建筑墻體節能材料的制備與性能研究

陰敏杰

(山西六建集團有限公司，山西 太原 030025)

建筑保溫節能是當前建筑領域的重要課題，而建筑墻體節能材料作為其中的關鍵因素，在提高建筑能效和減少能耗方面起著至關重要的作用。因此，研究建筑墻體節能材料的制備與性能具有重要的理論和實際意義，通過本研究的成果，我們可以進一步優化這些材料的制備工藝和應用方式，以實現更高效、更環保的建筑墻體節能效果。

1 保溫節能材料在建筑工程中的重要性

社會經濟的發展離不開能源的支持，隨著能源開采量的增加，部分不可再生能源供應緊缺，以低能源消耗的方式推動社會經濟的發展至關重要。建筑施工期間的能源消耗量較高，屬于“耗能大戶”，具有較大的節能降耗空間，例如采用保溫節能材料，改善建筑室內環境，減輕對暖通空調系統的依賴，降低電力資源消耗。隨著建筑行業技術的進步，建筑外墻主要采用的是節能環保、保溫隔熱材料，改善建筑室內環境，同時發揮出保溫節能材料環保、抗沖擊、耐久穩定等優勢，在提高建筑施工質量、降低運行維護成本、改善建筑室內環境等方面均有突出的作用。因此，在建筑工程中應用保溫節能材料具有較高的社會價值、經濟價值以及生態價值，保溫節能材料已經成為建筑工程中不可或缺的一部分。

2 建筑墻體節能材料的制備與試驗

2.1 DP型燒結多孔磚

2.1.1 材料性能(如表1所示)

以粘土、煤矸石為原材料，制作DP型燒結多孔磚，孔洞與承壓面垂直，孔洞率≥28%。DP型燒結多孔磚主要用于墻體承重部件，而根據建筑工程建設要求，需在墻體設構造柱、圈梁等結構，要求DP型燒結多孔磚墻體具有可靠的力學性能，以保證整體結構的穩定性。為保證施工質量，需要進行試驗檢測，判斷材料的力學性能，結果如表1所示。

表1 材料力學性能檢驗結果 單位：MPa

2.1.2 制備工藝

以MU10、孔洞率為33.1%的DP型燒結多孔磚為基礎材料，制作如下試件：6個高寬比為0.68、截面規格為2 320×240×1 600mm(L×W×H)的橫墻標準試件，編號為X1～X6，垂直壓應力控制在0.35～0.65MPa，墻體砌筑采用M5、M7.5、M10 3種水泥砂漿；3個洞口尺寸為600×900mm、500×600mm和600×1 350mm的開洞縱墻試件，編號為Y1～Y3，墻砌筑采用M5、M7.5水泥砂漿。沿墻體底部和兩側設置構造柱和圈梁，配筋方式為沿墻體高度方向設置水平鋼筋、拉結筋等，配合縱筋、箍筋等，共同加固結構，在墻體、構造柱間預留馬牙槎。各類試件均制作成型后，開始砌筑墻體，統一按照先退后進的流程進行，砌筑10d后，支設模板、綁扎鋼筋、澆搗混凝土[1]。

2.1.3 試驗分析

靜力加載試驗，用油泵和千斤頂對試件施加垂直向軸壓力，利用點液伺服作動器對試件施加水平荷載，試驗人員在加載過程中嚴格控制加載量。先對構件施加豎向荷載，根據開裂荷載預估值的50%對構件加載量進行分級，逐級依次加載直至達到開裂限值，加載期間詳細觀察構件表面，即將開裂時，將荷載降低至初始加載極差的1/2，觀察試件在此荷載狀態下的形態變化，表面出現裂紋時即可結束此環節的加載作業；此后，按照水平荷載在85%以內的要求，對試件進行3次循環加載，使試件進入破壞狀態。

根據試驗過程中觀察到的情況和試驗記錄的信息，得到如下試驗結果。

(1)橫墻、開洞縱墻試件所受的水平荷載加大時，試件的形態發生變化。對于橫墻試件，最初可見兩端產生橫向裂紋，后續試件底部存在斜裂紋且向周邊擴散，此時對應的加載量為極限值的70%，同時可見磚塊與水泥砂漿結合處出現交叉裂縫，但墻體無明顯的交叉裂紋，也未見磚塊壓碎、剝落，此應用效果主要與增設了水平配筋有關，可通過配筋提升加固效果，使試件相對完整和穩定。對于開洞縱墻試件，最初可見構造柱底部產生斜裂紋，對應水平荷載值為100kN，斜裂紋隨著荷載值的增加而逐步延伸，加載至極限值的70%以后，斜裂紋的范圍已經明顯擴大，以洞口、構造柱之間較為明顯，角部磚塊被壓碎。但在試驗加載過程中，高寬比大的構造柱無明顯的損傷，僅局部開裂。

