新型復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件實(shí)驗(yàn)研究與模擬分析

郭媛媛，李洪強(qiáng)，2，3，高星，劉麗芳

（1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410082；3.國家級(jí)建筑安全與環(huán)境國際聯(lián)合研究中心，湖南 長沙 410082；4.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

裝配式建筑采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理、智能化應(yīng)用，是建筑行業(yè)發(fā)展的一大趨勢(shì)[1]。但是由于特殊構(gòu)造方式，裝配式建筑各構(gòu)件銜接處更易出現(xiàn)冷熱橋現(xiàn)象。冷熱橋的存在不但導(dǎo)致熱量集中散失，還可能引起結(jié)露，產(chǎn)生霉菌，甚至破壞建筑結(jié)構(gòu)，影響墻體的熱工性能[2-3]，如何減輕冷熱橋的影響對(duì)裝配式建筑的發(fā)展至關(guān)重要。

針對(duì)裝配式建筑冷熱橋問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者展開了研究。Ge H等[4]針對(duì)陽臺(tái)板冷熱橋問題，改變樓板與陽臺(tái)構(gòu)造，引入一個(gè)由EPS模塊組成的陽臺(tái)隔熱板，可有效減少陽臺(tái)板的傳熱，地面最低溫度從6.1℃提高到12.5℃，供暖能耗降低5%～13%。Erdem Cuce等[5]針對(duì)住宅冷熱橋問題，對(duì)建筑內(nèi)部進(jìn)行超保溫改造，在內(nèi)墻上設(shè)置20 mm厚的氣凝膠覆蓋層，結(jié)果表明,僅內(nèi)部改造并不是減少住宅建筑熱損失的有效方案，墻體熱流從0.66 W/m2升至5.86 W/m2。Adriano等[6]對(duì)巴西輕鋼框架建筑的圍護(hù)構(gòu)件冷熱橋進(jìn)行數(shù)值模擬分析，與非金屬結(jié)構(gòu)相比，加入內(nèi)部金屬框架時(shí)峰值熱負(fù)荷增加了約10%，每年能源使用增加約5%。

對(duì)于裝配式建筑，大量結(jié)構(gòu)接縫處冷熱橋帶來的建筑冷熱損耗是不容忽視的，應(yīng)該采取特殊措施解決。Oh J M等[7]針對(duì)金屬幕墻接縫處冷熱橋，在金屬面板與支架的連接處，提出采用導(dǎo)熱系數(shù)更低的塑料框架替代金屬框架，結(jié)果表明，替代版金屬幕墻導(dǎo)熱系數(shù)降低了72%，可有效減少金屬板連接處熱損失。Stefano等[8]發(fā)現(xiàn)，建筑接縫處冷熱橋不僅有熱損失且容易滋生霉菌，對(duì)建筑冷熱橋內(nèi)側(cè)進(jìn)行絕熱處理，涂覆保溫底漆，在提升保溫隔熱性能的同時(shí)，還可有效抑制霉菌生長。

綜上所述，出于保溫隔熱和降低能耗的考慮，一般采用結(jié)構(gòu)保溫、構(gòu)造設(shè)計(jì)、替代導(dǎo)熱系數(shù)大的材料等方式降低冷熱橋?qū)ㄖ峁ば阅艿挠绊懀ǔＰ韪鶕?jù)建筑實(shí)際情況提供改造方案，不易推廣應(yīng)用。本研究在前期工作中，探索了農(nóng)林廢棄物制備建筑保溫材料的可行性[9-11]，該種新型生物質(zhì)基復(fù)合保溫材料具有良好的防火阻燃性、絕熱性以及高力學(xué)強(qiáng)度等性能。在本研究中，將該種材料作為基礎(chǔ)材料，并通過復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探索其作為建筑冷熱橋絕熱構(gòu)件的可行性。

1 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件設(shè)計(jì)與研究方法

1.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件設(shè)計(jì)

復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件的構(gòu)造如圖1所示。構(gòu)件為均質(zhì)直角構(gòu)件，置于樓板與外墻銜接處，起到局部保溫隔熱的作用，可設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件或外部構(gòu)件。構(gòu)件的結(jié)構(gòu)組成從外到內(nèi)有3層（見圖2），分別為粘結(jié)層、防水層和基礎(chǔ)材料。此外還有1層表面保護(hù)膜，在實(shí)際施工過程中去除。

