納米粉煤灰改性泡沫混凝土在裝配式節能墻板中的應用

摘 要：為提高裝配式夾心外墻掛板的節能效率，提出采用納米二氧化硅對水泥粉煤灰泡沫混凝土進行改性處理，然后將其填充到夾心外墻掛板的內葉板中。結果表明，當納米二氧化硅摻量為1%時，納米改性粉煤灰泡沫混凝土的綜合性能最優，此時材料的平均導熱系數為0.158 7 W/ （m 2 × K）；當納米改性粉煤灰泡沫混凝土填充厚度達到30 cm后，墻板的導熱系數僅為0.373 W/ （m 2 × K），滿足宿舍樓建筑75%的節能目標；將40 cm厚納米改性粉煤灰泡沫混凝土填充到原墻板的內葉板中，改進后墻板相比改進前墻板總體節能率達到11.1%。

關鍵詞：裝配式節能墻板；納米二氧化硅；粉煤灰泡沫混凝土

中圖分類號：TQ177.6 + 7 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0094-04

Application of nano fly ash modified foam concrete inprefabricated energy-saving wall panels

OU Ning

（Hebei Hongxin Tendering Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：In order to improve the energy-saving efficiency of the prefabricated sandwich exterior wall cladding，itwas proposed to modify the cement fly ash foam concrete by nano silica，and then fill it into the inner leaf plate of thesandwich exterior wall cladding. The results showed that when the nano-silica content was 1%，the comprehensiveperformance of the nano-modified fly ash foam concrete was the best，and the average thermal conductivity of the ma?terial was 0.158 7 W/ （m 2 × K）. When the filling thickness of nano-modified fly ash foam concrete reached 30 cm，thethermal conductivity of the wallboard was only 0.373 W/ （m 2 × K），which met the energy-saving target of 75% of thedormitory building. When 40 cm thick nano-modified fly ash foam concrete was filled into the inner leaf panel of theoriginal wall panel，the overall energy saving rate of the improved rear wall panel reached 11.1% compared with theimproved front wall panel.

Key words：Prefabricated energy-saving wall panels；nano silica；cement fly ash foam concrete

傳統建筑的建造方式已不能滿足當代產業轉型升級的需要，工業化裝配式將取代傳統建造方式登上歷史舞臺，因此，對裝配式結構的設計和研究是十分重要的 [1-2] 。預制夾心外掛墻板具有良好的力學性能，在建筑圍護結構中逐漸被廣泛應用。但是，外墻總能耗的占比依然十分巨大，隨著國家對于建筑節能要求越來越高，傳統的預制夾心外掛墻板已很難滿足熱工性能的要求 [3-5] 。泡沫混凝土作為一種輕質、隔音、保溫、隔熱、耐火性好的材料，在建筑墻體中的應用越來越廣泛，但是泡沫混凝土強度低，對于脫模造成不小的困難 [6-9] ，因此有專家學者對泡沫混凝土進行改性研究，其中采用納米材料對泡沫混凝土進行改性的研究取得很多成果 [10-12] ，為納米改性泡沫混凝土在預制夾心外掛墻板中的應用提供了契機。基于此，對納米二氧化硅改性水泥粉煤灰泡沫混凝土進行了配合比試驗研究，在獲得最佳配合比情況下，利用改性納米泡沫混凝土對預制夾心外掛墻板結構進行改進，并將其應用到實際建筑工程中。

1 納米改性粉煤灰泡沫混凝土制備

1.1 原材料

水泥：P × O42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為365 m 2 /kg，標準稠度用水量為0.26，初凝和終凝時間分別為198 min和285 min，28 d抗壓強度為46 MPa。

粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，比表面積為450 m 2 /kg。減水劑：S01 白色粉末狀固體聚羧酸減水劑。發泡劑：LG-2258水泥發泡劑，pH值為6.5～7.5，稀釋倍數為30～60 倍，發泡倍數 28，沉降距 8 mm，泌水量為46 mL，泡沫混凝土料漿沉降率2.8%。納米材料：白色粉末狀納米二氧化硅，含量大于等于99.8%，平均粒徑7～40nm，平均比表面積為150m 2 /g。水：實驗室自來水。

1.2 配合比設計

根據前期試驗成果，確定了水泥和粉煤灰的摻量比為1∶1，水膠比為0.4，減水劑摻量為0.1%，發泡劑摻量為4.17%。設計7組不同納米二氧化硅改性水泥粉煤灰泡沫混凝土試驗，納米二氧化硅摻量分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%，對7組配合比進行工作性能和力學性能測試，結果見圖1。

由圖1可知，隨著納米二氧化硅摻量的增加，納米改性水泥粉煤灰泡沫混凝土的流動度和抗壓強度均呈先增大后減小的變化特征。當納米二氧化硅摻量為0.5%時，流動度最高，達到125 mm；當納米二氧化硅摻量為1.5%時，抗壓強度最高，達到2.3 MPa。這說明摻入適量納米二氧化硅能在一定程度上改善水泥粉煤灰泡沫混凝土的工作性能和力學性能，但是當摻量過大時，納米二氧化硅易在漿體中發生團聚現象，在試樣中形成薄弱界面，而且當摻量過高時，流動度過小，在澆筑時容易引入更多的有害氣體并形成氣孔，從而影響力學強度 [13-15] 。為同時保證良好的工作和力學性能，選取1%作為納米二氧化硅的最優摻量，優化之后的納米改性水泥粉煤灰混凝土配合比見表1。測得在該配合比下納米改性水泥粉煤灰混凝土的平均密度為648.3 kg/m 3 ，平均含水率為9%，平均導熱系數為0.158 7 W/ （m 2 × K）。

2 預制裝配式墻板結構設計

2.1 墻板結構初設計

以河北某5層裝配式宿舍樓所采用的預制夾心外掛墻板為例進行研究。外掛墻板設計尺寸為2.7 m×3.3 m×0.24 m，其由內葉墻板、夾心保溫層、外葉墻板、連接件、飾面層等構成。墻板內外葉板均采用鋼筋混凝土板，連接件均采用纖維增強塑料FRP棒式連接件，保溫層采用擠塑聚苯板，內葉板厚度為10cm，保溫層厚度為5.5 cm，外葉板的厚度為85 mm。

按照《民用建筑熱工設計規范》（GB/T 50176—2016）對墻板的傳熱系數進行理論計算，結果見表2。

由表2可知，在原結構設計方案下，墻板的傳熱系數為0.54 W/ （m 2 × K），而根據《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 26—2018）中對于北方寒冷地區4層以上建筑對于外墻傳熱系數的要求限值為0.45 W/ （m 2 × K）（宿舍樓建筑75%的節能目標），因此，初始結構無法滿足。為獲得更好的保溫和節能效果，有必要對原結構方案進行改進。

2.2 墻板結構優化設計

利用制備的納米改性粉煤灰泡沫混凝土對墻板結構進行優化，不改變墻板的厚度，且保溫層、外葉板、連接件不做任何變化，但在10 cm厚的內葉板中填充設計的納米改性粉煤灰泡沫混凝土，在內葉板中預留3個面積為2.17 m×0.7 m的長方體凹槽，n為納米改性粉煤灰泡沫混凝土的厚度，厚度取值分別為10、20、30、40 cm。

利用Ansys Workbench構建改進前后預制夾心外掛墻板的有限元模型，進行熱工性能數值模擬分析，模擬結果見表3。

由表3可知，原設計結構墻板的平均熱流密度為15.34 W/m 2 、傳熱系數為0.525 W/ （m 2 × K）、傳熱阻為1.775（m 2 × K）/W，當采用納米改性粉煤灰泡沫混凝土填充后，隨著填充厚度的增大，平均熱流密度、傳熱系數逐漸減小，傳熱阻逐漸增大，當填充厚度達到30 cm后，傳熱系數小于0.45 W/ （m 2 × K），此時滿足《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 26—2018）中的相關規定。為達到更好的節能效果，本工程墻板設計最終決定采用填充40 cm厚納米改性粉煤灰泡沫混凝土。

