新型墻體填充材料在輕鋼建筑中的應(yīng)用

李 想，郭雨鑫，張 欣，王 毅

(浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 臨安 311300)

0 引言

輕鋼結(jié)構(gòu)建筑布局靈活，整體建筑自重輕，空間利用率大，可以靈活滿足居住者的使用需求，符合農(nóng)村復(fù)雜多變的住房需求。但由于由輕鋼結(jié)構(gòu)的房屋墻體多為空心墻體，居民接受程度低，嚴(yán)重影響輕鋼結(jié)構(gòu)在民用住宅中的應(yīng)用與推廣。使用聚苯乙烯-石膏共混墻體填充材料作為輕鋼建筑的墻體填充材料，可以提高居民接受度，改善墻體的隔熱保溫效果，從而提高了居住舒適度。同時(shí)該墻體材料解決了工業(yè)廢料的處理問題，可回收再利用，在使用上相比傳統(tǒng)墻材更為綠色環(huán)保。輕鋼結(jié)構(gòu)建造堅(jiān)固耐久、易于改建、鋼材回收率為100%[1]等特點(diǎn)，將會(huì)成為新農(nóng)村建設(shè)及可持續(xù)發(fā)展的重要趨勢(shì)，是新型民用農(nóng)房改建的首選。伴隨著輕鋼建筑的推廣，聚苯乙烯-石膏共混墻體填充材料在輕鋼建筑中廣泛應(yīng)用，其各方面的性能也將隨之發(fā)展并逐步完善。

1 新型墻體填充材料的組成

聚苯乙烯-石膏共混墻體填充材料是由脫硫建筑石膏與聚苯乙烯顆粒，并添加適量性能外加劑混合而成。將1袋成品粉料(約40 kg)，加入適量清水，在機(jī)器中進(jìn)行攪拌約5 min，然后將聚苯顆粒輕骨料1桶(實(shí)驗(yàn)室計(jì)量用桶)倒入機(jī)器中攪拌約5 min成膏狀即可使用(粉料與EPS的配比為1∶1.4——體積比)。

1.1 脫硫建筑石膏

脫硫建筑石膏主要成分為二水硫酸鈣，雜質(zhì)成分簡單，含量少[2]，主要是火電廠、冶煉廠的工業(yè)副產(chǎn)品。近年來，脫硫石膏生產(chǎn)量連年上升，利用率卻呈下降趨勢(shì)，如圖1所示。在我國，目前對(duì)脫硫石膏的二次利用主要有兩大方面：制作石膏板以及用作水泥絮凝劑。具體使用途徑有：作為水泥的緩凝劑、制成建筑石膏、制備硫酸鈣晶須、制備防水塊或防火板、改良土壤等。二次利用的不足會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生過量的工業(yè)副產(chǎn)品，這不僅污染環(huán)境，還會(huì)造成大量空間浪費(fèi)。

聚苯乙烯-石膏共混墻體填充材料的主要成分之一是脫硫石膏，材質(zhì)環(huán)保。作為建筑墻體填充材料，既能解決環(huán)境污染的問題，又能節(jié)約資源，也可提高對(duì)我國脫硫石膏的綜合利用率，是實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫石膏的二次利用、“變廢為寶”的有效途徑。

1.2 聚苯乙烯泡沫(EPS)

聚苯乙烯泡沫是一種輕型高分子聚合物，具有密度小、重量輕、吸震減震、易成型及價(jià)格低等特點(diǎn)[3]。據(jù)調(diào)查可知，EPS制品使用當(dāng)年廢棄率通常在20%以上，5年廢棄率在50%以上。大量的廢棄聚苯乙烯泡沫由于其耐老化、抗腐蝕性能好等特點(diǎn)，不能自行降解，從而會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，也就是“白色污染”。而本產(chǎn)品是用回收再利用的EPS制品作為主要成分之一，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)副產(chǎn)品的二次利用，有助于減少“白色污染”[4-7]。EPS的加入可以增強(qiáng)墻體的隔熱、隔聲、防震、耐酸堿等性能，實(shí)現(xiàn)廢物再利用,不僅可以降低能源消耗，還可改善生活環(huán)境，降低建筑成本。

2 新型墻體填充材料的特點(diǎn)

聚苯乙烯-石膏共混墻體填充材料是一種綜合性能優(yōu)異的新型墻體填充材料。

該材料自重輕、強(qiáng)度高，固化成型后干密度為600 kg/m3，為普通砂漿的1/4，平均抗壓強(qiáng)度可達(dá)到2.5 MPa，基本達(dá)到普通混合砂漿的強(qiáng)度指標(biāo)。由于石膏具有微膨脹的性質(zhì)使得材料干縮率低，干燥成型后基本不收縮，無裂紋，抗裂性能優(yōu)異，保證了墻體的抗?jié)B性，減少后期維護(hù)。同時(shí)該墻材環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，與其他材料的結(jié)合度好，適用范圍廣。該材料工程成本低，由于產(chǎn)品自身容重小，使用材料少，附加荷載小，再加上施工成本低，使工程綜合成本遠(yuǎn)低于普通墻體材料，綜合經(jīng)濟(jì)效益明顯高于同類墻體填充材料。因此經(jīng)濟(jì)效益顯著，同時(shí)具有節(jié)能環(huán)保，施工便捷高效等特點(diǎn)。