圖1 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件結(jié)構(gòu)組成

圖2 樓板與外墻銜接處冷熱橋節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

1.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件多目標(biāo)性能研究

復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件用于解決裝配式建筑樓板與外墻銜接處的冷熱橋問題，基礎(chǔ)材料本身具有良好的熱工性能和力學(xué)性能[9-10]。為滿足構(gòu)件應(yīng)用環(huán)境的各種要求，本文主要研究了構(gòu)件的防水性能、防潮性能、粘結(jié)性能及絕熱性能。

1.2.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件的防水與防潮性能

復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件會(huì)與潮濕空氣或水直接接觸，從而影響其絕熱性能，因此需進(jìn)行防水處理。防水處理方法分為表面防水和內(nèi)摻防水[11]，內(nèi)摻防水對(duì)基礎(chǔ)材料的性能及固化效果有一定影響，因此在研究選擇外加防水層的表面防水增強(qiáng)方式。

在制備好的基礎(chǔ)材料試樣表面涂覆防水劑，常溫常壓下靜置48 h，使構(gòu)件表面形成防水層。涂刷時(shí)用細(xì)毛刷縱橫交錯(cuò)涂于基材表面，噴涂時(shí)均勻噴灑，浸漬時(shí)將基材完全沒于防水劑中2 h以上，使防水劑充分滲透。

對(duì)試樣進(jìn)行防水和防潮性能測(cè)試，探究防水劑種類、表面處理方式及防水層涂覆次數(shù)對(duì)構(gòu)件防水與防潮性能的影響，用吸水率R1和吸濕率R2表征，試樣編號(hào)及處理見表1。

表1 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件防水與防潮性能測(cè)試試樣處理

式中：R1——吸水率，%；

Mw——試樣吸水后的質(zhì)量，g；

Md1——防水測(cè)試中試樣干燥時(shí)的質(zhì)量，g。

式中：R2——吸濕率，%；

Mm——試樣吸濕后的質(zhì)量，g；

Md2——防潮測(cè)試中試樣干燥時(shí)的質(zhì)量，g。

1.2.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件的粘結(jié)性能

復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件無需承壓，與外墻和樓板的連接方式可采用膠粘連接，與其他連接（鉚接、螺接等）方式形成的接頭相比，膠接接頭應(yīng)力分布均勻，可連接不同材質(zhì)構(gòu)件，并且可避免零星冷熱橋的產(chǎn)生，操作相對(duì)簡單。

對(duì)試樣進(jìn)行粘結(jié)性能測(cè)試，粘結(jié)層采用常見的環(huán)氧樹脂膠粘劑，將構(gòu)件與混凝土材料粘結(jié)，用萬能拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行膠層剪切強(qiáng)度τ測(cè)試：

式中：τ——剪切強(qiáng)度，MPa；

Fmax——試樣破壞時(shí)的最大載荷，N；

S——剪切面積，mm2。

1.2.3 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件的絕熱性能

復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的絕熱性能存在差異，同時(shí)為探究構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)絕熱性能的影響，本研究建立外墻與樓板銜接處冷熱橋節(jié)點(diǎn)模型，采用fluent進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱模擬，分析冷熱橋影響區(qū)域的溫度場(chǎng)。

2 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件實(shí)驗(yàn)研究

2.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與流程

2.1.1 防水性能測(cè)試

測(cè)量試樣外加防水層后吸水率隨吸水時(shí)間的變化情況，連續(xù)記錄72 h。將涂覆防水劑的試樣置于干燥箱中105℃烘干4 h，稱量試樣干燥時(shí)的質(zhì)量Md1；將試樣浸在裝有水的燒杯中靜置，如圖3所示。測(cè)量時(shí)將試樣移出，用吸水紙擦拭表面水分，無殘余水分后立即稱量試樣吸水后的質(zhì)量Mw。

圖3 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件防水性能測(cè)試

2.1.2 防潮性能測(cè)試

測(cè)量試樣外加防水層后的吸濕率。將涂覆防水劑的試樣置于干燥箱中105℃烘干4 h，稱量試樣干燥時(shí)的質(zhì)量Md2；將試樣放入接近100%相對(duì)濕度的含水密封玻璃器皿中，如圖4所示。每隔24 h稱重，直到連續(xù)3個(gè)試樣的質(zhì)量變化小于總質(zhì)量的0.1%，可視為達(dá)到恒重，然后記錄試樣的吸濕后的質(zhì)量Mm。

