川西高海拔地區(qū)夯土建筑墻體保溫性能優(yōu)化研究

王 亮 宋美艷

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

川西高海拔地區(qū)屬于高原山地氣候，冬季氣溫低、霜雪多、室內(nèi)寒冷，幾乎所有民居都是采用火塘或暖墻的方式取暖，這就導(dǎo)致了室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量下降。目前，民居墻體保溫性能無(wú)法滿足冬天人們對(duì)房屋保暖、防寒性的要求。因此，對(duì)川西高海拔地區(qū)傳統(tǒng)村落民居墻體保溫性能的優(yōu)化研究，對(duì)當(dāng)?shù)匾约跋嗨茥l件地域新建傳統(tǒng)村落和改善人居環(huán)境來(lái)說(shuō)顯得尤為必要。

傳統(tǒng)夯土民居以未經(jīng)焙燒的原狀土為主要建筑原材料，以層層夯實(shí)的生土墻體為主要承重結(jié)構(gòu)，通常就地取材，所取的原狀土無(wú)需燒制，直接拌和夯筑，建造過(guò)程中，每層夯土之間難免存在間隙，墻體的整體性較差[1]。為了改良夯土建筑墻體，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。尚建麗等[2]通過(guò)大量試驗(yàn)對(duì)夯土建筑所用材料——粗粒土的性質(zhì)進(jìn)行了研究，得出夯實(shí)粗粒土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著夯實(shí)密度的減小而減小，隨著含水率的增加而增加。石堅(jiān)等[3]通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)和軸向抗壓試驗(yàn)得出，作為夯土建筑的土料，麥秸土有較好的抗剪抗壓工程特性，且可就地取材，造價(jià)低廉，施工簡(jiǎn)單。夯土比其他大多數(shù)建筑材料具有環(huán)境優(yōu)勢(shì)，Burroughs[4]對(duì)夯土的選土、穩(wěn)定劑的添加等提出了可行性建議，目的是探討建造出符合或超過(guò)2 MPa抗壓強(qiáng)度的夯土墻的可能性。鄭龍等[5]采用人工夯土墻植入硅半導(dǎo)體傳感器的方式進(jìn)行溫度檢測(cè)，得出在墻體內(nèi)部靠近西表面處的變化比其他墻體內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的溫度變化更為劇烈，且從墻體表面向墻體中心有明顯梯度變化。Paul等[6]以一夯土房屋為例，采用聚合物來(lái)穩(wěn)定地基，主要成分是瀝青乳液，在滿足支撐建筑和防止潮氣的同時(shí)，也減少CO2的排放，觀測(cè)表明地基令人滿意，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)沉降或開(kāi)裂。Nowamooz等[7]論述了墻體材料含水量對(duì)夯土強(qiáng)度的影響，提出了一種基于彈塑性框架的有限元模型，通過(guò)水壓試驗(yàn)確定了不同模型的參數(shù)，得出夯土墻比混凝土墻更靈活，干墻比濕墻更穩(wěn)定，不增塑。王培清等[8]通過(guò)對(duì)西藏林芝地區(qū)覺(jué)木村兩戶居民住宅的溫度、濕度、照度及風(fēng)速的測(cè)試分析，得出由石塊、土坯磚、泥漿等建成的傳統(tǒng)民居保溫隔熱性能優(yōu)于現(xiàn)代式建筑材料砌塊，并且可以保護(hù)傳統(tǒng)民居的建筑特色。劉盛等[9]以湘西傳統(tǒng)民居的典型代表“吞口屋”為研究對(duì)象，分析了湘西傳統(tǒng)民居的室內(nèi)熱環(huán)境狀況，并利用全年動(dòng)態(tài)能耗模擬軟件和計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行能耗和自然通風(fēng)分析，得出外墻改造使用10 mm聚氨酯保溫板的“呼吸式”杉木墻體可以有效提高墻體隔熱保溫效果。劉成琳[10]通過(guò)對(duì)新型夯土建筑居民室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出新型夯土民居的耗熱量指標(biāo)比傳統(tǒng)夯土民居低了39%，比傳統(tǒng)磚混民居低了44%，降幅明顯，表明新型夯土民居的熱工性能相對(duì)于當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居有了顯著提升。吳徹平等[11]發(fā)現(xiàn)在墻體中加入膠粉聚苯顆?？梢愿纳茐w的保溫性能。前人對(duì)墻體的保溫隔熱性能、抗壓性能以及室內(nèi)熱環(huán)境等進(jìn)行了研究，但對(duì)于改善夯土墻體的保溫性能等研究還不夠深入。

