原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)噴涂式環(huán)保墻體熱工性能研究

趙西平， 李夏婕， 姜夢嬌， 胡文斌， 郝際平

(西安建筑科技大學 a. 建筑學院； b. 土木工程學院， 陜西 西安 710055)

近年來，噴涂式環(huán)保物料-冷彎薄壁型鋼組合墻體在國內(nèi)外得到了廣泛應用，具有良好的保溫、隔聲以及耐火等性能，取得了顯著的社會經(jīng)濟效益[1,2]。若能將噴涂式環(huán)保墻體與原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，能有效彌補原竹結(jié)構(gòu)自身缺點。此外，采用噴涂式的施工方式還可以顯著提高建筑結(jié)構(gòu)的整體性及現(xiàn)場營建速度，綜合造價具有明顯優(yōu)勢，有利于發(fā)展集成裝配式建筑，適用于節(jié)能型低層生態(tài)民居的建設。

當前，諸多學者對于竹結(jié)構(gòu)墻體的研究主要集中在力學與保溫性能上，而對竹結(jié)構(gòu)墻體的傳熱特性研究卻很少[3,4]。本研究將根據(jù)傳熱學原理和建筑節(jié)能標準，設計制作出6種填充不同保溫材料、不同厚度的墻體試件，再測定上述墻體的傳熱系數(shù)，并與我國現(xiàn)有嚴寒和寒冷地區(qū)的建筑節(jié)能標準對比，驗證反推實驗墻體內(nèi)置最佳保溫材料的最優(yōu)厚度。最后，找出影響該墻體熱工性能的因素，提出改善措施，使原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)墻體在陜西乃至全國得到更好的發(fā)展。

1 原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)噴涂式環(huán)保墻體設計

在原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)噴涂式環(huán)保墻體的主體結(jié)構(gòu)已確定的前提下，本文將合理選用保溫材料，并確定墻體保溫形式及厚度，制成6塊不同的墻體試件。

1.1 墻體保溫布置方式

考慮到外墻內(nèi)、外保溫的構(gòu)造做法會影響到保溫層的耐久性問題，而且多數(shù)有機保溫材料具有可燃性[5～7]。再加上竹結(jié)構(gòu)特性，本文所研發(fā)的原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)墻體以竹桿做支撐，內(nèi)填保溫板，兩側(cè)抹保溫砂漿，屬于典型的夾芯保溫墻體。

1.2 保溫材料的選取

本文所研發(fā)的原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)墻體，考慮在北方寒冷地區(qū)農(nóng)村范圍內(nèi)推廣應用，適用于低層及多層建筑，保溫材料內(nèi)置于墻體結(jié)構(gòu)中，由原竹桿件進行承重。因此，內(nèi)置的保溫材料對于強度及施工工藝方面要求較低，對環(huán)保性和耐候性要求也不高，主要從保溫性能和造價方面進行考慮。因此，選取綜合性能較好且造價較低的EPS灰板、EPS白板、XPS板作為內(nèi)部填充物。

1.3 原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)噴涂式環(huán)保墻體設計

原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)噴涂式環(huán)保墻體的傳熱系數(shù)是評價該墻體熱工性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本文將根據(jù)節(jié)能設計標準對傳熱系數(shù)的要求反推出內(nèi)置不同保溫材料的厚度，并確定6種墻體樣本的規(guī)格。

原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)墻體的研發(fā)旨在提高寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能，其適用標準應為《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設計標準》。但是為了在城鎮(zhèn)地區(qū)也能廣泛推廣，也根據(jù)《嚴寒、寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》進行了該試件的設計施工。節(jié)能標準對圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的規(guī)定如表1所示。

表1 不同節(jié)能標準對圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值的規(guī)定

本研究原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)墻體原竹骨架兩側(cè)需要噴涂的固保防護物料厚度為30 mm，本次試驗用防護物料實測導熱系數(shù)為0.158 W/(m2·K)。設定兩竹桿內(nèi)壁凈間距為400 mm，兩竹桿外壁至試件邊緣均為200 mm。該墻體試件的截面尺寸見圖1，本次墻體制作選擇以下三種保溫材料作為該墻體內(nèi)部的填充材料，其熱物理性能計算參數(shù)如表2所示。

