新型稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合墻板

王 英，陳 睿，閆 凱，鄭文忠

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090哈爾濱)

稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合墻板是以鋼筋和稻殼砂漿為板材骨架，與具有隔音、保溫功效的巖棉板復(fù)合而成.稻殼是農(nóng)副產(chǎn)品，常用作燃料或廢棄物處理，污染環(huán)境且浪費(fèi)能源.為此以稻殼、普通硅酸鹽水泥、砂、水為原材料，加入一定量的外加劑，研制了輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔聲的稻殼砂漿.考察了該復(fù)合墻板的保溫性能、耐火性能以及隔聲性能，在國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，給出了稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合墻板的適用范圍.提出了分戶墻板以及外墻板設(shè)計方法和構(gòu)造措施，以確保使用階段該復(fù)合墻板滿足承載力及變形要求.

1 墻板主要材料

1.1 稻殼砂漿

目前種植水稻的國家超過75個，每年水稻生產(chǎn)總量約為5億噸，我國的稻谷生產(chǎn)量居首位，近5年的年產(chǎn)量約2億噸，稻殼年產(chǎn)量約4千萬噸，占世界總產(chǎn)量的30%以上［1］.因此，稻殼是一種量大面廣價格低廉的可再生資源.

稻殼是木質(zhì)纖維素材料，其成分為纖維素(約占40%)，木質(zhì)素(約占20%)，五碳糖聚合物(約占 20%，主要為半纖維素)，灰分(約占20%)，以及較少含量的粗脂肪、粗蛋白等有機(jī)物.其中SiO2分布形式為網(wǎng)絡(luò)狀，作用相當(dāng)于鋼筋骨架，纖維素將骨架包裹其中，稻殼結(jié)構(gòu)見圖1.稻殼的高灰分含量及其微觀結(jié)構(gòu)使稻殼具有孔隙率大、重量輕、保溫性能好及耐腐蝕能力強(qiáng)的特性.稻殼的自然堆積密度為83～160 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.084～0.209 W/(m·K).此外，稻殼不僅具有良好的韌性，還具有一定的強(qiáng)度，且稻殼顆粒均勻，粒度適中，濕潤后體積不膨脹，易于壓實(shí)，有利于拌和均勻和提高混合料的密實(shí)度［2］.

圖1 稻殼結(jié)構(gòu)

目前，我國對稻殼利用水平比較低，農(nóng)村地區(qū)稻殼除作燃料之外，幾乎都作為廢物處理，既占用土地資源，又污染了環(huán)境.針對這一問題，研制開發(fā)了由水泥、砂、粉煤灰、稻殼、水和高效減水劑拌制而成的稻殼砂漿，并對4種配合比的稻殼砂漿進(jìn)行物理力學(xué)性能測試.4種稻殼砂漿質(zhì)量配合比見表1.

表1 稻殼保溫砂漿配合比

按照J(rèn)GJ70—90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》、JGJ144—2004《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》、JGJ149—2003《膨脹聚苯板薄抹灰外墻保溫系統(tǒng)》和JG/T169—2005《建筑隔墻用輕質(zhì)條板》對稻殼砂漿物理力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，表2為試驗(yàn)測得的稻殼砂漿各項(xiàng)物理力學(xué)性能.普通水泥材料的密度為3 000 kg/m3，稻殼砂漿的密度約為水泥的1/2，稻殼的加入使水泥材料的密度大幅度降低.與水泥材料相比，稻殼砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有一定的提高，試件A、C、D的抗壓強(qiáng)度均大于20MPa，滿足規(guī)范對承重砂漿抗壓強(qiáng)度的要求.

表2 稻殼砂漿物理力學(xué)性能

稻殼砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)為0.9W/(m·K)，水泥材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.8～3.0 W/(m·K)，普通混凝土1.51W/(m·K)，普通紅磚0.81W/(m·K)，可見稻殼砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)低于常用墻體材料.與普通墻體材料相比，稻殼砂漿具有較好的保溫性能.

