃粉末，再次使用磨中球磨研磨粉末研磨2 h，獲得玻璃粉末之后過篩，為確保粉末孔徑在0.075 mm 范圍之中，使用篩子的目數為 200 目，將不能過篩的大塊材料重新使用磨中球磨研磨，獲得完全能夠過篩的比例粉末，備用；將粉煤灰、氮化硼噴劑、硼砂、二氧化鈦、三氧化二鐵、磷酸三鈉、磷酸三鉀等添加劑與玻璃粉末充分混合，再次使用磨中球磨充分研磨，充分過篩，反復研磨，保證全部材料都能充分過篩，將混合粉末使用真空干燥箱烘干，使用電子計重秤稱量混合粉末重量并記錄，使用水泥凈漿攪拌機攪拌全部粉末，約5 min，在模具中均勻涂抹脫模劑，把攪拌均勻的混合物導入模具之中，為去除混合物中的氣泡，提升材料密集型，將模具放在混凝土震動臺上震動30min，此后連同模具將材料裝入真空干燥箱烘干，烘干結束以后需要將泡沫玻璃置于已經預熱至 450 ℃且底部鋪設石英砂的電阻爐中完成燒制，保證均勻受熱去除結構中的游離水，此時泡沫玻璃內部及表面均產生氣泡，也就是孔隙結構，退火處理使得孔隙結構趨于穩定，降溫速率為 20 ℃/min，待溫度與室溫一致時[10-13]，方可取出制備完成的泡沫玻璃樣品。

2）試件制備：為驗證不同影響因素之下孔隙結構在高層坡屋面建筑外墻保溫系統構造層的保溫效果，所以需要調整添加劑的參量等制備工序[14-15]，獲得不同孔隙率，孔徑以及其他影響因素的泡沫玻璃材料以制備用于構造層中的保溫材料，測試試件制備需要在模擬高層坡屋建筑墻體基礎上完成：

①對照組：未使用保溫材料的界面層，主要為混凝土與砂漿等建筑材料。

②試件A：長度與寬度分別為25 cm 與16 cm 上文制備的泡沫玻璃材料板，初始試件厚度設定為 2 cm（根據后續測試需求更改），孔隙率設定為 20%，包裹混凝土砂漿與改性水泥砂漿，包裹錨固熱鍍鋅電焊網結合貼面磚，常溫狀態養護30 d。

③試件B：長度與寬度分別為 25 cm 與16 cm 上文制備的泡沫玻璃材料板，初始試件厚度設定為2.5 cm（根據后續測試需求更改），孔隙率設定為 30%，包裹混凝土砂漿與改性水泥砂漿，彈性底涂結合涂料飾面，20 ℃狀態養護30 d。

3）熱雨循環試驗

在兩個試件制備過程中布置溫度傳感器，用以觀測溫度變化，熱雨循環60 次，每次循環耗時12 h：升溫時間為 8:00-14:00，最高溫度升至 75 ℃，此后實行淋水降溫，水溫約為 16 ℃，淋水量約為 1.4 L/(m2/ min)，淋雨時間為1 h，此后靜置降溫，淋雨起始時間為14:00以后，降溫結束時間為20:00。

4）熱冷循環試驗

仍舊在兩個試件制備過程中布置溫度傳感器，熱冷循環 6 次，每次循環耗時 12 h：升溫時間為 8:00-14:00，最高溫度升至75 ℃，14:00 以后開始降溫，直至20:00 結束。

5）不同厚度試件試驗

熱傳導系數是評價材料保溫性能的關鍵評價指標，孔隙率小，導熱系數高，熱傳導系數越小，導熱性能越低，保溫效果越好。使用熱線法結合導熱系數測定儀獲得時間導熱系數，式（1）為熱傳導系數λ計算式：

其中，q1與t1分別表示冷板的熱流密度與溫度，q2與t2分別表示熱板的熱流密度與溫度，d代表泡沫玻璃的厚度。該節試驗中分別分別設定泡沫玻璃的厚度為1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm、6 cm，計算不同厚度材料對于構造層保溫效果。

6）不同孔徑試件試驗

確定時間厚度為 3 cm，測定測試試件的不同孔徑，通過制備不同孔徑試件，測試試件保溫效果，該節試驗中，初步將試件孔徑設定為 0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm，開展測試。

2 結果

2.1 熱雨循環下孔隙結構保溫試驗結果

熱雨循環測試之下，不同時刻下對照組與兩種試件溫度變化情況見圖2。

圖2 熱雨循環下各試件溫度變化

從圖2 中能夠看出，與本文方法研究中各試件相比，對照組總體變化趨勢較為平緩，說明這三種試件均發生劇烈溫度變化。對照組中未使用任何隔熱材料，該組試件升溫階段最高溫度接近75 ℃，淋雨階段溫度出現下降趨勢，當使用泡沫玻璃材料后，升溫階段溫度最高為25 ℃，淋雨階段溫度同樣逐漸下降，與對照組相比，兩種試件最高溫度降低近50 ℃，由此可以看出，使用具有孔隙結構的泡沫玻璃材料，能夠在高層坡屋面建筑外墻保溫系統構造層上發揮良好隔熱保溫作用，防止墻體由于溫度波動導致整個墻體出現變形，能夠在一定程度上保護高層坡屋面建筑外墻的主體結構，增加墻體的耐久性能。溫度上升過程中，試件 B 的波動幅度與試件A 相比更小，同時溫度降低幅度也更慢，由此說明孔隙率更大的試件能夠保證溫度下降更慢，確保墻體結構熱應力得到部分緩沖。試件 A 和試件 B 相比，盡管總體趨勢相同，但是由于兩種試件孔隙率存在細微差距，因此溫度變化范圍也存在差異，試件B 的孔隙率更大所以溫度更低。