從人居環(huán)境的健康舒適方面來說，該材料無毒、無放射性、環(huán)保，具有一定的溫濕度自調(diào)節(jié)性能。對(duì)于相同厚度的墻體，該材料構(gòu)筑的墻體隔聲性能與普通黏土磚墻相同，保溫性能優(yōu)于普通墻體。

3 新型墻材在輕鋼建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 保溫隔熱、防火、隔音性能好

聚苯乙烯泡沫顆粒保溫效果好，價(jià)格便宜。石膏是不燃材料，可以達(dá)到國家A級(jí)防火標(biāo)準(zhǔn)[8]，其導(dǎo)熱系數(shù)比水泥砂漿低(0.35對(duì)比0.87)。

目前市面上的石膏制品的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)一般在λ=0.35 W/(m·K)，查建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)表可得該當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)值約為水泥混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的25%，黏土磚的30%。而由聚苯乙烯-石膏共混墻體填充材料填充的墻體，經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)可得：400 mm×400 mm×80 mm的墻體，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.268 W/(m·K)，比一般石膏制品的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)低24%左右，如圖2所示。由此可知，在墻體厚度相同的情況下，該新型墻體的保溫隔熱性能優(yōu)于普通建筑材料制成的墻體，且相比于其他石膏制品，該新型墻材的使用效益更優(yōu)。適用于低層、多層輕鋼建筑的框架內(nèi)外墻的填充，也可用于高層鋼結(jié)構(gòu)建筑和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的內(nèi)外墻填充墻體及內(nèi)外墻保溫工程。

聚苯乙烯-石膏共混墻體填充材料作為輕鋼建筑的墻體填充材料同時(shí)也具有良好的隔聲性能。以隔墻為例，蒸壓加氣混凝土砌塊200 mm厚的隔墻通常隔聲量是48.4 dB；粉煤灰小型空心砌塊是50 dB。經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)，由聚苯乙烯-石膏共混墻體填充材料制成的墻體，106 mm的計(jì)權(quán)隔聲量達(dá)到40 dB，相當(dāng)于普通黏土磚墻240 mm的隔聲性能。

GB 50118—2010民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定：對(duì)于住宅分戶墻,為達(dá)到國家最低標(biāo)準(zhǔn)rw=40 dB的要求 ,單層隔墻至少需要100 kg/m2以上的面密度(面密度是每平方米墻體的質(zhì)量)。如果將墻體分成兩層或多層, 隔聲量會(huì)顯著提高。輕鋼建筑充分利用其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，達(dá)到良好的隔聲效果。對(duì)于120 mm厚的磚墻隔聲量從45 dB左右提高到50 dB以上需要質(zhì)量提高1倍，即需要240 mm磚墻。而對(duì)于75輕鋼龍骨雙面雙層12紙面石膏板隔墻而言，只需在腔體內(nèi)添加一層50 mm厚24 kg/m3的玻璃棉，計(jì)權(quán)隔聲量就從44 dB提高到 50 dB[9]。可知，墻體填充材料對(duì)于隔聲量的影響很大，該新型墻體填充材料吸聲性能良好，隔聲性能相對(duì)于普通墻體較好。

聚苯乙烯：石膏共混墻體填充材料所體現(xiàn)出來的良好的保溫隔聲性能，不僅可以使居住者避免受到外界噪聲的干擾 ,而且具有舒適的居住環(huán)境。同時(shí)在一定程度上相比于其他墻體填充材料節(jié)約了材料用量，擴(kuò)大了使用面積，節(jié)約了能源,符合建筑節(jié)能的要求。

3.2 提高人居環(huán)境舒適度

室內(nèi)環(huán)境舒適度與室內(nèi)環(huán)境的溫濕度及空間面積密切相關(guān)[10]。該新型墻材主材為脫硫石膏，成分單一，能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫濕度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，墻體干至絕對(duì)干燥后，再放置于RH=80%的室內(nèi)48 h后，質(zhì)量增加0.212%，材料中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%。由此可知，新型墻體材料可以吸收空氣中的部分水蒸氣，降低室內(nèi)空氣濕度。反之，則會(huì)釋放水分增加室內(nèi)濕度，是一種會(huì)“呼吸”的墻體材料。