1.2 巖棉板

巖棉是以玄武巖或輝綠巖為主要原料，摻加一定質(zhì)量的補(bǔ)助料，經(jīng)高溫熔融和離心工藝制成的人造無機(jī)纖維，主要成分為 SiO2、Al2O3、CaO2、MgO2以及Fe2O3.與普通保溫材料相比，巖棉具有容重輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、不燃燒、防火無毒、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).在建筑領(lǐng)域，巖棉可作為建筑物外保溫材料、內(nèi)隔墻隔聲填充材料以及室內(nèi)吊頂吸聲材料.表3給出了巖棉板基本物理性能指標(biāo)［3］.

表3 巖棉板的物理性能指標(biāo)

2 外墻板性能

2.1 耐火極限

《建筑設(shè)計防火規(guī)范》以及《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》強(qiáng)制性條文針對墻體不同耐火等級提出耐火極限和燃燒性能2項(xiàng)規(guī)定，火災(zāi)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件在滿足耐火極限的同時，應(yīng)符合規(guī)范對燃燒性能的規(guī)定［4－5］.

外墻板試件尺寸為3270mm×3270mm×250mm，由兩塊稻殼砂漿輕質(zhì)復(fù)合墻板拼裝而成.墻體試件自背火面至向火面的斷面依次為1層25mm輕質(zhì)稻殼保溫砂漿、1層60mm巖棉、1層80mm空氣層、1層60mm巖棉板以及1層25mm輕質(zhì)稻殼保溫砂漿，如圖2所示.為使墻板具有較好的整體力學(xué)性能，采用設(shè)置冷拔鋼絲以及鍍鋅電焊網(wǎng)等措施進(jìn)行加固，并配置聚苯板條作為隔斷.

圖2 外墻板構(gòu)造

外墻板耐火極限試驗(yàn)按照GB/T9978—1999《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》進(jìn)行，在墻體中部共埋設(shè)了8個熱電偶，見圖3.外墻板耐火極限試驗(yàn)時間為2 h.當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到2h時，試件背火面最高單點(diǎn)溫升為30.6℃，最高平均溫升為20.8℃;墻體沒有出現(xiàn)寬度＞6 mm的貫穿裂縫.由試驗(yàn)結(jié)果可知，墻體試件保持較好的完整性和隔熱性，墻體試件耐火極限＞2.0 h.

圖3 外墻板抗火試驗(yàn)

由耐火試驗(yàn)結(jié)果可知:(1)從燃燒性能角度分析，稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合保溫墻板應(yīng)視為非燃燒體或者不燃燒體.(2)厚度為250mm的此類墻板耐火極限＞2.0 h.按現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定，稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合保溫墻板適用于9層及9層以下的住宅，單層、多層以及高層工業(yè)建筑，耐火等級為一級非承重外墻.

2.2 外墻板隔聲性能

聲音遇到障礙物時，部分聲能被障礙物反射，部分聲能被障礙物吸收，剩余部分聲能則通過障礙物輻射到相鄰空間，入射聲能包括透射聲能，其數(shù)值大于透射聲能.由障礙物引起聲能降低的現(xiàn)象稱為隔聲［6］.為評價圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲性能優(yōu)劣，常采用考慮隔聲頻率特性曲線隔聲低谷與人主觀感受的隔聲效果相符的單值評價量［7］，稱為計權(quán)隔聲量，用Rw表示，單位為dB.

稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合外墻板的隔聲性能試驗(yàn)依據(jù)JG/T169—2005《建筑隔墻用輕質(zhì)條板》進(jìn)行.試件尺寸為2500mm×1800mm×250mm，2塊試件的空氣聲隔聲量檢測值均達(dá)到51dB.可見該類墻板的計權(quán)隔聲量滿足住宅、學(xué)校和醫(yī)院建筑一級隔聲標(biāo)準(zhǔn)，以及旅館建筑特技隔聲標(biāo)準(zhǔn)，可作為圍護(hù)構(gòu)件應(yīng)用于對隔聲量有相應(yīng)要求的建筑物中.