2.2 熱冷循環下孔隙結構保溫試驗結果

熱雨循環測試之下，不同時刻下對照組與兩種試件溫度變化情況見圖3。

圖3 熱冷循環下各試件溫度變化

從圖3 中能夠看出，該試驗階段中，對照組沒有添加保溫材料，升溫較為迅速，溫度變化較為激烈，最高溫度接近75 ℃，最低溫度接近零下10 ℃，且該組試驗材料在降溫階段迅速降至零度以下，且始終保持穩定的低溫狀態。對比來看，兩種孔隙結構的泡沫玻璃試件溫度下降較為均勻，且升溫處理既后續降溫處理過程中，始終保持規律上升或下降，沒有出現劇烈變化，經歷6 h 降溫，始終保持溫度在 0 ℃以上，通過該試驗再次證明本文所使用泡沫玻璃孔隙結構材料具有較為良好的保溫作用。從圖3 中還能夠看出，使用不同孔隙率泡沫玻璃試件經過降溫處理后，溫度仍然始終處于0 ℃，由此說明在高層坡屋面建筑外墻保溫系統構造層添加泡沫玻璃作為保溫材料，能夠發揮一定隔冷效果。兩種時間溫度變化存在一定差異，從圖3 中能夠看出，升溫階段試件 A 溫度高于試件 B，但是降溫階段，兩種試件的溫度變化則相反，這主要由于試件B的孔隙率更大，具有更加良好的保溫隔冷效果，因此出現這種現象。

2.3 厚度差異下孔隙結構保溫試驗結果

作為一種保溫材料，厚度大小直接關聯材料保溫效果，本文所設計試件不同厚度情況下，導熱系數變化情況見表1。

表1 不同厚度試件導熱系數變化

對照組導熱系數不受泡沫玻璃材料厚度變化影響，因此數據未發生變化。從表1 中能夠看出，隨著試件厚度上升，各個試件的導熱系數逐漸減小，其中，試件厚度由 10 mm 增加至 20 mm 的過程中，兩種試件的導熱系數出現一個較大下降趨勢，此后導熱系數逐漸趨于平緩，由此可以看出，如果試件厚度僅為10 mm 時屬于較薄保溫材料，隔熱保溫效果不佳，當兩種試件的厚度達到30 mm 以上時，保溫材料的厚度較為適中，該階段以后，兩種試件的導熱系數變化基本趨于穩定，由此可以證明，泡沫玻璃材料的厚度達到一個適當值時，繼續增加材料厚度已經無法進一步提升保溫效果。從表1 中還能夠看出，孔隙率較大試件導熱系數更低，熱傳導更慢，保溫效果也就更高，由此可以看出，若想獲得更加良好的高層坡屋面建筑外墻保溫系統構造層保溫效果，需要選取孔隙率較大，且厚度適中的泡沫玻璃材料。

2.4 孔徑差異下孔隙結構保溫試驗結果

泡沫玻璃材料制作過程中，存在孔徑大小差異，經過分析發現，材料上孔徑大小不同，隔熱保溫效果也存在差異，本文所研究試件在不同孔徑下，保溫效果差異見表2。

對照組導熱系數不受泡沫玻璃材料厚度變化影響，因此數據未發生變化，且該層中由于未添加孔隙結構材料，熱傳導系數較高，保溫效果較差。從表2 中可知，試件 A 隨著孔徑增大，導熱系數呈現出均勻下降趨勢，由此可以確定，如果泡沫玻璃的孔隙率較小，則材料中孔徑大小并不會直接使得泡沫玻璃的導熱性能發生明顯變化。試件B 材料孔徑為0.7 mm 時，導熱系數達到最低，此后隨著孔徑繼續增大，導熱系數又重新上升，由此可以看出，泡沫玻璃材料孔隙率較大情況下，孔徑發生變化會影響材料保溫效果，但是材料孔徑達到0.8 mm 以上時，泡沫玻璃材料能夠實現墻體構造層較為穩定的保溫隔熱效果。

表2 不同孔徑試件導熱系數變化

3 結論

本文主要研究高層坡屋面建筑外墻保溫系統構造層孔隙結構，也就是使用泡沫玻璃孔隙結構的構造層保溫效果。通過使用不同孔隙率、不同厚度、不同孔徑泡沫玻璃材料作為構造層中保溫層試件，獲得熱雨、熱冷以及其他情況測試結果，結果表明，孔隙率和厚度較高，且孔徑適中的孔隙結構能有效提升高層坡屋面建筑外墻保溫系統構造層的保溫效果，具有實際應用意義。