從建筑物使用面積方面考慮，以國家住建部在浙江省設(shè)立的新型綠色農(nóng)宅示范性區(qū)的一座新建農(nóng)宅為例：該農(nóng)宅為3層單體建筑，占地面積109.68 m2，建筑面積287.82 m2。由聚苯乙烯-石膏墻體填充材料所制成的墻體(外墻墻體厚度為80 mm,內(nèi)墻墻體厚度為40 mm)，其厚度僅為普通建材(外墻墻體厚度為240 mm,內(nèi)墻墻體厚度為120 mm)的33.3%，大大減少了占地面積。相應(yīng)的，1層使用面積由93.12 m2增加到104.16 m2，2層使用面積由92.69 m2增加到104.2 m2，室內(nèi)使用面積共增加了22 m2，總體建筑面積利用率提高了7.9%，相當(dāng)于多出了一間小臥室或雜物間的空間，極大地提高了建筑的使用面積。如果不改變農(nóng)宅的空間布置，將極大提升原有功能區(qū)的活動(dòng)范圍，滿足居民對(duì)住宅舒適性要求。

3.3 施工便捷、經(jīng)濟(jì)效益高

在建筑施工方面，施工便捷高效。該新型墻材與輕鋼龍骨有較好的黏結(jié)力，界面結(jié)合完整，不開裂。作為墻體填充材料，能適配各種材質(zhì)的面層材料，適合機(jī)器噴涂作業(yè)，大量節(jié)省人工和時(shí)間成本。通過施工工藝的優(yōu)化及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)和綜合利用技術(shù)的創(chuàng)新，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一套普通三層民用住宅的輕鋼房屋建造時(shí)間平均不超過2個(gè)月。

從經(jīng)濟(jì)效益上考慮，該新型墻體填充材料的干密度僅為水泥砂漿的1/3，遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土的干密度。由于自身容重小，不僅使材料用量少，而且在地基開挖方面也能節(jié)省成本。再加上輕鋼結(jié)構(gòu)建筑施工成本低，使工程綜合成本遠(yuǎn)低于普通墻體材料，綜合經(jīng)濟(jì)效益明顯高于普通墻體材料。

3.4 綠色環(huán)?？芍貜?fù)使用

聚苯乙烯-石膏共混墻體填充材料的使用可以消耗掉大量的工業(yè)副產(chǎn)品。以一棟兩層，占地面積100 m2的輕鋼農(nóng)宅為例，內(nèi)外墻的墻體體積約為38 m3。若該農(nóng)宅使用本新型墻體填充材料，可消耗脫硫石膏約24 t，EPS泡沫約0.304 t，如表1所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)浙江省現(xiàn)有農(nóng)戶約15萬，若按一戶一棟使用本產(chǎn)品的輕鋼農(nóng)宅計(jì)算，共計(jì)可利用填充材料可達(dá)360萬t。

表1 一棟2層農(nóng)宅的墻體體積及耗材統(tǒng)計(jì)

該新型墻材在輕鋼建筑中可再次重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)脫硫石膏及聚苯乙烯泡沫的多次重復(fù)利用。拆除墻體時(shí)，輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)可直接拆除，若無嚴(yán)重銹蝕，鋼材回收率可達(dá)100%。該新型墻體填充材料在粉碎后，將石膏煅燒，可使其重新具有活性，脫硫石膏回收率也達(dá)到100%。分離得到的聚苯乙烯泡沫，采用高溫煅燒工藝，控制反應(yīng)溫度在300 ℃～500 ℃。加入少量催化劑，獲得的苯乙烯產(chǎn)率在60%～90%。最后提煉的剩余物可作為防水材料、化學(xué)原料和溶劑[11]。再次回收得到的EPS改性可用于制備抗沖PS塑料、涂料和膠黏劑、阻燃劑等材料。聚苯乙烯-石膏混合墻體填充材料可多次重復(fù)利用，符合綠色建筑的要求，促進(jìn)生態(tài)建筑可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

聚苯乙烯-石膏混合墻體填充材料作為一種新型綠色建材，不僅將工業(yè)副產(chǎn)品變廢為寶，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，而且也帶來更大經(jīng)濟(jì)效益。該新型綠色建材整體墻的研發(fā)、規(guī)模化生產(chǎn)以及廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用，有利于提高健康生態(tài)住宅的品質(zhì)，減少施工中濕作業(yè)，大幅度提高勞動(dòng)生產(chǎn)力，節(jié)約成本，推動(dòng)住宅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

在未來的建筑行業(yè)中，伴隨著輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的不斷推廣，該新型墻體材料也會(huì)得到進(jìn)一步的完善與發(fā)展，擁有更廣闊的發(fā)展空間，將逐步實(shí)現(xiàn)我國鋼結(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)的工業(yè)化、信息化、產(chǎn)業(yè)化和綠色化目標(biāo)[12]。在全面推進(jìn)裝配式建筑發(fā)展的大方向中，聚苯乙烯-石膏混合墻體填充材料的應(yīng)用將更為普遍。