聚苯乙烯-石膏墻體填充材料的傳熱性能分析

李宇翔，胡帥斌，張 欣，繆穎妍，王 毅

(浙江農(nóng)林大學風景園林與建筑學院，浙江 臨安 311300)

0 引言

鋼結構住宅與磚混結構住宅相比，其整體熱工性能不如做有外保溫的傳統(tǒng)磚混住宅。鋼結構住宅室內(nèi)熱環(huán)境受外環(huán)境影響劇烈，冬季，鋼結構住宅的室內(nèi)溫度低于磚混結構住宅；夏季，鋼結構住宅的室內(nèi)溫度高于磚混結構住宅。隨著室外溫度的變化，鋼結構住宅室內(nèi)的溫度起伏較大[1]。因此，需要一種建筑材料能對鋼結構住宅的保溫性能有較大的提高。聚苯乙烯-石膏墻體填充材料采用脫硫建筑石膏和聚苯乙烯顆粒，并添加適量性能外加劑混合制成。該新型材料自重小，強度高，具有優(yōu)良的隔聲隔振性能。它不僅適合于低層、高層輕鋼結構住宅的框架內(nèi)外墻填充，還可用于高層鋼結構建筑和鋼筋混凝土結構建筑的內(nèi)外墻填充以及內(nèi)外墻保溫工程，可以有效地增強鋼結構住宅的保溫系統(tǒng)。

1 新型墻體材料的特點

聚苯乙烯-石膏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。該新型墻體材料導熱系數(shù)低，僅為普通黏土磚的1/3，保溫隔熱性能遠優(yōu)于普通墻體。其主材為脫硫石膏，材質(zhì)環(huán)保，能在一定范圍內(nèi)通過“呼吸”調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫濕度來提高室內(nèi)環(huán)境舒適度。材料含有一定的石膏，具有微膨脹的性質(zhì)，因此在墻體施工干燥成型后基本不收縮、無裂紋，抗裂性能優(yōu)異，保證墻體的抗?jié)B性，減少后期維護。

聚苯乙烯-石膏墻體填充材料能與鋼材、木材、混凝土以及其他材料良好的結合，適應各種材質(zhì)的墻體邊框，適用范圍廣。該新型墻體材料適合機器噴涂，成型效果好，基本實現(xiàn)噴涂一次成型，施工效率高，工程成本低，綜合經(jīng)濟效益明顯高于普通墻體材料。其中在保溫隔熱性能方面表現(xiàn)尤為突出。

2 新型墻體材料保溫性能分析

2.1 新型墻體材料的傳熱性能分析

2.1.1 導熱系數(shù)

聚苯乙烯-石膏墻體填充材料按《墻體材料當量導熱系數(shù)測定方法》[2]要求，將材料制成規(guī)格為400 mm×400 mm×80 mm的填充體。將填充體安裝在試件框上，用密封膠將填充體與試件框四周密封并固定，室溫條件下養(yǎng)護24 h。啟動檢測裝置時，設定熱箱溫度為25 ℃，冷箱設定為-15 ℃，監(jiān)測各控溫點溫度變化，使冷箱、熱箱溫度維持穩(wěn)定。逐時測量得到熱箱和冷箱的空氣平均溫度每小時變化的絕對值分別不大于0.1 K和0.3 K,則表示傳熱過程已達到穩(wěn)定。在冷、熱箱的傳熱過程穩(wěn)定后，每30 min測定一次通過填充體的熱流量QT，共測6次，將6次取得的數(shù)據(jù)取平均值。隨后按規(guī)范要求，將被測式樣密封鑲嵌于填充體中心部位，重復上述操作。最后，每30 min采集一次通過填充體和式樣的熱流量QS，共采集6次，將6次取得的數(shù)據(jù)取平均值。最后計算得到聚苯乙烯-石膏墻體填充材料當量導熱系數(shù)為0.268 W/(m·K)。

2.1.2 傳熱系數(shù)