由于川西高海拔地區(qū)傳統(tǒng)村落的土壤基質(zhì)好，堅(jiān)硬黏結(jié)，顆粒穩(wěn)定性好，因此，本文考慮利用當(dāng)?shù)仞ね?，在其中加入不同類型不同配比的保溫材料，研究其保溫性能的變化?guī)律。為了防止在加入保溫材料后墻體的抗壓性能降低，考慮在黏土中加入塑料纖維，并與改良前的原土建筑進(jìn)行能耗對(duì)比，獲得最佳的復(fù)合材料配比，為川西高海拔地區(qū)傳統(tǒng)村落夯土建筑墻體材料的選用提供決策參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

建筑墻體材料是室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行熱交換的主要途徑，其導(dǎo)熱性能和穩(wěn)定性能是重要的參數(shù)。因此，通過(guò)在原土中加入具有保溫性能的膠粉顆粒和聚苯顆粒以及有一定抗壓性能的塑料纖維顆粒，研究混合后的墻體材料保溫性能。

(1)利用現(xiàn)有原土，分別加入2%，4%，6%，8%，10%的聚苯顆粒、膠粉聚苯顆粒和塑料纖維膠粉聚苯顆粒，混合均勻。(2)放入100 mm×100 mm×50 mm 的砌塊模型夯實(shí)，風(fēng)干一個(gè)月。(3)取出砌塊，進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)以及抗壓強(qiáng)度測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)砌塊性能測(cè)定

2.1 保溫性能測(cè)定

在材料設(shè)置上，考慮了聚苯顆粒組、膠粉聚苯顆粒組和塑料纖維膠粉聚苯顆粒組3個(gè)組別(下文中分別簡(jiǎn)稱為“聚苯組”、“膠粉聚苯組”和“纖維膠粉聚苯組”)，并與原土材料進(jìn)行對(duì)比。待砌塊放置至完全風(fēng)干狀態(tài)以后，利用TPMBE建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè)設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)砌塊進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定，并得到各個(gè)組別的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比圖，如圖1、圖2所示。

圖1 聚苯組導(dǎo)熱系數(shù)圖Fig.1 Heat transfer coefficient of polystyrene group

圖2 膠粉聚苯組導(dǎo)熱系數(shù)圖Fig.2 Heat transfer coefficient of rubber powder polyphenyl group

通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)：聚苯組和膠粉聚苯組的導(dǎo)熱系數(shù)均隨著添加比例的增加而降低，表明兩者均具有良好的保溫隔熱性能。當(dāng)添加比例為2% 時(shí)，聚苯組和膠粉聚苯組的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.15 W·m-1·K-1和1.03 W·m-1·K-1，相比原土的下降幅度最大，分別達(dá)到0.19 W·m-1·K-1和0.31 W·m-1·K-1。添加比例增大一倍時(shí)，兩組對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)降幅分別為0.37 W·m-1·K-1和0.49 W·m-1·K-1，沒(méi)有達(dá)到導(dǎo)熱系數(shù)再降低一倍的效果。添加比例為6%時(shí)，聚苯組的導(dǎo)熱系數(shù)相比原土下降了0.49 W·m-1·K-1，膠粉聚苯組相比原土下降了0.57 W·m-1·K-1。當(dāng)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的添加比例大于6%后，導(dǎo)熱系數(shù)下降的趨勢(shì)均有所減緩，基本趨于穩(wěn)定值，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)砌塊中的保溫材料添加比例此時(shí)已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，再增加用量其效果增加已經(jīng)不再顯著。

