復(fù)合保溫砌塊墻體材料制備及性能研究

王 亮

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復(fù)合保溫砌塊墻體材料制備及性能研究

王 亮

（陜西省行政學(xué)院, 陜西 西安 710068）

作為一種集承重與保溫于一體的墻體材料，復(fù)合保溫砌塊在建筑工程中的應(yīng)用量逐漸增加，為了滿足建筑節(jié)能要求，我國(guó)當(dāng)前的墻體保溫材料多以有機(jī)高分子材料為主，但其日益凸顯的防火與環(huán)保劣勢(shì)不斷縮小著自身的市場(chǎng)份額。以優(yōu)化復(fù)合保溫砌塊性能為目的，將無(wú)機(jī)保溫材料泡沫混凝土填充至混凝土空心砌塊中，進(jìn)行高性能復(fù)合保溫砌塊的制備與性能研究，以提供理論基礎(chǔ)于建筑工程中墻體保溫材料的設(shè)計(jì)，提高工程質(zhì)量。

泡沫混凝土；混凝土空心砌塊；復(fù)合保溫砌塊

作為建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，墻體的保溫性能對(duì)建筑節(jié)能有著重要的影響。1866年，美國(guó)哈契遜獲得首個(gè)空心砌塊專利，自此，混凝土空心砌塊得到全球的廣泛應(yīng)用。西方國(guó)家目前在混凝土空心砌塊的保溫性能方面取得了顯著的研究進(jìn)展，如美國(guó)、加拿大、波蘭、芬蘭相繼研制并推出TB式、IMSI式、U型咬合式、三明治式復(fù)合保溫砌塊等[1]。我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展與人民生活水平的不斷攀升日益增加了人們的空調(diào)采暖要求，建筑能耗亦由此持續(xù)上升[2]。為了緩解能源壓力，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，真正以對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格實(shí)施為前提適應(yīng)建筑節(jié)能的重要要求，我國(guó)部分企業(yè)陸續(xù)從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行復(fù)合保溫砌塊生產(chǎn)線與復(fù)合保溫砌塊塊型的積極研發(fā)，所生產(chǎn)的產(chǎn)品已在框架結(jié)構(gòu)、多層混凝土小型空心砌塊、配筋小型空心砌塊等建筑類(lèi)市場(chǎng)得到較多的應(yīng)用。圖1為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的幾種復(fù)合保溫砌塊塊型。

復(fù)合保溫即將保溫層夾于墻體中間，通常，砌于保溫材料兩側(cè)的混凝土砌塊或磚砌塊共同構(gòu)成主墻體部分，巖棉板、聚苯板、玻璃面板或袋裝膨脹珍珠巖等為保溫材料[3]。針對(duì)現(xiàn)有復(fù)合保溫砌塊大多存在的保溫隔熱性能、耐火性能與耐候性能較差、使用壽命較短等問(wèn)題，文章進(jìn)行泡沫混凝土保溫材料與現(xiàn)有混凝土砌塊的復(fù)合研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有復(fù)合保溫砌塊墻體材料的改造與再制備，提高其保溫隔熱、耐火、耐候等多種性能。

圖1 復(fù)合保溫砌塊常見(jiàn)塊型

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

我國(guó)建筑墻體的保溫材料種類(lèi)豐富，以有機(jī)與無(wú)機(jī)兩種保溫材料最為流行。有機(jī)保溫材料雖然質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)小且吸水率不高，但易開(kāi)裂、耐久性較差且易燃，燃燒之時(shí)伴隨毒氣體的生成；相較于有機(jī)保溫材料，無(wú)機(jī)材料在防火、阻燃、安全性等方面的優(yōu)勢(shì)較為突出。近年來(lái)，有機(jī)保溫材料事故的頻發(fā)減少了其在市場(chǎng)中的份額，而基于安全性高這一勝出因素，無(wú)機(jī)保溫材料的市場(chǎng)份額越來(lái)越大。文章將無(wú)機(jī)填充型復(fù)合保溫砌塊作為具有保溫、承重、阻燃等多種功能的新型墻體材料進(jìn)行材料制備與性能的研究。出于對(duì)泡沫混凝土內(nèi)部封閉式空洞很多，導(dǎo)熱系數(shù)較之普通混凝土低很多[4]這一因素的考慮，制備環(huán)節(jié)采用泡沫混凝土作為保溫芯材。

