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【摘 要】 用于砌体的蒸压加气混凝土砌块,在采用合适的施工技术和方法的前提下,可满足夏热冬冷地区节能65%或50%的设计要求。
【关键词】 蒸压加气混凝土砌块;轻质保温砂浆;墙体热工计算
【中图分类号】 TU573.76 【文献标识码】 AB 【文章编号】 1727-5123(2009)03-034-03
The autoclaved aerated concrete using outside wall part can meet the energy-saving 65% requirement
【Abstract】 If the appropriate technology and methods were used,the autoclavedaeratedconcreteblockusingasbrickwork canmeet the energy-saving 65% or 50%design requirement at the hot summer and cold winter arcas.
【Key words】 Autoclaved aerated concrete block; Light thermal insulation mortar; Wall thermal calculation
1夏热冬冷地区的气候特点
中国的过渡地区,按照建筑气候分区属于夏热冬冷地区。该地区包括重庆、上海2个直辖市;湖北、湖南、安徽、江苏、河南5省南半部;福建省北部;陕西、甘肃省南端;广东、广西2省区北端。该地区涉及16个省自治区,约有4亿人口,是中国人口最密集、经济发展速度最快的地区。
该地区最热月平均温度25~30℃,平均相对湿度80%左右,冬季气温虽然比北方高,但日照率远远低于北方。北方冬季日照率大多超过60%。该地区由东到西,冬季日照率急剧减少。东部最高,也只有40%左右;中部30%左右;西部20%左右。重庆只有13%。贵州省遵义只有10%,整个冬季天气阴沉,雨雪绵绵,几乎不见阳光。该地区冬季的基本气候特点是阴冷潮湿。
2蒸压加气混凝土砌块应用中的要求
目前由于没有使用配套的砌筑、抹灰砂浆,蒸压加气混凝土砌块的应用存在以下问题:
2.1加气混凝土砌块容重小,强度较低(如重庆本地加气砌块强度约为5.0MPa),导热系数小,而普通砂浆的容重大,强度较高(一般为7~20MPa),导热系数也较大。当外界温差较大时,砂浆层和块材层热胀冷缩,引发的湿差变形应力大于加气混凝土制品抗拉强度(一般约为0.25MPa)时,即导致界面破坏,墙体出现开裂。同时,热胀冷缩产生的应力差大于抹灰砂浆抗拉强度和粘结力时,抹灰层也会出现空鼓、开裂现象。
2.2一方面加强混凝土的吸水性强,普通砂浆由于保水性不强水分会很快被吸收,大大降低了砂浆的强度和粘结力,加气混凝土块材表面粉化现象的存在,也不利于块材与砂浆的粘结,易导致砂浆脱落、空鼓和起壳;另一方面,若砂浆在使用过程中发生泌水、层析、流浆等现象,也会使砂浆与砌体基层之间粘结不牢。
2.3普通砌筑砂浆的施工性能差。会影响砌体灰缝的饱满度、气密性砌体的劈剪强度。其硬化体积密度和砌筑宽度会引起砌块灰缝影响系数的变化,易导致热桥产生,影响整体保温性能。
为了解决以上问题,必须采取有效措施:提高砂浆的保水性;加强砂浆与加气混凝土的粘结:降低砂浆容重、强度,减少砂浆与加气混凝土的热工性能差异和收缩差值。目前,国内已研制出加气混凝土专用砌筑、抹灰砂浆,但多以砂作集料,虽然增强了保水性,提高了粘结力,但存在自身容重较大、保温效果差的问题,与加气混凝土砌块配套应用时,墙体易产生热桥,影响砌体的整体保温效果。因此,低密度、低传热系数、高粘结强度、高保水率的抹灰、砌筑砂浆是保证加气混凝土自保温体系性能的关键因素。
3轻质保温砂浆的性能
根据现行国家标准GB11968-2006《蒸压加气混凝土砌块》中对加气混凝土砌块性能的要求和国内相关研究,利用重庆本地非等级粉煤灰和煤矸石作主要胶凝材料加必要的外加成分,以膨胀珍珠岩和砂为集料,优化配比,研制出一种和易性好、粘结性强、抗裂能力高的轻质保温砂浆,其性能指标见表1。