圖1 原竹龍骨組合墻體各部分尺寸/mm

根據(jù)表1，寒冷地區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑外墻傳熱系數(shù)限值為0.45 W/(m2·K)，可推出滿足此節(jié)能標準的圍護結(jié)構(gòu)傳熱阻R=2.072 m2·K/W。經(jīng)推導填充不同保溫板的厚度d與其導熱系數(shù)λ的關(guān)系式為：

(1)

表2 保溫材料熱物理性能計算參數(shù)

據(jù)此可求得該墻體填充不同保溫材料的厚度，其中所需EPS白板的厚度約為100 mm，此時墻體試件總厚度為180 mm；所需EPS灰板的厚度約為75 mm，此時墻體總厚度為155 mm；所需XPS板的厚度約為65 mm，此時墻體總厚度為145 mm。

同理可推出在滿足寒冷地區(qū)屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K≤0.35 W/(m2·K)標準下，當填充EPS灰板時，所需厚度約為95 mm，此時試件總厚度175 mm。在滿足寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑外墻傳熱系數(shù)K≤0.65 W/(m2·K)標準下，填充XPS板的厚度約為50 mm，此時試件總厚度為130 mm。在滿足寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K≤0.50 W/(m2·K)標準下，填充EPS灰板的厚度約為65 mm，此時試件總厚度為145 mm。

現(xiàn)將六個試件的尺寸規(guī)格匯總?cè)绫?所示。

這是林露白第一次見老何，她簽合同的時候，才知道他的全名是何文山，37歲了，他有兩套房子，出租這一套，自己住在對門。

表3 墻體試件規(guī)格匯總

2 原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)噴涂式環(huán)保墻體試件制作

2.1 原竹龍骨試件制作

根據(jù)以往研究成果，本次實驗所用竹材選用生長在浙江地區(qū)的毛竹，分散選取12株直徑大約為65，75，100 mm的成熟竹樣。

本次原竹龍骨結(jié)構(gòu)骨架由兩根縱向竹桿和8根斜向竹條組合而成，截面尺寸為分別1000 mm×1000 mm×180(155，145，175，130，145)mm。原竹直徑分別為100(75，65，95，50，65)mm，整個骨架長寬為1000 mm×1000 mm，厚度根據(jù)保溫板厚度不同而定。骨架制作完成后，在骨架兩側(cè)表面懸掛鋼絲網(wǎng)，然后在原竹骨架空隙中及鋼絲網(wǎng)外側(cè)噴涂固保物料，厚度為30 mm，最后在物料外側(cè)刷10 mm厚的固保抗裂物料，竹骨架及其構(gòu)造詳圖如圖2所示。

圖2 竹骨架構(gòu)造

2.2 澆筑成型

原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)墻體的成型工藝過程主要包括以下四部分：制作模板、布料、放置原竹骨架、振壓及脫模。模塊成型之后需要一天養(yǎng)護，待養(yǎng)護時間過后進行拆模，并在試件表面均勻涂抹抗裂砂漿。施工過程如圖3，4所示。

圖3 澆筑過程現(xiàn)場

圖4 成型工藝現(xiàn)場

3 原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)噴涂式環(huán)保墻體熱工性能測試

圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)是表征建筑物墻體熱工性能優(yōu)劣的重要參數(shù)之一，是評價墻體保溫效果的重要指標[8]。本文所述墻體的熱工性能利用實驗室熱箱-熱流計法進行測試。

3.1 測試設置

本次試驗在陜西省建筑科學研究院物理實驗室進行，測試設備采用北京東方奧達儀器設備有限公司生產(chǎn)的JW-I型墻體玻璃制品隔熱保溫檢測裝置、JW-II型76路多通道建筑熱工溫度熱流巡回檢測儀(圖5)、JW-Ш型熱流計式導熱儀、熱流計片、熱電偶等。溫度熱流巡回檢測儀，具有定點顯示、自動存儲、打印等功能，每隔30 min記錄一次數(shù)據(jù)，溫度測量精度為0.01 ℃。本試驗采用26只銅-康銅熱電偶和6個熱流計。