2.3 外墻板保溫性能

稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合外墻板的保溫性能，通過對1塊外觀尺寸為4200mm×3000mm×250mm的外墻板進(jìn)行熱工計算，并考慮外墻板周邊鋼筋混凝土梁和柱的熱橋效應(yīng)的影響，得到該墻板的加權(quán)平均熱阻為2.04(m2·K)/W，導(dǎo)熱系數(shù)為0.490W/(m2·K).

為實(shí)際測定稻殼砂漿外墻體結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，制作了1500mm×1500mm×250 mm試件，進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)，測得試件導(dǎo)熱系數(shù)為0.434W/(m2·K).由JGJ26—95《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》的規(guī)定可知，外墻導(dǎo)熱系數(shù)不應(yīng)大于0.52W/(m2·K).故此類墻板的導(dǎo)熱系數(shù)較低，可滿足規(guī)范對導(dǎo)熱系數(shù)限值的要求.

2.4 外墻板其他物理性能

依據(jù)JG/T169—2005《建筑隔墻用輕質(zhì)條板》的規(guī)定，對5塊標(biāo)準(zhǔn)稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合外墻板試件的面密度、抗沖擊性能和含水率等性能進(jìn)行試驗(yàn)研究.取試驗(yàn)結(jié)果的平均值，稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合外墻板的各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)見表4.

表4 外墻板各項(xiàng)物理力學(xué)性能

3 稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)設(shè)計

稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合外墻板與分戶墻板由于在建筑中布設(shè)位置及其承受荷載不同，應(yīng)分別對框架與墻板連接構(gòu)造以及兩類墻板結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，確保該類墻板在外荷載作用下具有足夠的承載力和剛度［8］.

3.1 外墻板結(jié)構(gòu)

依據(jù)框架結(jié)構(gòu)實(shí)際層高和實(shí)際柱距，對外墻板尺寸分割，其長度應(yīng)取為實(shí)際柱距，高度取為實(shí)際層高.當(dāng)柱距＞6 m時，可采用相鄰兩柱間設(shè)置2塊外墻板的方式.將凹槽設(shè)置于墻板端部以形成工藝柱，以便連接相鄰?fù)鈮Π?外墻板的分割見圖4.

圖4 外墻板的分割

沿板長度和高度方向均布設(shè)貫通板厚度的稻殼砂漿筋肋，肋寬50 mm，稻殼砂漿筋肋作為主要受力部件承擔(dān)墻板自重以及外荷載.筋肋內(nèi)部沿水平和豎直方向布置鋼筋，兩個方向鋼筋交點(diǎn)采用點(diǎn)焊連接，以形成鋼筋網(wǎng)片.墻板外側(cè)和內(nèi)側(cè)均布設(shè)鋼筋網(wǎng)片，兩層鋼筋網(wǎng)片采用斜向鋼筋作為腹桿的方式連接，形成由兩層鋼筋網(wǎng)片和斜向鋼筋腹桿組成的三維鋼筋網(wǎng)架.外墻板的構(gòu)造與圖2相同，依靠相互正交的豎直筋肋和水平筋肋承受風(fēng)荷載及自重，故需對筋肋內(nèi)的鋼筋進(jìn)行配筋計算，計算方法與普通混凝土板相同.

安裝施工過程中，外墻板與框架結(jié)構(gòu)可按如下連接方式:外墻板底部的水平筋肋與每根豎直筋肋相交處設(shè)置兩塊預(yù)埋鐵件.外墻板安裝就位時，其中一塊預(yù)埋鐵件坐落在樓板上，與樓板上的預(yù)埋件可靠焊接連接;另一塊預(yù)埋鐵板坐落在下層外墻板水平筋肋上，對二者進(jìn)行可靠焊接連接.

外墻板與框架梁間可采用錨固鋼筋連接的方式，錨固鋼筋設(shè)置于外墻板梁模槽及柱模槽邊緣的水平筋肋和豎直筋肋上.施工過程中，在澆筑框架梁柱混凝土前，先將外墻板固定就位，然后安裝梁柱構(gòu)件的模板，錨固鋼筋伸入梁柱構(gòu)件的模板中，澆筑混凝土使外墻板與框架結(jié)構(gòu)形成統(tǒng)一整體.圖5和圖6為外墻板與框架梁柱的連接.