从表1可以看出,加入膨胀珍珠岩后砂浆容重重变小,绝干密度<1000kg/m3,与B07级砌块接近。一般来说,材料的容重与导热系数成正比,容重越小,导热系数也越小,保温性能也就越好;砂浆抗压强度在6～7MPa,与常用的加气混凝土砌块(B05级和B07级)强度基本匹配;有胶粉、保水剂和木纤维的共同作用下,轻质砂浆系列的压折比都在2以下,说明砂浆砌性很好,抗裂能力比较强,从而较好地解决了普通珍珠岩砂浆易开裂的问题;粘结强度>0.4MPa,且测试时破坏界面均发生在加气混凝土基材上,说明配制的砂浆与砌块结合紧密,砂浆粘结性能良好。
研究表明,以大掺量非等级粉煤灰和煤矸石作胶凝材料的轻质砂浆和易性好、保水能力强、粘结强度较高,能很好地适应加气混凝土砌块的物理性能,满足JC890-2001《蒸压加气混凝土用砌筑砂浆与抹灰砂浆》的要求,同时也具有良好的保温性能。适用于寒冷或者夏热冬冷地区加气混凝土自保温保体系抹灰、砌筑使用。
4墙体热工计算
将研制的膨胀珍珠岩轻质保温砂浆应用于加气混凝土砌块建筑中,根据不同地区不同节能要求(节能65%和50%),测试其外墙热工参数。砂浆导热系数为0.36W/(m·K),蓄热系数为4.44W/(m2.K)。外墙梁、柱等框架结构的热桥部位,须进行外保温处理,可选用外贴膨胀聚苯板,或采用可同时增强耐火性的无机保温砂浆(如膨胀珍珠岩聚合物砂浆、玻化微珠保温浆料等)。
4.1建筑物外墙平均传热系数和平均热惰性指标公式。
4.1.1外墙平均传热系数的计算公式:
Km=(KP·Sp+KB1·SB1+KB2·SB2+KB3·SB3+KB4·SB4)/(SP+SB1+SB2+SB3+SB4)①
式中:
Km——外墙平均传热系数[W/(m2·K)]
KP——外墙主体部位传热系数[W/(m2·K)]
Km、KB2、KB3、KB4——外墙周边热桥部位(各种柱、梁、楼板等)传热系数[W/(m2·K)]
Sp-外墙主体部位面积(m2);
Sm、SB2、SB3、SB4-外墙周边热桥部位面积(m2)。
4.1.2外墙平均热惰性指标计算公式:
Dm=(Dp·Sp+DB1·SB1+DB2·SB2+DB3·SB3+DB4·SB4)/(Sp+SB1+SB2+SB3+SB4)②
式中:
Dm——外墙平均热惰性指标
Dp——外墙主体部位热惰性指标
Dm、DB2、DB3、DB4——外墙周边热桥部位热惰性指标
SP——外墙主体部位面积(m2)
Sm、SB2、SB3、SB4——外墙周边热桥部位面积(m2)
4.2建筑节能65%标准的热工验算。以一栋体形系数为0.4的32层高层建筑为模型,根据重庆《居住建筑节能65%设计标准》要求[当体形系数≤0.4时,外墙传热系数K≤1.1W/(m2·K),D≥3.0;K≤0.7W/(m2·K),D<3.0],验算K、D值。该建筑为钢筋混凝土剪力墙结构,外墙主体采用220mm厚B05级蒸压加气混凝土砌块,砌筑和抹灰采用膨胀珍珠岩轻质保温砂浆,抹灰层厚12mm;梁柱厚度为200mm,采用20mm厚膨胀聚苯板进行热桥外保温,外墙各部位热工参数和面积见表2。
表2 模型建筑外墙各部位热工参数
热工计算具体过程如下:
4.2.1外墙主体(砌块部分)热工计算:
R0=Ri+∑R+Re=Ri+R1+R2+R3+R4+Re
式中:
Ri——内表面换热阻,0.11(m2·K/W)
R1——混合砂浆层热阻,0.008/0.87=0.009(m2·K/W)
R2——轻质砂浆层换热阻,0.012/(0.36×1.2)=0.0028(m2·K/W)
R3——加气混凝土层热阻,0.22/(0.14×1.25)=1.257(m2·K/W)
R4——混合砂浆层换热阻,0.01/0.87=0.011(m2·K/w)
Re——外表面换热阻,0.05(m2·K/W)
则:外墙热阻R0=1.465(m2·K/W)
外墙传热系数Kp=0.682W/(m2·K/W)
4.2.2外墙周边热桥部位(各种柱、梁等)热工计算:同理,热桥梁热阻RB1=0.705(m2·K/W),传热系数KB1=1.418W/(m2·K);热桥过梁热阻RB2=0.705(m2·K/W),传热系数KB2=1.418W/(m2·K);热桥柱热阻RB3=0.705(m2·K/W),传热系数KB3=1.418W/(m2·K);热桥楼板热阻RB4=0.629(m2·K/W),传热系数KB4=1.59W/(m2·K)。