圖5 JW-Π建筑熱工溫度熱流巡回檢測儀

將連接在巡檢儀上的熱電偶用銀箔膠布粘貼在墻體的冷熱面，每一面上布置6個熱電偶，另一面與之對應布置，在距試件10 cm處冷、熱箱內(nèi)分別布置6個熱電偶，以測量冷、熱箱內(nèi)空氣溫度。在布置測點時，參考《建筑物圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及采暖供熱量檢測方法》，考慮到實際應用中竹骨架的影響，其中2個測點布置在靠近竹骨架處，4個錯開竹骨架。各測點布置達到熱穩(wěn)定狀態(tài)開始數(shù)據(jù)計量采集，每0.5 h自動采集一次數(shù)據(jù)，總共采集16次，計算平均值，作為試驗結(jié)果。試件測點布置如圖6所示。

圖6 試件測點布置

3.2 測試數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)將六個試件的傳熱系數(shù)及傳熱阻的實測值和設計值匯總?cè)绫?所示。

3.3 填充不同保溫材料墻體的熱工性能分析

填充不同保溫材料墻體的傳熱阻散點分布如圖7所示。當板厚均為65 mm，填充XPS板墻體的傳熱阻為1.792 m2·K/W，大于填充EPS灰板墻體的傳熱阻1.561 m2·K/W；板厚為95 mm填充EPS灰板的傳熱阻為2.465，大于填充100 mmEPS白板墻體的傳熱阻1.257 m2·K/W。所以填充XPS板的墻體熱工性能最好，EPS灰板墻體次之，EPS白板墻體熱工性能最差。

表4 傳熱阻及傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)匯總

圖7 填充不同保溫材料墻體實測傳熱阻-厚度分布

3.4 墻體試件傳熱阻實測值與設計值對比分析及差異分析

六種墻體試件的實測傳熱阻與其理論設計值的對比如圖8所示，實測傳熱阻均略低于其理論設計值。

圖8 設計傳熱阻與實測傳熱阻分布

由對比分析可知，填充EPS白板的墻體傳熱阻實測值與設計值相差最大，填充EPS灰板和XPS板的墻體出現(xiàn)的差異較小。排除保溫材料本身質(zhì)量好壞的因素外，可判定EPS白板出現(xiàn)的差異影響較大，EPS灰板與XPS板墻體的實測值與設計值較吻合，選這兩種材料作為填充保溫層墻體的保溫效果比較接近理想狀態(tài)。根據(jù)造價和導熱系數(shù)進一步分析，XPS板的經(jīng)濟性不如EPS灰板，所以在原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)噴涂式環(huán)保墻體的推廣過程中，優(yōu)選EPS灰板作為內(nèi)部填充材料。

3.5 填充石墨聚苯板材料(EPS)的墻體最佳保溫厚度分析

圖9為原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)墻體的傳熱系數(shù)隨填充EPS灰板厚度不同而變化的分布，填充65，75，95 mm厚EPS灰板墻體的實測傳熱系數(shù)分別為0.6，0.483，0.382 W/(m2·K)。填充95 mm厚EPS灰板的墻體可以滿足寒冷地區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑外墻K≤0.45 W/(m2·K)的要求，此時試件的整體厚度為175 mm；填充75 mm厚EPS灰板的墻體可以滿足寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑屋頂K≤0.5 W/(m2·K)的要求，此時試件的整體厚度為155 mm；填充65 mm厚EPS灰板的墻體可以滿足寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑外墻K≤0.65 W/(m2·K)的要求，此時試件的整體厚度為145 mm。

圖9 填充EPS灰板的墻體實測傳熱系數(shù)-厚度曲線

由圖9實測傳熱系數(shù)的趨勢線可推測出，在滿足寒冷地區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑屋頂、外墻傳熱系數(shù)K分別小于或等于0.3，0.45 W/(m2·K)的前提下，填充EPS灰板的最優(yōu)厚度分別約為100，80 mm，此時墻體厚度分別為180，160 mm。在滿足寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑屋頂、外墻傳熱系數(shù)K分別小于或等于0.5，0.65 W/(m2·K)的前提下，填充EPS灰板的最優(yōu)厚度分別約為75，60 mm，此時墻體厚度分別為155，140 mm。

