嚴(yán)寒地區(qū)新型自保溫砌塊配合比設(shè)計與構(gòu)造研究★

梁曉旭 方光秀

(延邊大學(xué)工學(xué)院,吉林 延吉 133002)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對于自己的居住環(huán)境有了更高的要求，需要一種能夠做到冬暖夏涼的房子，這就對墻體的保溫提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。最近幾年，國家對于建筑領(lǐng)域的節(jié)能愈來愈重視，傳統(tǒng)的保溫措施只是在墻體外增加保溫層，不僅增加了施工量，而且耐久度不強(qiáng)[1]。因此，對于既能充當(dāng)墻體，又能做到保溫的自保溫砌塊的研究迫在眉睫。

長白山地區(qū)有著大量的火山灰資源，可作為混凝土的天然輕質(zhì)骨料。本文根據(jù)JGJ 26—2010嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的要求，即：嚴(yán)寒地區(qū)不小于9層建筑物外墻的傳熱系數(shù)限值為0.50 W/(m2·K)，0.55 W/(m2·K)，0.60 W/(m2·K)，并借鑒在國內(nèi)外已有研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，研究與提出既滿足國家65%的建筑節(jié)能要求，又適用于東北嚴(yán)寒地區(qū)的新型自保溫砌塊配合比設(shè)計與構(gòu)造。通過創(chuàng)新性的雙摻火山灰和粉煤灰來等量取代水泥用量；同時，設(shè)計全新的X軸，Y軸立體咬合式自保溫砌塊構(gòu)造，以此達(dá)到綠色節(jié)能、低碳環(huán)保目的。

1 國內(nèi)外文獻(xiàn)研究

1.1 國內(nèi)研究成果分析

通過國內(nèi)文獻(xiàn)的整理分析與研究，本文可借鑒的代表性成果如下：姜玉梅、魏代曉等[1]設(shè)計了XH自保溫砌塊，其以燒結(jié)頁巖多孔磚為基體，采用斷橋矩形孔洞設(shè)計。其獨特的設(shè)計使得熱量在沿墻體橫向的任一位置傳遞時都要經(jīng)過空氣層的阻斷，增大了熱阻，有效地抑制了熱量的傳遞。

丁曉燕、羅永磊、陳忠范等[2]經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化之后得出的自保溫砌塊塊型構(gòu)造，采用了孔洞與豎肋非均勻排列的方式，并在孔洞中插入聚苯板，其力學(xué)性能和熱工性能均有明顯的提高。

1.2 國外研究成果分析

發(fā)達(dá)國家由于其經(jīng)濟(jì)實力原因，采用高效保溫材料完全替代砌塊的空氣孔洞。通過國外文獻(xiàn)的整理分析與研究，本文可借鑒的代表性成果如下：美國是最早生產(chǎn)混凝土砌塊的國家，自1866年美國哈契遜獲得第一份生產(chǎn)空心砌塊的專利以來，混凝土自保溫空心砌塊研究就持續(xù)開展，研制出的TB型保溫隔熱復(fù)合砌塊，其內(nèi)砌塊與外砌塊之間采用高效保溫材料，完全消除了通過墻體砌塊橫肋的傳熱，300 mm厚砌體的傳熱系數(shù)可以達(dá)到0.36 W/(m2·K)～0.58 W/(m2·K)。加拿大研究的IMSI保溫隔熱砌塊，墻體厚度200 mm，共兩排孔，外側(cè)孔既窄又長而且插放絕熱板，內(nèi)側(cè)孔可根據(jù)需要布置鋼筋或保溫板，其墻體的總傳熱系數(shù)可達(dá)到0.405 W/(m2·K)。德國在砌塊孔洞中填充玄武巖保溫顆粒，這種顆粒是將玄武巖在1 500 ℃下熔化成塊，再經(jīng)工藝處理而成，能使砌塊隔熱性能、隔聲效果得到明顯改善。波蘭研究出咬合式的保溫砌塊，組成后砌塊墻體厚變?yōu)?20 mm，砌塊母體材料采用輕質(zhì)硅或用砂石硅生產(chǎn)，孔洞內(nèi)插入高效保溫材料，墻體的總傳熱系數(shù)為0.209 W/(m2·K)～1.000 W/(m2·K)[3]。