4.2.3外墙平均热工计算。把上述计算结果和其他参数代入计算公式(1)和(2),可得:
Km=(7848.9+5744.7+23.08+7508.34+1330)/21707.76=1.03W/(m2·K)≤1.1W/(m2·K)
Dm=(44538.48+10168.66+40.86+13290.5+1062.42)/(21707.76)-3.18≥3.0
计算结果表明,使用膨胀珍珠岩轻质保温砂浆作为抹灰和砌筑材料用于加气混凝土自保温体系,外墙部分能满足重庆市建筑节能65%标准设计要求。
4.3建筑节能50%标准的热工验算。以同一栋建筑为例进行建筑节能50%设计的热工验算,根据JGJ134-2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》和DB50/5024-2002《重庆市居住建筑节能设计标准》要求[K、D值分两个级别控制,即K≤1.5W/(m2·K),D≥3.0;K≤1.0W/(m2·K),D≥2.5],验算K、D值。外墙主体采用220mm厚B07级蒸压加气混凝土砌块,采用膨胀珍珠岩轻质保温砂浆砌筑和抹灰,抹灰层厚12mm;梁、柱和剪力墙等热桥部位选用20mm厚聚合物膨胀珍珠岩砂浆[其干密度为600kg/m3,导热系数为0.1W/(m·K),压剪粘结强度≥0.4MPa,抗压强度为≥2.5MPa,蓄热系数≥3.5W/(m2·K)]保温处理,外墙各部位热工参数和面积见表3。
表3 模型建筑外墙各部位热工参数
热工计算具体过程如下:
4.3.1外墙主体部位(砌块)热工计算:
R0=Ri+∑R+Re=Ri+R1+R2+R3+R4+Re
式中:
Ri——内表面换热阻,0.11(m2·K/W)
R1——混合砂浆层热阻,0.008/0.87=0.009(m2.K/W)
R2——保温砂浆层换热阻,0.012/(0.36×1.2)=0.028(m2.K/W)
R3——加气混凝土层热阻,0.22/(0.18×1.25)=0.978(m2·K/W)
R4——混合砂浆层热阻,0.01/0.87=0.011(m2·K/W)
Re——外表面换热阻,0.05(m2·K/W)
则:外墙热阻R0=1.186(m2·K/W)
外墙传热系数Kp=0.843W/(m2·K/W)
4.3.2外墙周边热桥部位(各种柱、梁等)热工计算。同理,热桥梁热阻RB1=0.472(m2·K/W),传热系数K=2.12W/(m2·K);热桥过梁热阻RB2=0.472(m2·K/W),传热系数K=2.12W/(m2·K);热桥柱热阻RB4=0.472(m2·K/W),传热系数K=2.12W/(m2·K);热桥楼板热阻RB3=0.396(m2·K/W),传热系数K=2.52W/(m2·K)。
4.3.3外墙平均热工计算。把上述计算结果和其他参数代入计算公式(1)和(2),可得:
Km=(9701.79+11225.44+8588.67+34.51+2108.1)/21707.76=1.46W/(m2·K)≤1.5W/(m2·K)
Dm=(44308.3+15990.96+12234.81+49.17+1497.42)/(21707.76)=3.41≥3.0
计算结果表明,使用膨胀珍珠岩轻质保温砂浆作为抹灰和砌筑材料用于加气混凝土自保温体系,外墙部分满足夏热冬冷地区节能50%标准设计要求。
参考文献
1何水清.徐州:新墙材保温与节能上册
【关键词】 蒸压加气混凝土砌块;轻质保温砂浆;墙体热工计算
【中图分类号】 TU573.76 【文献标识码】 AB 【文章编号】 1727-5123(2009)03-034-03
The autoclaved aerated concrete using outside wall part can meet the energy-saving 65% requirement
【Abstract】 If the appropriate technology and methods were used,the autoclavedaeratedconcreteblockusingasbrickwork canmeet the energy-saving 65% or 50%design requirement at the hot summer and cold winter arcas.