設計值和實測值的偏差有一部分可以通過對墻體的施工嚴格把控來避免：竹材要經(jīng)過特殊處理，使含水率降到標準之下[9]；原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)部填充的保溫材料從正規(guī)廠家選購；為了減弱熱橋效應，外鋪的鋼絲網(wǎng)可以替換為高強度的纖維網(wǎng)格布，原竹骨架與保溫板之間的縫隙用保溫砂漿填充密實；保溫砂漿制備嚴格按照比添加材料，且攪拌均勻，澆筑厚度按設計尺寸控制好，養(yǎng)護條件應達到規(guī)范標準[10～12]。

3.6 實際工程中墻體材料的選用及構(gòu)造

雖然本次試驗中，原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)墻體試件的傳熱系數(shù)均低于其理論設計值，本文根據(jù)實驗值反推滿足不同的節(jié)能設計標準，在實際工程中能合理選用填充不同保溫材料的集中墻體做法(在此處舍棄填充EPS白板和不滿足規(guī)范要求的試件)。

由表5可知，試件三和試件六均滿足寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑外墻傳熱系數(shù)K≤0.65 W/(m2·K)的要求，根據(jù)示范項目的實際需要，可合理選用。試件二滿足寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑屋頂傳熱系數(shù)K≤0.50 W/(m2·K)的要求，試件四滿足寒冷地區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑外墻傳熱系數(shù)K≤0.45 W/(m2·K)的要求，可根據(jù)其項目工程的建造地點合理選用。

根據(jù)前文對EPS板最優(yōu)厚度的估算，在此選用EPS灰板作為保溫材料墻體滿足不同規(guī)范的參考厚度給實際工程作參考，如表6。相應的構(gòu)造以155 mm厚墻體為例，如圖10。

表5 滿足不同節(jié)能標準的層次做法

表6 填充EPS灰板滿足不同規(guī)范要求的參考厚度

圖10 155 mm厚墻體構(gòu)造/mm

考慮到XPS板的經(jīng)濟性相對較低，又由于試驗條件、經(jīng)費的原因，本文未對填充不同厚度XPS板的墻體做全面的分析，只能推測出需滿足寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑屋頂傳熱系數(shù)K≤0.50 W/(m2·K)要求的最優(yōu)厚度約為65～70 mm。雖然EPS板相對更經(jīng)濟、更適合推廣，不過XPS板在抗壓、耐濕方面較有優(yōu)勢，在地下墻體和屋面的設計時可考慮用XPS板。

4 結(jié) 語

本研究參照《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設計標準》和《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》對外墻傳熱系數(shù)的要求，根據(jù)傳熱學基本原理，設計出6種不同材料不同厚度的墻體，并結(jié)合墻體傳熱實驗進行論證。優(yōu)選石墨聚苯板(EPS灰板)和擠塑聚苯板(XPS板)作為原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)部的填充材料。

本文綜合考慮保溫性能和經(jīng)濟性選用EPS灰板作為該墻體的推廣優(yōu)選材料。根據(jù)三個EPS灰板墻體試件的測試數(shù)據(jù)反推驗證，原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)墻體滿足寒冷地區(qū)外墻傳熱系數(shù)K≤0.45 W/(m2·K)的前提下，填充石墨聚苯板的最優(yōu)厚度為80 mm，整個墻體的最優(yōu)厚度為160 mm；滿足寒冷地區(qū)屋頂傳熱系數(shù)K≤0.35 W/(m2·K)的前提下，填充石墨聚苯板的最優(yōu)厚度為100 mm，整個墻體的最優(yōu)厚度為180 mm。并對試件進行了優(yōu)化，為實際工程使用原竹龍骨組合結(jié)構(gòu)墻體提供了一個范例以及最優(yōu)厚度的參考。