新型組裝式無機非金屬材料隔熱保溫墻體＊

張楚鑫，梁家瑜，彭 誠，呂 明，吳建青

（華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

新型組裝式無機非金屬材料隔熱保溫墻體＊

張楚鑫，梁家瑜，彭 誠，呂 明，吳建青

（華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

建筑節(jié)能已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點話題，本文從傳熱系數(shù)的角度出發(fā)，提出了一種新型的組裝式隔熱保溫外墻結(jié)構(gòu)，提高了外墻結(jié)構(gòu)在建筑物整體節(jié)能效果中所發(fā)揮的作用．將圍護功能和保溫隔熱性能結(jié)合于一體的無機非金屬材料組裝式結(jié)構(gòu)外墻，具有良好的保溫隔熱性能，避免了傳統(tǒng)無機非金屬磚混結(jié)構(gòu)所帶來缺陷，是適應(yīng)住宅產(chǎn)業(yè)化和國家節(jié)能要求的一種具有推廣前景的墻體結(jié)構(gòu)．

組裝式；無機非金屬材料；隔熱保溫；墻體材料

隨著《關(guān)于新建居住建筑嚴(yán)格執(zhí)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的通知》和《建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》的相繼推出和實施，建筑節(jié)能就一直成為政府和建筑行業(yè)所關(guān)注的熱點話題．近期，隨著低碳概念的席卷全球，勢必會帶動新一輪的對節(jié)能建筑的重視．

建筑能耗在世界各國的總能耗中所占的比例都是相當(dāng)大的，而對于我國來說，巨大的建筑能耗已經(jīng)逐漸影響到我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展．建筑節(jié)能是一項綜合性的系統(tǒng)工程，其節(jié)能主要取決于外墻、門窗及屋面保溫的效果，而這其中外墻所承擔(dān)的保溫節(jié)能效果占整體的50%～60%．所以，如何進一步提高建筑物外墻的保溫隔熱性能，是決定建筑整體節(jié)能效果的關(guān)鍵．本文通過對當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的各種保溫材料和保溫結(jié)構(gòu)進行對比，提出了一種新型的組裝式保溫墻體結(jié)構(gòu)，具有良好的保溫隔熱性能，能夠滿足國家對建筑的節(jié)能要求[1－2]．

1 墻體結(jié)構(gòu)

外墻自保溫體系的目標(biāo)是集外墻圍護和隔熱保溫性能于一體，利用單一墻體材料滿足現(xiàn)有的節(jié)能目標(biāo)，其相對于其他外墻外保溫和外墻內(nèi)保溫體系，無論在社會效益還是經(jīng)濟效益上，都有著更明顯的優(yōu)勢[3]．目前，我國應(yīng)用較多的自保溫墻體材料有加氣混凝土砌塊、燒結(jié)多孔磚、復(fù)合墻板等．

為了降低建筑物的能耗和經(jīng)濟成本，我們提出了一種新型的組裝式隔熱保溫墻體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的特點是制備大面積的自保溫墻體，施工時直接安裝到建筑物結(jié)構(gòu)上，并對內(nèi)外墻面進行修飾．這種結(jié)構(gòu)和施工方式能夠避免傳統(tǒng)砌塊砌墻所帶來的弊端，在保證建筑物良好的隔熱保溫性能上，進一步節(jié)約資源，簡化施工過程，提高施工速度和質(zhì)量，降低工程造價，提高經(jīng)濟效益．

該墻體結(jié)構(gòu)主要由三部分所組成．

墻體核心：蒸壓加氣混凝土，規(guī)格由建筑物的墻體面積大小所決定，直接安裝到建筑物結(jié)構(gòu)中，承擔(dān)著圍護墻體的功能和絕大部分保溫性能．干密度最低的加氣混凝土砌塊可以達到300 kg/m3，而導(dǎo)熱系數(shù)只有0．10 W/（m·K）．質(zhì)量輕，導(dǎo)熱系數(shù)低，再加上可加工性好、能耗低，使得加氣混凝土逐漸成為主導(dǎo)的新型墻體材料之一，被廣泛應(yīng)用到各種建筑物中．

圖1 組裝式墻體結(jié)構(gòu)示意圖

外墻：陶瓷面磚因其相對于涂料具有美觀、易清潔、抗撞擊強度高和抗?jié)B透性好等優(yōu)點，已經(jīng)成為人們經(jīng)常使用的一種外墻外保溫裝飾材料．以陶瓷面磚作為外墻裝飾的一個主要安全問題就是材料本身的自重，而輕質(zhì)陶瓷磚的密度可以低于1．0 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0．2～0．3 W/（m·K），不僅可以減輕墻體質(zhì)量，而且其微孔結(jié)構(gòu)還可具有保溫隔熱作用．