根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》[3]給出圍護結構的傳熱熱阻公式：

R0=Ri+R+Re。

以及圍護結構平壁傳熱系數(shù)公式：

可以計算得到冬季下120 mm厚的聚苯乙烯-石膏墻體填充材料傳熱系數(shù)理論值為2.23 W/(m2·K)。同時，通過實驗測得冬季下120 mm厚的聚苯乙烯-石膏墻體填充材料傳熱系數(shù)為2.26 W/(m2·K)。兩者比較結果見圖1。

由圖1可知，冬季下120 mm厚的聚苯乙烯-石膏墻體填充材料傳熱系數(shù)理論值與實驗測試值吻合良好，實驗數(shù)據(jù)較為可靠。同時，在實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，石膏與泡沫配合比和泡沫大小的差異性，對聚苯乙烯-石膏墻體填充材料的傳熱系數(shù)有著一定的影響。測得的具體數(shù)據(jù)見表1。其中，SE46與SE47的石膏與泡沫配合比不同，泡沫大小相同；SE46與SE50的石膏與泡沫配合比相同，泡沫大小不同。

表1 聚苯乙烯-石膏墻體填充材料以及同類材料的傳熱系數(shù) W/(m2·K)

由于固體物質(zhì)的導熱能力比空氣大得多，一般情況下，材料孔隙率越大，密度越小, 其傳熱系數(shù)就越小[4]。

由表1數(shù)據(jù)可知，在泡沫大小相同的情況下，石膏與泡沫的配合比越小，新型墻體材料單位體積中泡沫所占體積比重越大，密度越小，傳熱系數(shù)也越??；在石膏和泡沫配合比相同的情況下，泡沫越大，新型墻體材料的孔隙率越大，其傳熱系數(shù)越小。在實際工程應用中，可以根據(jù)實地氣候條件，在原有配合比的基礎上，適當?shù)卣{(diào)節(jié)石膏與泡沫的配合比或選用不同大小的泡沫，更好地滿足了實際需求，使新型墻體材料的適用范圍更加廣泛。

2.1.3 材料強度的影響

聚苯乙烯-石膏墻體填充材料強度分析，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 聚苯乙烯-石膏墻體填充材料相關強度 MPa

由表2可知，單位體積內(nèi)，SE47,SE50由于泡沫所占比重較多，導致聚苯乙烯-石膏墻體填充材料強度有所下降。鋼結構為主要承壓結構，本材料作為鋼結構住宅的墻體填充材料，力學強度可以滿足需求。在實際工程中根據(jù)實地氣候條件調(diào)節(jié)石膏與泡沫配合比時，應將泡沫對新型墻體材料強度的影響考慮其中。

2.2 新型墻體材料與常用墻體材料傳熱系數(shù)的比較分析

1)新型墻體材料與常用墻體材料相同傳熱系數(shù)下的墻體厚度比較。

由規(guī)范公式可得到建筑材料在相同傳熱系數(shù)下的墻體厚度計算公式：

以冬季下240 mm厚的鋼筋混凝土的傳熱系數(shù)值為基準，代入上式可計算得到幾種建筑材料在相同傳熱系數(shù)下的墻體厚度，見表3。

表3 建筑材料在相同傳熱系數(shù)下的墻體厚度

由表3數(shù)據(jù)可知，在相同的傳熱系數(shù)下，聚苯乙烯-石膏墻體填充材料所制成的墻體厚度約為灰砂磚砌體墻體厚度的1/4，不到鋼筋混凝土墻體厚度的1/6。在保證一定保溫效果的前提下，該新型材料所制成的墻體相較于其他三種建筑材料墻體，能節(jié)約較多的室內(nèi)空間，提高建筑空間使用面積。

2)新型墻體材料與常用墻體材料相同厚度下的墻體傳熱系數(shù)比較。

由規(guī)范公式計算得冬季下墻體厚度為120 mm幾種建筑材料的傳熱系數(shù)，見表4。

表4 建筑材料在相同厚度下墻體的傳熱系數(shù)