3 應用分析

3.1 工程概況

案例工程為河北某裝配式鋼結構居住示范工程，共5層，總占地面積927.7m 2 ，總建筑面積為4757.8m 2 ，體型系數取值為0.23，南向、北向、東向、西向窗墻比值分別為0.25、0.28、0.1、0.05，整棟建筑采用交錯桁架類型的裝配式鋼結構體系，內墻采用ALC預制墻板，外墻則采用設計的納米改性水泥粉煤灰混凝土預制夾心外掛墻板，工程區屬于寒冷2A區，對于建筑外圍護結構的熱工性能具有較高要求。

3.2 模型建立及參數設置

采用PBECA節能設計軟件進行外墻板改進前后的能耗計算分析，在進行正式的模擬計算之前，需要對建筑維護結構構造進行設置。案例工程維護結構包括外墻、采暖與非采暖護墻、外窗、戶門、屋頂、樓板、地面等結構，除了外墻結構不同之外，其余結構均相同。根據結構熱工性能計算，采暖與非采暖護墻、外窗（南東西）、外窗（北）、戶門、屋頂、樓板、地面的傳熱系數分別為0.52、2.8、2.0、2.0、0.36、1.23、0.57和0.3 W/ （m 2 × K）。改進前后的外墻結構材料組成和熱工系數取值見表4。

根據《民用建筑熱工設計規范》（GB 50176—2016）和《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50376—2012）中對于夏季和冬季的室內熱擾、空調以及采暖參數的規定：研究區冬季室內溫度取值為18 ℃，夏季室內溫度取值為26 ℃，房間中的換氣次數為120 min/次，樓梯、走廊等通道不考慮空調和采暖設備的熱擾影響，其余房間按照PBECA軟件中的不同房間類型默認值進行計算，采暖期時間為每年11月1日～次年3月31日，空調供冷期的時間為每年6月15日～9月15日。室外氣象參數則根據工程區當地氣象部門提供的基本氣象參數（包括全年逐月平均溫度、逐月輻照量等）為準，見圖2。

3.3 優化前后能耗對比

優化前后外墻板圍護結構節能率模擬結果對比。改進后墻板耗熱量相比改進前降低6.14 kW × h/m 2 ，但耗冷量相比改進前增加了約1.83 kW × h/m 2 ，總體耗冷為相比改進前降低4.32 kW × h/m 2 ，節能率相比改進前提升了11.1%，表明采用納米改性粉煤灰泡沫混凝土對墻板結構進行填充優化后，建筑的節能效率有較大幅度提升，達到了相關標準要求。

4 結語

（1）流動度和抗壓強度隨納米二氧化硅摻量的增加均呈先增大后減小的變化特征，當納米二氧化硅摻量為1%時，水泥粉煤灰泡沫混凝土的綜合性能最優，平均導熱系數僅為0.158 7 W/ （m 2 × K）；

（2）案例工程原預制夾心外掛墻板傳熱系數高于相關標準中的限值，故提出采用在內葉板中填充納米二氧化硅改性水泥粉煤灰泡沫混凝土的方式對原結構墻板進行改進，當納米改性粉煤灰泡沫混凝土填充厚度達到30 cm后，傳熱系數小于0.45 W/ （m 2 × K），滿足相關標注要求；

（3）選取40 cm厚納米改性粉煤灰泡沫混凝土對原墻板結構進行改進，改進后外墻板結構傳熱系數僅為0.373 W/ （m 2 × K），改進后墻板相比改進前，總體節能率達到11.1%。

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（責任編輯：蘇 幔）