圖4 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件防潮性能測(cè)試

2.1.3 粘結(jié)性能測(cè)試

測(cè)量試樣外加粘結(jié)層后的粘結(jié)性能。將構(gòu)件與混凝土材料粘結(jié)，膠粘劑固化后用萬能拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行膠層剪切強(qiáng)度的測(cè)試，勻速施加載荷，速度為5 mm/min，記錄試樣破壞時(shí)的載荷Fmax，根據(jù)式（3）計(jì)算剪切強(qiáng)度τ。

2.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.2.1 防水與防潮性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件防水與防潮性能測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。

表2 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件的防水性能

表3 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件防潮性能

由表2、表3可見，與無防水層的1#試樣相比，外加防水覆層的試樣吸水率明顯降低，其中采用有機(jī)硅防水劑的2#試樣效果最好，吸水率較1#試樣降低了13.88個(gè)百分點(diǎn)。這是由于基礎(chǔ)材料的偏高嶺土中含二氧化硅，制備過程中與堿反應(yīng)生成硅酸鹽，有機(jī)硅防水劑的活性成分可與硅酸鹽表面的羥基等活性基團(tuán)反應(yīng)，形成網(wǎng)狀防水膜層，從而具有較好的防水性。不同表面處理方式中，涂刷效果最好，比噴涂更加均勻，比浸漬滲透效果更好。而涂刷次數(shù)越多，防水效果越好，涂刷4次防水劑的7#試樣吸水率僅為18.54%，相比涂刷1次的5#試樣，吸水率降低了13.65個(gè)百分點(diǎn)。同樣，無防水覆層的1#試樣吸濕率為6.99%，7#試樣吸濕率最小，為2.12%，相比1#試樣降低了4.87個(gè)百分點(diǎn)，該試樣采用有機(jī)硅防水劑的防水層，表面采用涂刷方式涂刷4次。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，防水層建議選擇有機(jī)硅防水劑，采用涂刷的表面處理方式，協(xié)同考慮工程防水等級(jí)要求以及經(jīng)濟(jì)成本，從而確定涂刷次數(shù)，建議為2次。

2.2.2 粘結(jié)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件粘結(jié)性能試驗(yàn)如圖5所示，施加一定載荷后，試樣在構(gòu)件與混凝土材料的膠接處破壞。試樣膠層的剪切強(qiáng)度見表4。

圖5 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件粘結(jié)性能試驗(yàn)

表4 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件剪切強(qiáng)度值

由表4可見，在測(cè)試的8個(gè)試樣中，剪切強(qiáng)度最小為0.198 MPa，最大為0.536 MPa，均大于常用保溫材料0.10 MPa的要求。

3 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件應(yīng)用場(chǎng)景模擬分析

3.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件應(yīng)用場(chǎng)景建模

建立裝配式建筑樓板與外墻銜接處冷熱橋節(jié)點(diǎn)的傳熱模型，樓板與外墻的位置關(guān)系為齊平式構(gòu)造，采用預(yù)制輕質(zhì)板材，其中樓板采用鋼骨架輕型板，外墻采用蒸壓加氣混凝土板[12]。樓板、外墻板材及復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件性能參數(shù)如表5所示。根據(jù)規(guī)范，以長沙市為例，室內(nèi)和室外設(shè)計(jì)溫度分別設(shè)定為20℃和-1.9℃，外墻內(nèi)外表面換熱系數(shù)分別為8.7 W/（m2·K）和23.0 W/（m2·K）[13-14。

表5 樓板、外墻板材及復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件性能

3.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件應(yīng)用場(chǎng)景模擬結(jié)果與討論

3.2.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件不同應(yīng)用場(chǎng)景下的絕熱性能

針對(duì)外墻與樓板銜接處冷熱橋節(jié)點(diǎn)不設(shè)置構(gòu)件、設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件和設(shè)置外部構(gòu)件這3種應(yīng)用場(chǎng)景，分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱模擬分析，如圖6所示。