(2)根據試驗數據確定等效阻尼系數，試件X1～X5的該值均在0.2以內，試件X6較大但也能夠穩定在0.3以內。等效阻尼系數與水平位移同步增加，但均可控，表明水平配筋可降低磚的耗能能力。

(3)從變形與延性2個角度來看，兩類試件的位移延性系數均在2.0以上，延性與變形能力強，而此特性主要與增設構造柱有關。并且，試件的彈塑性變形能力也會由于橫向配筋而得到加強。

2.2 脫硫石膏砌塊

2.2.1 材料性能

脫硫石膏砌塊，此類砌塊以鈣石膏組成，化學式為CaSO4·2H2O為主要成分，采用濕法脫硫工藝制作，脫硫率超過90%，砌塊中的石膏顆粒級配合理，強度高；環保特性良好，無過多的有害微量元素。

2.2.2 制備工藝

原材料為水泥、脫硫石膏、粉煤灰、木質纖維素、泡沫塑料顆粒和外加劑，按比例稱量原材料，并均勻混合，持續煅燒2.5h，煅燒溫度穩定在155℃，再于室溫環境中養護。全面檢查制備好的砌塊，從完整性、力學性、軟化系數多個方面綜合評價砌塊的制作效果。

2.2.3 試驗方法與結果分析

目測，判斷砌塊是否存在缺陷，表面是否沾染油污；用直尺測量試件的彎曲度；用鋼直尺測量砌塊裂紋的最大投影尺寸；用游標卡尺檢測試塊的表面氣孔尺寸和缺棱掉角情況；將試件置于自然狀態下進行養護，隨時間的延長，試件的溫度降低并且基本維持恒溫時，用磅稱重；采用試驗機、金屬平臺、水平儀等進行試件抗壓試驗，采用試驗機、抗折支座、鋼棒等進行試件抗折試驗。按照含水量的不同，將試件分為“浸水至飽水”和“烘干至恒重”2組，分別檢驗各自的軟化系數。按照上述方法進行試驗后，得到如下結果。

(1)幾何尺寸測試選取的是10塊石膏砌塊，由專人用游標卡尺、鋼直尺檢測。砌塊長度為49.8～50.3cm、高度為29.8～30.2cm、厚度為19.8～20.2cm，長度、高度、厚度的偏差值分別為0.157cm、0.08cm、0.04cm，偏差均在允許范圍內，具體如表2所示。

表2 石膏砌塊允許尺寸偏差 單位：mm

(2)觀察10塊試件的外觀質量，試件表面均無裂紋、無油污，表面平整，其中1個試件缺角，尺寸為26×20mm，表面氣孔的最大直徑為8mm，最多為2個。對比分析外觀質量檢測結果與JC/T 698—2010《石膏砌塊》的相關要求，可知選取的10個砌塊符合表觀質量要求。

(3)取10塊試件進行表觀密度試驗，最大值為798.45kg/m3，平均值為752.36kg/m3，均在800kg/m3限值以下，符合要求。

(4)砌塊的抗壓強度為4.78～5.74MPa，平均值為5.29MPa；抗折強度為1.02～1.42MPa、平均值為1.22MPa。砌塊的實測抗壓強度和抗折強度均滿足JC/T 698—2010《石膏砌塊》對強度的要求。

(5)根據軟化系數試驗結果可知，軟化系數為0.68，飽水組、烘干組砌塊的斷裂荷載平均值分別為18.43kN、27.02MPa，均滿足JC/T 698—2010《石膏砌塊》的相關要求。

根據前述提及的試驗結果可知，石膏砌塊的尺寸、外觀質量、抗壓強度、抗折強度、軟化系數等項目的實測值均滿足JC/T 698—2010《石膏砌塊》的要求，表明石膏砌塊的質量良好，在建筑節能墻體選材中可考慮此類砌塊[3]。

2.3 海藻酸鈉復合纖維保溫材料

2.3.1 材料性能

在建筑保溫材料的制作中摻入海藻酸鈉后，可發揮出此材料膠凝、增稠、耐油等特性，與纖維材料按特定的比例混合后，制備出具有可再生、可降解的天然纖維生物復合材料，此類材料的保溫、節能環保效果良好，可作為傳統加氣混凝土、玻璃棉等的替代材料。