圖5 外墻板與框架梁連接方式

圖6 外墻板與框架柱連接方式

3.2 分戶墻板結(jié)構(gòu)

稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合分戶墻板作為建筑的分隔構(gòu)件，其尺寸劃分方法與外墻板類似，外形尺寸依據(jù)框架結(jié)構(gòu)實(shí)際層高以及實(shí)際相鄰框架柱的間距分塊，墻板長度取為實(shí)際柱間凈距，高度取為樓面至梁底面的凈高.圖7為分戶墻板在框架結(jié)構(gòu)中的劃分.

圖7 分戶墻板在框架中的劃分

稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合分戶墻板板度取為200 mm，沿板厚度方向由內(nèi)到外依次設(shè)置空氣間層(厚度為30 mm)、巖棉板層(厚度為60 mm)以及稻殼砂漿層(厚度為25 mm).圖8為沿板厚度方向材料層的分布.

在使用階段分戶墻板不承擔(dān)風(fēng)荷載，只承擔(dān)自重荷載以及一定的分戶墻板外表面裝修荷載.有計算分析可知，外墻板板格內(nèi)配置鍍鋅鋼絲網(wǎng)φ2@50 mm×50 mm，即可滿足設(shè)計風(fēng)荷載作用下外墻板承載力以及變形驗(yàn)算，與外墻板相比，分戶墻板承擔(dān)的荷載較小，故分戶墻板的板格內(nèi)鍍鋅電焊網(wǎng)尺寸可適當(dāng)放大，取為φ2@60 mm×60 mm.

圖8 分戶墻板斷面構(gòu)造

分戶墻板與框架梁柱可采用預(yù)埋件可靠焊接連接的形式，將預(yù)埋件設(shè)置于分戶墻板的四邊筋肋相交處，施工安裝過程中，先將分戶墻板吊裝就位，在樓板相應(yīng)位置埋設(shè)預(yù)埋件，采用可靠焊接連接.分戶墻板周邊的框架梁柱拆模后，在框架梁柱設(shè)置預(yù)埋件，與分戶墻板上相應(yīng)位置的預(yù)埋件焊接連接，完成分戶墻板的安裝.圖9為分戶墻板與樓板、框架梁柱的連接.

圖9 分戶墻板與樓板、框架梁柱的連接

4 效益分析

稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合外墻板每平方米的生產(chǎn)成本為138.76元，以建筑面積同為216 m2的房間為例，將傳統(tǒng)紅磚墻和稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合外墻板的造價進(jìn)行比較，見表5.

表5 新型墻板與傳統(tǒng)紅磚墻工程造價比較

由表5可見，采用稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合外墻板時，建筑使用面積比采用傳統(tǒng)紅磚墻增加了6.6%，而每平方米使用面積造價比傳統(tǒng)紅磚墻造價降低了28.8%，每平方米墻體造價比紅磚墻體造價降低18.5%.因此，使用稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合外墻板比采用傳統(tǒng)紅磚具有更客觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.

5 結(jié)語

稻殼砂漿抗壓強(qiáng)度較高，導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫性能好，可視為物理力學(xué)性能良好的輕質(zhì)保溫材料.將輕質(zhì)稻殼砂漿與鋼筋和巖棉板復(fù)合成稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合墻板，研究了稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合外墻板的隔聲和保溫等物理性能，以及耐火極限和力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，稻殼砂漿輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合墻板具有良好的耐火、隔聲和保溫性能，能夠滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對建筑材料物理力學(xué)性能的要求，滿足住宅、學(xué)校和醫(yī)院建筑的一級隔聲標(biāo)準(zhǔn)要求，耐火極限及燃燒性能滿足相關(guān)防火設(shè)計規(guī)范的要求，適用于9層及9層以下的住宅，單層、多層以及高層工業(yè)建筑，耐火等級為一級的非承重外墻.

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