制備工作用到多種材料：拌合水、水泥、泡沫劑、高效減水劑、粗細(xì)骨料等[5]，表1所示為原材料選型與用途。

表1 配置泡沫混凝土與混凝土空心砌塊的原材料選型與用途

1.2 主要儀器設(shè)備（表2）

表2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

1.3 制備方法

復(fù)合保溫砌塊墻體材料的制備需要兩個(gè)大工序。第一，制備泡沫混凝土（圖2）。（1）按照特定比例（1:20或1:30）加水對(duì)泡沫劑進(jìn)行稀釋，將稀釋后的溶液置于高剪切實(shí)驗(yàn)室中的乳化機(jī)制泡機(jī)中，調(diào)整設(shè)備轉(zhuǎn)速到7 000 r/min，在發(fā)泡過(guò)程中對(duì)發(fā)泡情況進(jìn)行密切觀察，保證所制泡沫的均勻性與穩(wěn)定性。（2）根據(jù)泡沫混凝土性能的不同，將適量鋁酸鹽水泥摻入普通硅酸鹽水泥中，確定水泥、泡沫劑與相應(yīng)外加劑的含量比，制成水泥漿。（3）將泡沫倒入攪拌機(jī)中，為了保證泡沫可以和水泥漿均勻混合，需在攪拌1 min后進(jìn)行人工翻倒，然后繼續(xù)攪拌，循環(huán)此過(guò)程大約3至5 min即可。第二，制備復(fù)合保溫砌塊。在15至25 ℃的室溫環(huán)境下，人工將第一步制成的泡沫混凝土澆注到成型模具空心砌塊的空腔中，維持此環(huán)境對(duì)其進(jìn)行覆膜與自然養(yǎng)護(hù)處理至成型。

圖2 泡沫混凝土制備流程

2 性能測(cè)試

2.1 干密度測(cè)試

參照《蒸壓加氣混凝土性能實(shí)驗(yàn)方法》，將制備成功的試件放到室溫標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)室中，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)，達(dá)到規(guī)定養(yǎng)護(hù)齡期后，從養(yǎng)護(hù)箱中取出，置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在設(shè)定溫度下分別對(duì)其進(jìn)行烘干處理（60 ℃與80 ℃各烘干24 h，之后在105 ℃下烘干）。烘干過(guò)程中需要每隔4 h對(duì)砌塊進(jìn)行一次稱重，若稱重滿足條件“前后兩次稱重的重量差不大于試件質(zhì)量的0.5%”則停止烘干，計(jì)算試件干密度。

2.2 吸水率測(cè)試

將從養(yǎng)護(hù)箱中取出的試件放到電熱鼓風(fēng)干燥箱中，同樣在設(shè)定溫度下分別對(duì)其進(jìn)行烘干處理，處理同干密度測(cè)試，當(dāng)試件重量不再變化之時(shí)，將其置于溫度為15至25 ℃的水槽中，加水浸泡25 h后取出，用濕抹布擦去表面水分，計(jì)算吸水率。上述步驟同樣參照《蒸壓加氣混凝土性能實(shí)驗(yàn)方法》。

吸水率計(jì)算公式如下：

上式為質(zhì)量吸水率，即材料在吸水飽和時(shí)內(nèi)部洗水后的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分率。

式中：—材料的干燥質(zhì)量；

1—材料吸水后的飽和質(zhì)量。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

采用上述烘干方法將試件烘干至恒重后取出，在室外對(duì)其進(jìn)行冷卻處理，當(dāng)試件達(dá)到室溫后，利用導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定其導(dǎo)熱系數(shù)。具體地，利用衡量器切割打磨試件，使其表面變得光滑，然后通過(guò)JTRG型建筑熱流計(jì)式導(dǎo)熱儀測(cè)定光滑試件表面，探頭與試件成夾層結(jié)構(gòu)，為了降低接觸熱阻，試件光滑表面與探頭應(yīng)越緊越好。測(cè)試過(guò)程中需對(duì)探頭電阻隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行記錄，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算試件的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.4 力學(xué)性能測(cè)試