2 新型自保溫砌塊設(shè)計

2.1 材料的選用

1)水泥：P.O42.5普通硅酸鹽水泥，產(chǎn)于吉林亞泰水泥有限責(zé)任公司；

2)粉煤灰：延吉市朝陽建材，Ⅰ級粉煤灰；

3)水：延吉市自來水；

4)天然粗、細(xì)骨料：細(xì)骨料選用延吉產(chǎn)的河砂，細(xì)度模數(shù)為2.5，級配區(qū)為Ⅱ區(qū)。粗骨料選用延吉產(chǎn)5 mm～10 mm連續(xù)級配的花崗巖碎石；

5)外加劑：延吉方勝建材有限公司出產(chǎn)的高效聚羧酸減水劑母液，減水率為20%；

6)火山灰：長白山地區(qū)火山灰。

2.2 新型自保溫砌塊塊型構(gòu)造設(shè)計

根據(jù)文獻(xiàn)[4,5]研究，矩形孔洞的傳熱系數(shù)為最小。此外，砌塊的熱阻還與空氣層的厚度有關(guān)，在砌塊中，當(dāng)空氣層的厚度達(dá)到20 mm后，隨著其厚度的增大，空氣層熱阻的增量越來越小。當(dāng)空氣層厚度到40 mm后，熱阻趨于常量，此時若增多孔洞排數(shù)，可以顯著提高其熱阻。但從砌塊成型的角度考慮，孔洞的排數(shù)越多、成型越困難。另外，孔洞的錯位排列能夠使熱量在沿墻體橫向任一位置傳遞時都要經(jīng)過空氣層的阻斷，增大了熱阻，有效地抑制了熱量的傳遞。同時孔洞與豎肋非均勻排列可以有效起到保溫的效果，故孔洞宜采用非均勻排列，且近冷熱源兩側(cè)端面的保溫層越厚，砌塊保溫節(jié)能效果越好。

因此，本文在借鑒文獻(xiàn)研究成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)計算最終確定自保溫砌塊孔洞數(shù)為3排，外壁厚為22 mm，助壁厚分別為35 mm，28 mm，20 mm，18 mm，15 mm；空氣層排數(shù)為3排，厚度分別為40 mm，30 mm；長度分別為160 mm，150 mm；空心率為39.3%，在其孔洞中插入聚苯板。創(chuàng)新性的在砌塊兩側(cè)的左右端部分別設(shè)置凹槽和凸槽、且砌塊上下的底部和頂部分別設(shè)置凹槽和凸槽，以此形成X軸,Y軸立體咬合式自保溫砌塊構(gòu)造。可有效阻斷四周的冷橋，從而使得保溫效果更佳，如圖1所示。

2.3 新型自保溫砌塊配合比設(shè)計

本次試驗，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[6]設(shè)計了砌塊強(qiáng)度為MU10.0,混凝土強(qiáng)度為C30，密度等級為1 200級的自保溫砌塊。

2.3.1混凝土配置強(qiáng)度的確定

1)混凝土立方體試塊和自保溫砌塊抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系[7，8]：

RK/RL=0.957 7-1.129K

(1)

其中，RK為自保溫砌塊抗壓強(qiáng)度，MPa；RL為混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度，MPa；K為自保溫砌塊空心率。分別代入數(shù)值得到：RL=19.46 MPa。

2)混凝土的立方體試塊的設(shè)計強(qiáng)度可按照式(2)計算[9]：

fcu,o=fcu,k+1.645σ

(2)