圖6 不同應(yīng)用場(chǎng)景下外墻內(nèi)表面溫度變化

由圖6可以看出，外墻與構(gòu)造銜接處距離大于300 mm后，內(nèi)表面溫度保持穩(wěn)定，說明該模擬狀況下冷熱橋影響區(qū)域?yàn)?～300 mm，因此后文主要討論構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)該區(qū)域溫度的影響。不設(shè)置構(gòu)件時(shí)，外墻內(nèi)表面溫度穩(wěn)定時(shí)為14.4℃，冷熱橋影響區(qū)域最低溫度為11.9℃。冬季工況下室內(nèi)溫度20℃，相對(duì)濕度60%，可得露點(diǎn)溫度為12℃，此時(shí)室內(nèi)可能出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件和外部構(gòu)件后，外墻內(nèi)表面溫度明顯升高，說明構(gòu)件在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中具有良好的絕熱性能，可有效減少外墻與樓板銜接處冷熱橋產(chǎn)生的熱量散失，提高外墻內(nèi)表面溫度，避免出現(xiàn)結(jié)露甚至發(fā)霉的問題，保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)。

3.2.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件關(guān)鍵參數(shù)影響特性分析

模擬復(fù)合結(jié)構(gòu)冷熱橋絕熱構(gòu)件在不同寬度和厚度下的傳熱情況，設(shè)置構(gòu)件時(shí)，建議寬厚比大于2，其中構(gòu)件寬度在400 mm以內(nèi)，厚度在30 mm以內(nèi)，模擬結(jié)果如圖7、圖8所示。虛線為不設(shè)置構(gòu)件時(shí)的外墻內(nèi)表面穩(wěn)定溫度，若要削弱樓板與外墻銜接處冷熱橋影響，應(yīng)使冷熱橋影響區(qū)域溫度在露點(diǎn)溫度12℃之上，且在虛線附近最佳，即達(dá)到外墻內(nèi)表面穩(wěn)定溫度。冷熱橋影響區(qū)域溫度取其最低溫度。

圖7 設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件時(shí)不同構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)下冷熱橋影響區(qū)域溫度

圖8 設(shè)置外部構(gòu)件時(shí)不同構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)下冷熱橋影響區(qū)域溫度

由圖7可見，設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件時(shí)，寬度越小、厚度越大，冷熱橋影響區(qū)域溫度越高。當(dāng)內(nèi)部構(gòu)件厚度為10 mm時(shí)，冷熱橋影響區(qū)域溫度均低于14.4℃，因此不適宜采用10 mm厚度以下的內(nèi)部構(gòu)件。

由圖8可見，設(shè)置外部構(gòu)件時(shí)，冷熱橋影響區(qū)域溫度隨著構(gòu)件寬度的增大先升高后降低，在模擬案例中，寬度為300 mm時(shí)最高。構(gòu)件厚度越大，冷熱橋影響區(qū)域溫度越高。外部構(gòu)件厚度為20 mm時(shí)，冷熱橋影響區(qū)域溫度均低于14.4℃，因此不適宜采用20 mm厚度以下的外部構(gòu)件。

綜上，不同構(gòu)件參數(shù)下的絕熱性能存在差異，實(shí)際應(yīng)用中協(xié)調(diào)考慮耗材，選擇寬度與厚度更小的構(gòu)件。在模擬案例中，可選擇寬度為40 mm、厚度為15 mm的內(nèi)部構(gòu)件或?qū)挾葹?00 mm、厚度為30 mm的外部構(gòu)件。

4 結(jié)論

（1）外表面防水覆層處理后，構(gòu)件的防水和防潮性能明顯提升，構(gòu)件的吸水率從35.66%最低降至18.54%，吸濕率從6.99%最低降至2.12%。相對(duì)于其它種類防水劑，有機(jī)硅防水劑和涂刷的表面處理方式效果最佳，建議至少涂刷2次。

（2）外表面采用粘結(jié)層處理后，構(gòu)件與混凝土材料有較強(qiáng)的粘結(jié)力，在測(cè)試的試樣中，粘結(jié)層的剪切強(qiáng)度最大可達(dá)0.536 MPa。

（3）構(gòu)件在不同應(yīng)用場(chǎng)景下均具有良好的絕熱性能，可有效減輕外墻與樓板銜接處的冷熱橋現(xiàn)象，使熱橋影響區(qū)域溫度達(dá)到外墻內(nèi)表面穩(wěn)定時(shí)溫度。