2.3.2 制備工藝

天然纖維包含38.4～96g稻稈纖維和48～96g木質纖維，試劑包含6g甘油(增塑劑)和24g海藻酸鈉，設定多種天然纖維配比，摻入試劑和336g水中，按照基質/纖維干質量比為0.31的要求制備5組實驗組，并額外制作1組添加12g乙二醇的對照組，分別對各組進行試驗，對比分析試驗結果。稱量試驗材料后，充分攪拌，制成均勻性良好的海藻酸鈉溶液，再加入天然纖維混合物做進一步的攪拌，使木質纖維與海藻酸鈉保持濕潤，緊密結合，在模具中將制備的濕潤纖維熱壓成型，自然冷卻后烘干，最終制備出海藻酸鈉復合纖維保溫材料。

2.3.3 試驗方法與結果分析

試樣采用的是800×40×40mm的標準試塊。力學性能試驗檢測采用的是電子萬能材料試驗機，以10mm/min的加載速率施加10kN壓力；熱工性能試驗檢測指標包含熱傳導率、溢出率、擴散率等，采用LFA457激光導熱儀進行試驗檢測[4]。

根據海藻酸鈉復合纖維保溫材料試塊的試驗檢測結果，做如下分析。

(1)力學性能試驗結果及分析。在提高天然纖維的含量后，實測抗彎強度和彈性模量均有升高的變化，最大彎曲應變值下降。添加96g木質纖維、不添加稻稈纖維時，實測抗彎強度為0.58MPa，彈性模量為17.6MPa，最大彎曲應變下降至3.56MPa，改善了材料的剛性，結合原材料組成來看，該特性主要與添加木質纖維素有關。樣品的抗壓性能隨著木質纖維含量的增加而提高，以木質纖維含量最高的樣品為例，實測抗壓強度為21.99MPa，彈性模量為1.42MPa，且由于添加交聯劑，進一步提高抗壓強度和彈性模量，分別提高16%、21%，改善了試樣的性能，說明天然纖維和交聯劑在促進復合材料性能提升方面具有突出的作用。根據各試樣的檢測結果，選取力學性能和彎曲性能最佳的試樣，用SEM分析法檢驗斷面，得知濕潤性良好，木質纖維與海藻酸鈉粘結穩定，無異常分布。

(2)熱工性能試驗結果及分析。樣品熱傳導率實測值為0.079～0.09W/(m·Κ)，低于規定的0.1W/(m·Κ)，符合要求。試樣熱導率隨著木質纖維添加量的增加而呈現出先降低、后升高的變化規律，最低值為0.079W/(m·Κ)，對應的木質纖維比例為60%，此時的保溫性能良好。若增加天然纖維添加量，則樣品的溢出率、擴散率將提高，具有正比關系；若增加木質纖維比例，溢出率提高，擴散率降低。因此，天然纖維在海藻硅酸鈉溶液中的作用在于提高溢出率、降低擴散率，此變化反映至復合材料熱工性能層面，則是改善材料的熱傳導性和熱舒適性。此外，海藻硅酸鈉材料的隔熱性能將由于添加乙二醇交聯劑而得到優化[5]。

3 3種材料性能特點

經過前文對3種常見建筑墻體節能材料的性能試驗研究，提出各材料的制備方法，明確試驗結果，分析材料的力學特性和節能環保特性，能夠給建筑墻體節能材料的選用、制備及具體應用提供參考，具體做如下總結。

(1)DP型燒結多孔磚：材料性能穩定，保溫效果與隔音效果良好，滿足建筑墻體對砌塊提出的力學性能、熱工性能、環保性能多種要求，但必須嚴格控制DP型燒結多孔磚的燒制工藝，要求孔洞與承壓面保持垂直，如此才有利于提升DP型燒結多孔磚的綜合性能。

(2)脫硫石膏：兼具保溫、防火、隔聲等性能，是現代建筑墻體中較為典型的節能環保材料，但需注意凈化技術的合理應用以及對材料應用條件的管控，若粉末中含有雜質及有害微量物，均有可能影響脫硫石膏的質量。

(3)海藻酸鈉纖維復合材料：力學性能和保溫性能良好，可再生，易降解，原材料來源豐富、取用便捷，成本較低，從制備和應用兩個角度來看，均具有可行性。但為了保證海藻酸鈉纖維復合材料的綜合應用效果，需要確定最佳配合比，嚴格控制材料制備工藝，充分發揮出各類原材料的性能優勢，組成綜合性能良好的混合材料，規避材料表觀質量差、力學性能弱等問題。

4 結語

本研究為建筑墻體節能材料的制備與性能研究提供了一定的參考和指導。這些材料的應用能夠推動建筑節能與可持續發展，對提高建筑的能源利用效率具有一定意義。未來的研究可以進一步深入探討材料的優化和應用推廣，以實現更高效、更環保的建筑保溫節能效果。