內(nèi)墻：內(nèi)墻面因為對抗撞擊強度要求不高，所以涂以涂料飾面，以節(jié)省建筑面積和實現(xiàn)一定的功能性．現(xiàn)在市場上的涂料品種有合成樹脂乳液內(nèi)墻涂料，水溶性內(nèi)墻涂料和多彩內(nèi)墻涂料，品種多樣，功能豐富，可以根據(jù)建筑物使用所需要的具體性能進行選擇．

該墻體結(jié)構(gòu)的特點是充分發(fā)揮各組成部分的特點和優(yōu)勢，將加氣混凝土良好的隔熱保溫性能，輕質(zhì)陶瓷磚的修飾性、抗?jié)B性、隔熱性能和內(nèi)墻涂料的功能性有機結(jié)合為一整體．另外，其保溫隔熱性能要滿足國家和地區(qū)的建筑節(jié)能要求，強度、美觀性和其他一些性能有保障，而且具有好的經(jīng)濟效益，環(huán)境效益和社會效益．

2 材料選擇與性能

2．1 墻體材料的選擇

墻體材料的選擇，在整個外墻保溫體系中起著關(guān)鍵性的作用，直接影響了整體的節(jié)能效果．現(xiàn)在建筑物中使用的保溫材料主要有發(fā)泡聚乙烯、纖維素絕熱制品、珍珠巖礦物制品、水泥保溫砂漿等．其中發(fā)泡聚苯乙烯由于具有良好的保溫性能，價格低，質(zhì)量輕，施工方便，已經(jīng)成為目前國內(nèi)應(yīng)用最廣的一種外墻保溫材料．

表1 各種常用保溫材料的參數(shù)特點

從表1可以看出，表中的各種保溫材料基本都具備了良好的保溫隔熱性能，但是其各自的缺點也是不容忽視的．以應(yīng)用最廣的EPS保溫材料來說，其導(dǎo)熱系數(shù)雖然達到了0．042 W/（m·K），但是其耐久性和阻燃性都很差，抗壓強度低（約為0．0069 MPa），隨著人們對建筑物性能的要求越來越嚴(yán)格，EPS的缺陷將會越來越被人們所重視．

在保溫隔熱材料中，氧化硅氣凝膠由于其特有的三維納米骨架結(jié)構(gòu)，有效地抑制了熱量的傳遞，導(dǎo)熱系數(shù)可以低至0．01～0．03 W/（m·K），是迄今為止熱導(dǎo)率最低的固體材料，也是未來最具應(yīng)用前景的保溫隔熱材料．但是，由于氧化硅氣凝膠本身強度低，脆性大的致命缺陷，現(xiàn)階段基本無法制備大塊狀的制品，這樣就限制了其實際應(yīng)用到建筑領(lǐng)域．

加氣混凝土具有原材料來源廣泛、質(zhì)量輕、易加工和優(yōu)異的保溫隔熱性能等優(yōu)點，已經(jīng)成為新型墻體材料應(yīng)用的一種發(fā)展趨勢，逐漸被應(yīng)用到民用建筑和公共建筑上．有研究表明，利用加氣混凝土作為墻體節(jié)能體系，適當(dāng)調(diào)整其密度和厚度，即可滿足我國各個氣候區(qū)對外墻的節(jié)能要求．但是，加氣混凝土也存在著自身的不足．加氣混凝土空隙率大，這就導(dǎo)致了其吸水率高，抗?jié)B性差，加氣混凝土表面強度低，在運輸和施工過程中極易發(fā)生損壞，影響材料的正常使用和增加了原料成本；加氣混凝土表面容易起粉，降低了與砂漿的粘結(jié)強度，所以施工時要應(yīng)用專門的砂漿，并采用特定的施工工藝．蒸壓加氣混凝土既能用作圍護結(jié)構(gòu)，又有良好的熱工性能，對于其本身的缺陷，只要采取合適的措施加以調(diào)整和避免，施工時小心謹(jǐn)慎，規(guī)范操作，將其用做外墻是較為合理的節(jié)能保溫途徑，本文選用加氣混凝土作為核心保溫材料．

蒸壓加氣混凝土是以粉煤灰、水泥為主要硅質(zhì)材料，以生石灰為主要鈣質(zhì)材料，以石膏為結(jié)構(gòu)材料，利用發(fā)氣劑，經(jīng)過混合攪拌、澆注、養(yǎng)護、切割而形成的一種多孔建筑砌體新型節(jié)能材料，可以加工制作成不同規(guī)格的砌塊、板材和保溫制品．目前加氣混凝土是我國主要的外墻材料中導(dǎo)熱系數(shù)低，密度小的材料．