該測(cè)試無(wú)需對(duì)試件進(jìn)行烘干處理，在達(dá)到規(guī)定養(yǎng)護(hù)齡期之后便可從養(yǎng)護(hù)箱中取出試件，用于表示力學(xué)性能的系數(shù)主要包括抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度[6]等。其中，抗折強(qiáng)度可通過(guò)KZJ-500電動(dòng)抗折式實(shí)驗(yàn)機(jī)直接觀察得到，在觀察之前，需擦拭試件表面，保證試件上無(wú)水分殘留，同時(shí)，還要清除夾具圓柱表面的雜物。將試件放到測(cè)試設(shè)備的支撐輯上，用刮刀刮平其成型面后側(cè)向放置，使試件的棱邊垂直于支撐輯，各支撐輯同加荷輥的距離應(yīng)相等。夾具的調(diào)整杠桿在放入試件之前必須平衡，放入試件后，啟動(dòng)電機(jī)，使絲杠發(fā)生旋轉(zhuǎn)，油鉈會(huì)緩慢移動(dòng)開(kāi)始加載工作，在加載到一定程度后，試件會(huì)發(fā)生斷裂，這時(shí)可通過(guò)主尺數(shù)據(jù)直觀得到抗折強(qiáng)度。

在進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，利用WDW-YAM-300型壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)經(jīng)過(guò)抗折強(qiáng)度測(cè)試發(fā)生斷折的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。平整放置試件于抗壓夾具（材質(zhì)主要為硬鋼）中，試件的成型面應(yīng)與受壓面垂直，然后，將放置試件的抗壓夾具放到實(shí)驗(yàn)機(jī)的上臺(tái)板與下臺(tái)板中間，試件需緊排在下臺(tái)板的夾具測(cè)量擋板上，中心與下臺(tái)板的球軸中心相對(duì)應(yīng)。啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行加載至試件破壞，記錄其破壞荷載，計(jì)算抗壓強(qiáng)度。公式如下：

式中：—抗壓強(qiáng)度；

—破壞載荷；

—承壓面積。

2.5 復(fù)合保溫砌塊熱工性能測(cè)試

采用復(fù)合保溫砌塊與對(duì)應(yīng)形狀的混凝土空心砌塊，以一般砌法將其砌筑于試件架內(nèi)，內(nèi)抹混合砂漿，外抹水泥砂漿，利用黃油在干燥砌塊的冷（外）面與熱（內(nèi)）面分別放置溫度與熱流傳感器，然后利用雙面膠將線纜固定于墻體之上。讓傳感器與JTNT-C傳熱系數(shù)檢測(cè)儀相連進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，之后合緊冷熱箱與試件架，啟動(dòng)設(shè)備，調(diào)節(jié)兩箱數(shù)據(jù)，以此控制測(cè)試溫度，記錄所得數(shù)據(jù)。此次測(cè)試中砌塊墻體試件的人工性能通過(guò)熱箱法來(lái)監(jiān)測(cè)，利用熱流傳感器進(jìn)行平均熱流量的測(cè)量，然后用溫度傳感器測(cè)其冷熱表面均溫，計(jì)算內(nèi)外表面溫差，溫差與平均熱流量之比即墻體材料的平均熱阻值，由此計(jì)算墻體的平均傳熱系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

以探索性分析為基礎(chǔ)，對(duì)圖3所示泡沫混凝土+混凝土空心砌塊的復(fù)合保溫砌塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定其基本性能與標(biāo)準(zhǔn)的相符性，判斷是否可投入或擴(kuò)大市場(chǎng)份額。

圖3 泡沫混凝土+混凝土空心砌塊的復(fù)合保溫砌塊

該復(fù)合保溫砌塊中混凝土空心砌塊的厚度為190 mm，泡沫混凝土的厚度不固定，可以靈活改變。砌塊主要應(yīng)用于承重結(jié)構(gòu)外墻中，可同190 mm砌塊的內(nèi)墻同時(shí)砌筑，這并不會(huì)對(duì)砌體水平配筋與灌芯柱混凝土等產(chǎn)生影響，在配筋砌體高層建筑中亦有應(yīng)用。取泡沫混凝土有效厚度40 mm，檢測(cè)其性能與復(fù)合保溫砌塊性能如表3所示。