由表4數(shù)據(jù)可知，在相同厚度下，聚苯乙烯-石膏墻體填充材料所制成的墻體傳熱系數(shù)約為硅酸鹽磚砌體的1/2，不到鋼筋混凝土的2/5。在一定的使用空間前提下，該新型材料所制成的墻體的保溫性能優(yōu)于其他三種建筑墻體。

3 新型墻體材料在輕鋼結構中的應用

3.1 農(nóng)宅詳情

以國家住建部在浙江省設立的新型綠色農(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，地處夏熱冬冷地區(qū)，高9.9 m，層高3.4 m，占地面積109.68 m2，建筑面積287.82 m2。依據(jù)GB/T 50824—2013農(nóng)村居住建筑節(jié)能標準[5]，JGJ 134—2010夏熱冬冷地區(qū)居住節(jié)能設計標準[6]，CECS 332:2012農(nóng)村單體居住建筑節(jié)能設計標準[7]等規(guī)范標準和建筑實際情況設置墻體參數(shù)。

3.2 保溫隔熱性能分析

框架結構與輕鋼結構在相同墻體厚度下的保溫隔熱性能比較。在墻體厚度相同的情況下，對框架結構和輕鋼建筑的墻體保溫隔熱性能進行對比，具體情況如表5所示。

表5 墻體材料保溫隔熱性能對比

通過分析表5數(shù)據(jù)可知，采用聚苯乙烯-石膏墻體填充材料所制成的墻體對提高墻體保溫性能效果顯著，無論是外墻還是內(nèi)墻，其保溫效果均提高了一倍以上。

3.3 熱經(jīng)濟性分析

分析聚苯乙烯-石膏墻體填充材料所制成墻體的熱經(jīng)濟性。

以已確定層次結構的外墻外保溫體系為參照對象，如表6所示?？刂菩滦吞畛洳牧蠅w厚度，使其保溫隔熱性能趨同參照對象。在此條件下，可以計算得到新型填充材料所需厚度，如表7所示。

表6 參照用外墻保溫體系基本構造及熱工參數(shù)[8]

表7 聚苯乙烯-石膏墻體保溫體系各層材料物理參數(shù)

當以表6所示體系作為參照對象，可以計算得參照用外墻保溫體系結構的總熱阻為2.19 m2·K/W。控制聚苯乙烯-石膏墻體保溫體系總熱阻與參照用外墻保溫體系相同時，可以得到新型材料厚度僅需55 mm。在保證墻體保溫隔熱性能不變的前提下，聚苯乙烯-石膏墻體填充材料所制成的墻體極大減少了墻體材料的用料，僅需參照對象所示體系的23%，有效提高了其熱經(jīng)濟性。

3.4 空間布局分析

框架結構與輕鋼建筑在相同傳熱系數(shù)下的墻體厚度比較。在墻體保溫性能相同的情況下，對框架結構和輕鋼建筑的墻體厚度進行對比，具體情況如表8，圖2所示。

表8 墻體占地面積對比

通過分析表8數(shù)據(jù)可知，由聚苯乙烯-石膏墻體填充材料所制成的墻體，其厚度僅為普通建材的33.3%，大大減少了占地面積。相應的，一層使用面積由93.12 m2增加到104.16 m2，二層使用面積由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)的活動范圍，滿足居民對住宅舒適性要求。

4 結語

聚苯乙烯-石膏墻體填充材料性能優(yōu)異，既能滿足建筑保溫隔熱性能的要求，改善了居住建筑室內(nèi)的熱環(huán)境質(zhì)量，提高了鋼結構住宅圍護結構的熱穩(wěn)定性，也能有效地減少墻體占地面積，節(jié)省生產(chǎn)墻體材料所需要的資源，實現(xiàn)了綠色建筑理念。同時，墻體占地面積的減少，拓寬了建筑內(nèi)部可用活動空間，提升了農(nóng)宅的居住舒適性。聚苯乙烯-石膏墻體填充材料的應用能為新型農(nóng)宅建筑的進一步優(yōu)化提供一定的資料，為實現(xiàn)資源的合理化配置和提高農(nóng)宅的建筑居住環(huán)境的安全性、功能性、舒適性和美觀性提供一種切實可行的思路。