膠粉聚苯組的導(dǎo)熱系數(shù)整體比聚苯組小，表明添加了膠粉聚苯顆粒的實(shí)驗(yàn)砌塊在導(dǎo)熱系數(shù)的改進(jìn)方面要優(yōu)于只添加了聚苯顆粒的實(shí)驗(yàn)砌塊，也即保溫隔熱性能相對(duì)更好。

通過(guò)對(duì)比得出，膠粉聚苯組的保溫隔熱性能相對(duì)更好，為了防止加入保溫材料后砌塊的抗壓性能降低，以膠粉聚苯顆粒和塑料纖維1∶1的比例與原土混合，得到添加比例分別為2%，4%，6%，8%和10%的塑料纖維膠粉聚苯顆粒實(shí)驗(yàn)砌塊，并測(cè)定其導(dǎo)熱系數(shù)，如圖3所示。

圖3 纖維膠粉聚苯組導(dǎo)熱系數(shù)圖Fig.3 Heat transfer coefficient ofpolyphenyl group of fiber rubber powder

結(jié)果表明，纖維膠粉聚苯組的導(dǎo)熱系數(shù)相比原土下降幅度也較大，具有良好的保溫隔熱性能。當(dāng)添加比例為6% 時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)下降了0.65 W·m-1·K-1，同樣在添加比例大于6%后，導(dǎo)熱系數(shù)下降趨勢(shì)有所減緩。

值得注意的是，在膠粉聚苯顆粒中加入塑料纖維后，導(dǎo)熱系數(shù)整體降低，下降幅度大于膠粉聚苯組，表明塑料纖維不僅可以用來(lái)改善墻體的抗壓性能，也具有一定的保溫隔熱性能。如圖4所示，當(dāng)添加比例為2%時(shí)，膠粉聚苯組的導(dǎo)熱系數(shù)為1.03 W·m-1·K-1，纖維膠粉聚苯組的導(dǎo)熱系數(shù)為0.88 W·m-1·K-1，相比膠粉聚苯組降低了0.15 W·m-1·K-1，保溫隔熱性能增強(qiáng)了14.6%。添加比例增加一倍時(shí)，兩組的導(dǎo)熱系數(shù)降幅分別為0.49 W·m-1·K-1和0.60 W·m-1·K-1，兩者的降幅差值減小，為0.11 W·m-1·K-1，表明塑料纖維對(duì)墻體材料保溫隔熱性能的改善作用減弱。當(dāng)材料的添加比例大于6%后，兩組的導(dǎo)熱系數(shù)差值幾乎相等，降幅均為 0.07 W·m-1·K-1，保溫隔熱性能的改善效果趨于穩(wěn)定，說(shuō)明雖然塑料纖維有一定的保溫隔熱性能，但再增加用量其效果已經(jīng)不再明顯。

圖4 膠粉聚苯組與纖維膠粉聚苯組導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of thermal conductivity between rubber powder polybenzene and fiber rubber powder polybenzene group

2.2 抗壓性能測(cè)定

由于民居大多都是用夯土堆砌而成的，其抗壓性能普遍較差，而且在加入保溫材料后，必然會(huì)進(jìn)一步削弱墻體的抗壓性能。因此，在測(cè)定添加比例為6%的纖維膠粉聚苯實(shí)驗(yàn)砌塊具有良好的保溫隔熱性能基礎(chǔ)上，使用三軸抗壓強(qiáng)度儀對(duì)其抗壓性能進(jìn)行驗(yàn)證。分析發(fā)現(xiàn)，添加比例為6%的纖維膠粉聚苯砌塊抗壓強(qiáng)度為49.89 kN，相比原土增加了2.59 kN，盡管上升幅度比較小，但在一定程度上改善了墻體砌塊的抗壓性能。