標(biāo)準(zhǔn)差σ值，如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)差σ值

由表1得出，σ=5.0，fcu，o=38.225 MPa。

2.3.2混凝土用水量和外加劑用量

每立方米混凝土的用水量mw0的確定：

(3)

每立方米混凝土中外加劑用量ma0的確定:

ma0=mb0βa=5.75 kg

(4)

2.3.3混凝土膠凝材料(水泥、粉煤灰、火山灰)用量

每立方米混凝土中膠凝材料總用量為mb0：

mb0=mw0/(W/B)=383.3 kg

(5)

雙摻粉煤灰、火山灰等量取代20%水泥，采用的火山灰和粉煤灰的摻入比為1∶4。每立方米混凝土中的粉煤灰、火山灰的總用量為mh0：

mh0=mb0Bf=76.06 kg

(6)

粉煤灰的用量為mf0：

mf0=60.85 kg。

火山灰的用量為mt0：

mt0=15.21 kg。

每立方米混凝土中水泥用量為mc0：

mc0=mb0-mf0-mt0=307.27 kg

(7)

2.3.4砂率

砂率根據(jù)骨料的技術(shù)指標(biāo)、混凝土拌合物性能，參考資料確定為35%。

2.3.5粗、細(xì)骨料用量

采用質(zhì)量法計算粗、細(xì)骨料用量分別為mg0,ms0：

mf0+mt0+mc0+mg0+ms0+mw0=mcp

(8)

βs=ms0/(mg0+ms0)×100%

(9)

mg0=1 191.2 kg；

ms0=641.4 kg。

3 理論計算分析

根據(jù)文獻(xiàn)[2]的研究，本文提出的砌塊構(gòu)造所采用的導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測可以達(dá)到0.11 W/(m·K)。

1)自保溫砌塊砌體熱阻應(yīng)按式(10)計算[10]:

Rma=dma/ε·λma

(10)

其中，Rma為自保溫砌塊砌體的熱阻，m2·K/W;dma為自保溫砌塊砌體的厚度，m;ε為對灰縫影響的修正系數(shù)，按表2選取;λma為自保溫砌塊砌體當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

由式(10)計算得出：Rma=2.182 m2·K/W。

表2 修正系數(shù)的取值

2)自保溫砌塊墻體部位傳熱阻和傳熱系數(shù)應(yīng)按式(11)，式(12)計算：

Rp=Ri+Rma+∑Rpj+Re

(11)

Kp=1/Rp

(12)

其中，Rp為自保溫砌塊墻體部位傳熱阻，m2·K/W；Ri為內(nèi)表面換熱阻，表面換熱阻應(yīng)根據(jù)砌體表面的空氣流速、輻射率求得，一般情況下其值取0.11 m2·K/W;Rpj為自保溫砌塊墻體部位除砌體層外各層材料的熱阻，m2·K/W;Re為外表面換熱阻，表面換熱阻應(yīng)根據(jù)砌體表面的空氣流速、輻射率求得，一般情況下其值取0.04 m2·K/W;Kp為自保溫砌塊墻體部位的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

由式(11),式(12)計算得出：Kp=0.429 W/(m2·K)。

4 結(jié)語

1)本試驗所提出的自保溫砌塊的配合比與構(gòu)造皆建立在理論的基礎(chǔ)上，為后來的研究提供借鑒。

2)在混凝土中以1∶4的摻入比、雙摻火山灰與粉煤灰等量取代水泥用量20%，且設(shè)計出全新的自保溫砌塊配合比；同時，設(shè)計出X軸,Y軸立體咬合式自保溫砌塊構(gòu)造，可有效的阻斷四周的冷橋，實現(xiàn)綠色、環(huán)保、節(jié)能的要求。

3)經(jīng)過理論計算分析，新型自保溫砌塊的傳熱系數(shù)可以達(dá)到0.429 W/(m2·K)，能夠滿足嚴(yán)寒A,B,C區(qū)外墻傳熱系數(shù)的限值。