表3 泡沫混凝土與復(fù)合保溫砌塊的基本性能

根據(jù)表3中泡沫混凝土的基本性能，與《泡沫混凝土砌塊》JC/T1062標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照，該泡沫混凝土的性能與強(qiáng)度A0.5、密度等級(jí)B03的要求相符。復(fù)合保溫砌塊的基本性能亦相符于《混凝土小型空心砌塊》GB8239標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，在今后進(jìn)行復(fù)合保溫砌塊中小型混凝土空心砌塊的設(shè)計(jì)之時(shí)，可以參考《混凝土小型空心砌塊建筑技術(shù)規(guī)程》JCJ/T14-2004，與當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)混凝土砌塊的《圖集》相結(jié)合。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章系統(tǒng)分析了內(nèi)注泡沫混凝土的復(fù)合保溫砌塊墻體材料，舉例就泡沫混凝土與復(fù)合保溫砌塊的基本性能做了測(cè)試，得出以下結(jié)論。

（1）泡沫混凝土復(fù)合保溫砌塊具有隔熱性與耐火性等優(yōu)勢(shì)，使用壽命較長(zhǎng)。水泥與相關(guān)外加劑是泡沫混凝土的原材料，與混凝土砌塊、砂漿等的制備材料基本相同，因此，利用泡沫混凝土制備的復(fù)合保溫砌塊墻體保溫層與結(jié)構(gòu)層有相同壽命。

（2）泡沫混凝土厚度為40 mm的復(fù)合保溫砌塊與我國(guó)大多數(shù)地區(qū)“冬冷夏熱”建筑節(jié)能50%的要求相符，故砌塊的應(yīng)用范圍具有廣泛性，在填充外墻與稱重外墻中均可使用。

（3）相對(duì)而言，泡沫混凝土的生產(chǎn)設(shè)備投資較小，在很多砌塊企業(yè)的承受范圍內(nèi)，今后復(fù)合保溫砌塊的推廣規(guī)模會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

［1］ 金立虎.復(fù)合保溫砌塊塊型設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝及施工技術(shù)研究[J].墻體革新與建筑節(jié)能，2009（2）：41-46.

［2］ 劉見(jiàn)陽(yáng)，李坤曉.公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中的應(yīng)用[J].當(dāng)代化工，2013（5）：698-699.

［3］ 趙學(xué)明.談復(fù)合保溫砌塊的發(fā)展現(xiàn)狀[J].山西建筑，2012（3）：209-210.

［4］ 孫氰萍.泡沫混凝土與混凝土復(fù)合保溫空心砌塊的研制[J].建筑砌塊與砌塊建筑，2008（6）：1-2.

［5］ 范麗龍.基于高性能泡沫混凝土的符合自保溫砌塊的實(shí)驗(yàn)研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2012.

［6］ 和圓圓.綠色混凝土復(fù)合自保溫砌塊的研制[D].山東建筑大學(xué)，2016.

Research on Preparation and Performance of Composite Thermal-insulating Block Wall Materials

(Shaanxi Academy of Governance, Shaanxi Xi’an 710068, China)

As a kind of wall material with the functions of bearing and heat preservation, more and more composite thermal-insulating blocks are needed. In order to meet the need of building energy efficiency, a lot of organic polymer wall insulation materials are used, but their weakness of fireproofing and environmental protection has decreased its market shares. In this paper, in order to optimize the performance of composite thermal-insulating block, preparation and performance of composite thermal-insulating block wall materials were studied, which could provide a theoretical basis on the design of wall materials and enhancing the quality of constructional engineering.

Cellular concrete,Concrete hollow block,Composite thermal-insulating block

TU522.3

A

1671-0460（2017）08-1597-03

2017-06-06

王亮（1985-），男，陜西西安人，助理工程師，2008年畢業(yè)于西安工業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)，研究方向：從事市政工程基礎(chǔ)設(shè)施，城市內(nèi)澇的綜合解決技術(shù)工作。E-mail：wangliang3456@126.com。