綜上所述，夯土建筑墻體材料宜優(yōu)先選擇添加比例為6 %的纖維膠粉聚苯顆粒砌塊。

3 節(jié)能效益

根據(jù)上述導(dǎo)熱系數(shù)以及抗壓性能測(cè)定結(jié)果，利用DEST能耗模擬軟件，對(duì)川西高海拔地區(qū)傳統(tǒng)村落某夯土建筑能耗情況進(jìn)行研究。該建筑位于綿陽(yáng)市平武縣白馬藏族鄉(xiāng)，此地區(qū)屬于典型高寒冷低溫帶生態(tài)氣候區(qū)，海拔高、年平均氣溫低、晝夜溫差大。建筑坐南朝北，南向窗墻比設(shè)置為0.32，北向窗墻比設(shè)置為0.22，建筑平面圖如圖5所示。在能耗模擬中，將房屋的墻體設(shè)置為變量，通過(guò)改變?cè)搲w的組成成分，獲得其單位面積空調(diào)年能耗以及單位面積采暖年能耗，計(jì)算其節(jié)能率。

圖5 建筑平面圖Fig.5 Architectural plans

根據(jù)性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出添加比例為6%的塑料纖維膠粉聚苯顆粒墻體材料的保溫隔熱性能最好。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)能耗模擬軟件模擬此墻體材料的建筑能耗情況，得到該建筑單位面積空調(diào)年能耗和單位面積采暖年能耗如表1所示。

表1 不同墻體組分建筑能耗Table 1 Building energy consumption of different wall components

分析能耗模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，原土建筑單位面積能耗最高，加入保溫材料和塑料纖維后，可以有效降低建筑能耗。

在墻體原土材料中添加塑料纖維膠粉聚苯顆粒后，單位面積建筑能耗顯著降低。當(dāng)添加比例為2%時(shí)，單位面積空調(diào)年能耗為23.78 kWh·m-2，空調(diào)節(jié)能率為13.62%，單位面積采暖年能耗為179.21 kWh·m-2，采暖節(jié)能率為5.45%。隨著添加比例的增加，節(jié)能率先增大后減小，當(dāng)添加比例為6%時(shí)，節(jié)能率達(dá)到最大，單位面積空調(diào)節(jié)能率可達(dá)到35.89 %，單位面積采暖節(jié)能率可達(dá)到8.86%。

綜上所述，當(dāng)墻體材料添加了6%的塑料纖維膠粉聚苯顆粒砌塊時(shí)，建筑單位面積能耗最小，更適合作為夯土建筑墻體的組成成分而廣泛使用。

4 結(jié)論

本文對(duì)不同組成成分的夯土砌塊進(jìn)行了保溫性能測(cè)定，并且利用能耗模擬軟件對(duì)不同墻體組分建筑能耗進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：(1)相較于原土，塑料纖維膠粉聚苯顆粒砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)下降幅度最大，添加比例為6%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)下降了0.65 W·m-1·K-1，保溫隔熱性能良好，塑料纖維也具有一定的保溫性能；(2)塑料纖維膠粉聚苯顆粒也具有良好的抗壓性能，在添加比例為6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加了2.59 kN，一定程度上促進(jìn)了墻體砌塊的抗壓性能；(3)添加比例為6%的塑料纖維膠粉聚苯顆粒的建筑單位面積能耗最小，單位面積空調(diào)節(jié)能率可達(dá)35.89%，單位面積采暖節(jié)能率可達(dá)8.86%；(4)綜合考慮墻體的保溫性能、抗壓性能以及單位面積建筑能耗，對(duì)于川西高海拔地區(qū)傳統(tǒng)村落保護(hù)，夯土建筑墻體選用添加6%的塑料纖維膠粉聚苯顆粒效果最佳。