表2 各種不同等級的加氣混凝土參數(shù)[4]

從表2可以看出，隨著密度的降低，加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)不斷下降，保溫隔熱的性能更加優(yōu)越，但是其抗壓強度也不斷降低．B06級別的加氣混凝土的強度有5．0 MPa，而B03卻只有1．0 MPa，這就在一定程度上影響到了實際的應(yīng)用．雖然加氣混凝土的強度普遍較低，但是由于制品的尺寸較大，均勻性較好，所以加氣混凝土的強度利用系數(shù)很高，有試驗[5]指出，標(biāo)號為10 MPa的粘土磚，其砌體強度僅為3．1 MPa，而強度為3．0 MPa的加氣混凝土，其砌體強度能達到2．4 MPa．因此，加氣混凝土甚至可以用于有一定載荷的墻體，其規(guī)格的選用，則要根據(jù)建筑墻體所受壓力的大小來決定，并要充分衡量其強度和導(dǎo)熱系數(shù)之間的平衡關(guān)系．

表3 加氣混凝土砌塊墻厚級別及平均傳熱系數(shù)

加氣混凝土保溫墻體厚度，要根據(jù)不同地區(qū)、不同的氣候特征、建筑物的種類和部位來設(shè)計，要滿足國家提出的對節(jié)能建筑的熱工要求，使得墻體的保溫隔熱能力優(yōu)于各氣候區(qū)傳統(tǒng)材料的保溫效果．比如廣東地區(qū)屬于夏熱冬暖地區(qū)，根據(jù)夏熱冬暖地區(qū)居住中對居住建筑的節(jié)能要求，若選用最優(yōu)傳熱系數(shù)要求0．7 W/（m2·K），假設(shè)整個傳熱過程為理想的平壁穩(wěn)定傳熱，計算得各密度等級加氣混凝土所要求的厚度．

表4 傳熱系數(shù)為0．7 W/（m2·K）時各級別加氣混凝土所需厚度

表4所得到的數(shù)據(jù)基本和表3基本相符，因為是單純考慮加氣混凝土單一材料，并沒有計算砌筑砂漿的傳熱系數(shù)及灰縫系數(shù)的修正等，所以兩個表中的數(shù)據(jù)會有出入．不同地區(qū)對建筑節(jié)能的要求有所不同，所以在實際應(yīng)用中，要根據(jù)實際情況來確定保溫層的厚度，還要綜合考慮砂漿、飾面材料等的綜合影響．

2．2 飾面中間體的選擇

加氣混凝土在工程應(yīng)用中有其本身的缺陷，也就是普遍性強度較低，干燥收縮值大，膨脹系數(shù)和飾面材料匹配性差等，這樣就容易導(dǎo)致墻體出現(xiàn)裂縫、砂漿容易開裂，飾面材料出現(xiàn)剝落、松動等等，所以，需要利用適當(dāng)?shù)娘椕嬷虚g體材料來避免或降低這種不良影響．作為中間調(diào)節(jié)材料，本文著重探討界面劑和抹面砂漿．

界面劑作為加氣混凝土與抹面砂漿之間的結(jié)合層，是保護、改善加氣混凝土表面性質(zhì)的涂抹劑．界面劑的使用，能夠有效地封堵混凝土材料表面的氣孔，提高砂漿與混凝土表面的結(jié)合強度，并能夠同時具有抗?jié)B、防水、透氣排濕等作用[6]．界面劑的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合JC/T907－2002《混凝土界面處理劑》中的相關(guān)規(guī)定．

抹面砂漿作為和加氣混凝土結(jié)合使用的一種材料，對其線膨脹系數(shù)有更嚴(yán)格的要求．一般來說，加氣混凝土的最大干燥收縮值可達到0．5 mm/m，而普通水泥砂漿的最大收縮值為1．1 mm/m，因此可知，二者的收縮值相差較大，這必然會影響到工程的質(zhì)量，所以，在實際應(yīng)用中，要根據(jù)實際情況選用或調(diào)整合適匹配的砂漿．砂漿的選用應(yīng)符合JC890－2001《蒸壓加氣混凝土用砌筑砂漿和抹面砂漿》的要求，與加氣混凝土有著良好的匹配性和粘結(jié)性．

2．3 飾面層材料的選擇

內(nèi)墻和外墻飾面材料的選擇，是整個墻體結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性得以發(fā)揮的保障．一般加氣混凝土的空隙率高達70%～80%，這在降低制品容重的同時，也帶來了固有的缺陷．一方面，加氣混凝土的強度和隔熱保溫性能會隨著吸入水分的增加而急劇降低，對建筑物的整體穩(wěn)定性造成安全隱患；另一方面，加氣混凝土長期暴露于大氣中，日曬雨淋，干濕交替，會因為風(fēng)化而開裂破壞，局部受潮時，又會發(fā)生凍融破壞，因此，對加氣混凝土墻體進行飾面處理就顯得非常關(guān)鍵．

輕質(zhì)保溫陶瓷磚具有良好的保溫性能，質(zhì)量輕，其結(jié)構(gòu)中的獨立式微氣孔并不相通，而且相當(dāng)密實，有效地阻止了水分的滲透，作為外墻飾面磚，其具有較高的抗壓強度，又能很好地彌補加氣混凝土保溫結(jié)構(gòu)抗?jié)B性差的缺點．

表5 輕質(zhì)保溫陶瓷磚與幾種經(jīng)典裝飾材料的對比

功能性建筑涂料除了具有普通建筑涂料的裝飾功能以外，還具有一些特殊的功能．隨著涂料研究的不斷深入，各種各樣的功能性涂料已經(jīng)被廣泛使用，主要有防火涂料、防水涂料、防銹涂料、變色涂料、綠色環(huán)保涂料等等．其中，絕熱涂料由于涂膜中含有大量封閉氣孔，所以吸濕性小，導(dǎo)熱系數(shù)低，涂覆于內(nèi)墻上，能夠阻隔建筑物內(nèi)外熱流的傳遞．

3 傳熱系數(shù)分析

傳熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1度（K，℃）時，1小時內(nèi)通過1平方米面積傳遞的熱量．衡量一種墻體或是一棟建筑物的保溫隔熱的性能如何，都是從其具備的傳熱系數(shù)進行衡量的．不同的地區(qū)，因為氣候條件不一致，所以對建筑物保溫隔熱性能的要求也有所不同．

根據(jù)GB 50176－93《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》中對建筑熱工設(shè)計的計算公式：

單一材料層的熱阻的計算公式為：

式（1）中：R ——材料層熱阻，m2·K/W；δ——材料層厚度，m；λ——材料層導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）．

多層圍護結(jié)構(gòu)的熱阻應(yīng)按下式計算：

式（2）中：R1，R2，R3……Rn——各層材料熱阻，m2·K/W．

表6 公共建筑外墻傳熱系數(shù)[7]

表7 居住建筑外墻傳熱系數(shù)[7]

傳熱系數(shù)計算公式為：

K＝1/R （3）

式（3）中：K——材料的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）．

根據(jù)所用加氣混凝土規(guī)格和厚度的不同，計算得不同組成的組裝式隔熱保溫墻體結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)．

表8 不同組成結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)

表 9 相關(guān)材料 參數(shù)[8－9]

根據(jù)各個不同氣候區(qū)的特點，分別選擇其對建筑物最優(yōu)傳熱系數(shù)的要求，分別計算得在不同氣候區(qū)，本文提出的結(jié)構(gòu)中不同規(guī)格的加氣混凝土所需要的臨界厚度．

表10 各氣候區(qū)最優(yōu)傳熱系數(shù)下各級別加氣混凝土所需厚度

4 優(yōu)勢分析

本文提出的新型組裝式保溫墻體結(jié)構(gòu)，不僅相對于其他保溫材料墻體具有獨特的優(yōu)點，對于同樣用加氣混凝土砌塊砌筑而成的其他類型的保溫結(jié)構(gòu)同樣具有一定的優(yōu)勢．下面，就從經(jīng)濟、技術(shù)、環(huán)境等方面的優(yōu)勢對其進行闡述．

4．1 經(jīng)濟優(yōu)勢

傳統(tǒng)的加氣混凝土保溫隔熱墻體都是利用砌塊人工堆砌而成，這樣不僅極大拖緩了工程進度，影響工程質(zhì)量，而且還增加了人工成本，而整體的組裝式墻體，則能夠?qū)崿F(xiàn)工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場組裝，施工速度快，質(zhì)量易于控制，滿足住宅產(chǎn)業(yè)化需求，具有廣泛推廣價值．

采用本文所述的墻體結(jié)構(gòu)，具有良好的保溫隔熱性能和較輕的重量，可大大降低建筑物的自重，進而可以減少建筑物的基礎(chǔ)、梁、柱等結(jié)構(gòu)的尺寸，從而可以節(jié)約建筑材料和工程的費用．

4．2 技術(shù)優(yōu)勢

傳統(tǒng)的加氣混凝土保溫墻都是采用磚混結(jié)構(gòu)的，由于砌塊和混凝土砂漿之間導(dǎo)熱性能的差異，很容易造成熱橋現(xiàn)象，加速墻體的老化和降低室內(nèi)的舒適度．而本文中提出的墻體，則具有了較強的結(jié)構(gòu)整體性，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻傳熱，避免了熱橋現(xiàn)象的產(chǎn)生，這是其他結(jié)構(gòu)的保溫墻體所很難實現(xiàn)的．同時，由于采用了抗?jié)B性較好的陶瓷材料，墻體不會由于滲水而降低保溫性能．

4．3 環(huán)境優(yōu)勢

該保溫隔熱體系原料來源廣，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)能耗低．用于生產(chǎn)加氣混凝土的原料的沙子、礦渣、粉煤灰等，可以根據(jù)各地的實際情況來確定品種和生產(chǎn)工藝．

加氣混凝土的吃灰量大，利廢率高，工業(yè)廢渣占其配比總量的75%以上，可大量消化粉煤灰、煤矸石、廢磚頭、磷石膏、電石渣等工業(yè)廢渣，有利于治理環(huán)境污染．

5 結(jié) 語

目前，我國的建筑能耗約占能源總消費量的27．5%，居各類能耗之首，據(jù)建設(shè)部測算，2020年～2030年左右，我國建筑能耗將占總能耗的30%～40%，達到歐美目前的比例，超過工業(yè)能耗，成為全社會第一能耗大戶．因此，大力推廣墻體改革和節(jié)能建筑已成當(dāng)務(wù)之急．

當(dāng)前，全球保溫隔熱材料正朝著高效、節(jié)能、輕薄的方向發(fā)展，作為同時兼具有圍護和保溫的外墻自保溫結(jié)構(gòu)墻體材料更應(yīng)該得到大力推廣和應(yīng)用．

本文所提出的組裝式保溫隔熱墻體結(jié)構(gòu)，在保證節(jié)能效果的前提下，進一步提高了施工速度和工程質(zhì)量，降低建筑成本，提高了耐火等級，技術(shù)性能、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益都十分顯著，具有廣闊的推廣和應(yīng)用前景．

[1]錢伯章，朱建芳．建筑節(jié)能保溫材料技術(shù)進展[J]．建筑節(jié)能，2009（2）：56－60．

[2]趙秀鋒．淺談建筑墻體的節(jié)能保溫技術(shù)[J]．應(yīng)用能源技術(shù)，2008（1）：1－4．

[3]王巖，蓋廣清．組裝式節(jié)能保溫外墻飾面板的制作與施工[J]．吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2010，27：43－45．

[4]鄒海江，賈寶書．蒸壓加氣混凝土砌塊復(fù)合保溫外墻性能與構(gòu)造[J]．建筑技術(shù)，2009（40）：67－69．

[5]張繼能，顧同曾．加氣混凝土生產(chǎn)工藝[M]．武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1992：337－338．

[6]陳春周．蒸壓加氣混凝土砌塊新型外墻材料的性能與應(yīng)用[J]．福建建材，2007（4）：64－65．

[7]顧同曾．加氣混凝土單一保溫節(jié)能墻體體系的再議論[J]．建筑科學(xué)，2008（7）：12－17．

[8]中華人民共和國經(jīng)濟貿(mào)易委員會．JC 890－2001中國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——蒸壓加氣混凝土用砌塊與抹面砂漿[S]．北京：中國建材工業(yè)出版社，2002．

[9]中華人民共和國建設(shè)部．GB 50411－2007建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007．

A novel assembled heat preservation and heat insulation wall made of inorganic and nonmetallic materials

ZHANG Chu－xin，LIANG Jia－yu，PENG Cheng，LV Ming，WU Jian－qing
（College of Material Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Energy－saving of buildings has already become a hot topic concerned across the world．From the perspective of the thermal transmittance，this paper presents a novel assembled exterior wall construction with high heat preservation and heat insulation level，which improves the energy－saving effect of the exterior wall construction in the whole building．The assembled exterior wall construction，made of inorganic and nonmetallic materials，integrates the building envelope function with heat preservation and heat insulation．It has a great performance of heat preservation and heat insulation and avoids the defects of the conventional masonry－concrete structure．This wall structure meets the need of house industrialization and energy－saving，and thus has a promising future in application．

assembly；inorganic and nonmetallic material；heat preservation and heat insulation；wall

TU55

A

1673－9981（2010）04－0593－07

2010－10－20

廣東省科技計劃資助項目（2009A010300005）

張楚鑫（1985—），男，廣東汕頭人，碩士研究生．