【Key words】 Autoclaved aerated concrete block; Light thermal insulation mortar; Wall thermal calculation
1夏热冬冷地区的气候特点
中国的过渡地区,按照建筑气候分区属于夏热冬冷地区。该地区包括重庆、上海2个直辖市;湖北、湖南、安徽、江苏、河南5省南半部;福建省北部;陕西、甘肃省南端;广东、广西2省区北端。该地区涉及16个省自治区,约有4亿人口,是中国人口最密集、经济发展速度最快的地区。
该地区最热月平均温度25~30℃,平均相对湿度80%左右,冬季气温虽然比北方高,但日照率远远低于北方。北方冬季日照率大多超过60%。该地区由东到西,冬季日照率急剧减少。东部最高,也只有40%左右;中部30%左右;西部20%左右。重庆只有13%。贵州省遵义只有10%,整个冬季天气阴沉,雨雪绵绵,几乎不见阳光。该地区冬季的基本气候特点是阴冷潮湿。
2蒸压加气混凝土砌块应用中的要求
目前由于没有使用配套的砌筑、抹灰砂浆,蒸压加气混凝土砌块的应用存在以下问题:
2.1加气混凝土砌块容重小,强度较低(如重庆本地加气砌块强度约为5.0MPa),导热系数小,而普通砂浆的容重大,强度较高(一般为7~20MPa),导热系数也较大。当外界温差较大时,砂浆层和块材层热胀冷缩,引发的湿差变形应力大于加气混凝土制品抗拉强度(一般约为0.25MPa)时,即导致界面破坏,墙体出现开裂。同时,热胀冷缩产生的应力差大于抹灰砂浆抗拉强度和粘结力时,抹灰层也会出现空鼓、开裂现象。
2.2一方面加强混凝土的吸水性强,普通砂浆由于保水性不强水分会很快被吸收,大大降低了砂浆的强度和粘结力,加气混凝土块材表面粉化现象的存在,也不利于块材与砂浆的粘结,易导致砂浆脱落、空鼓和起壳;另一方面,若砂浆在使用过程中发生泌水、层析、流浆等现象,也会使砂浆与砌体基层之间粘结不牢。
2.3普通砌筑砂浆的施工性能差。会影响砌体灰缝的饱满度、气密性砌体的劈剪强度。其硬化体积密度和砌筑宽度会引起砌块灰缝影响系数的变化,易导致热桥产生,影响整体保温性能。
为了解决以上问题,必须采取有效措施:提高砂浆的保水性;加强砂浆与加气混凝土的粘结:降低砂浆容重、强度,减少砂浆与加气混凝土的热工性能差异和收缩差值。目前,国内已研制出加气混凝土专用砌筑、抹灰砂浆,但多以砂作集料,虽然增强了保水性,提高了粘结力,但存在自身容重较大、保温效果差的问题,与加气混凝土砌块配套应用时,墙体易产生热桥,影响砌体的整体保温效果。因此,低密度、低传热系数、高粘结强度、高保水率的抹灰、砌筑砂浆是保证加气混凝土自保温体系性能的关键因素。
3轻质保温砂浆的性能
根据现行国家标准GB11968-2006《蒸压加气混凝土砌块》中对加气混凝土砌块性能的要求和国内相关研究,利用重庆本地非等级粉煤灰和煤矸石作主要胶凝材料加必要的外加成分,以膨胀珍珠岩和砂为集料,优化配比,研制出一种和易性好、粘结性强、抗裂能力高的轻质保温砂浆,其性能指标见表1。
从表1可以看出,加入膨胀珍珠岩后砂浆容重重变小,绝干密度<1000kg/m3,与B07级砌块接近。一般来说,材料的容重与导热系数成正比,容重越小,导热系数也越小,保温性能也就越好;砂浆抗压强度在6～7MPa,与常用的加气混凝土砌块(B05级和B07级)强度基本匹配;有胶粉、保水剂和木纤维的共同作用下,轻质砂浆系列的压折比都在2以下,说明砂浆砌性很好,抗裂能力比较强,从而较好地解决了普通珍珠岩砂浆易开裂的问题;粘结强度>0.4MPa,且测试时破坏界面均发生在加气混凝土基材上,说明配制的砂浆与砌块结合紧密,砂浆粘结性能良好。
研究表明,以大掺量非等级粉煤灰和煤矸石作胶凝材料的轻质砂浆和易性好、保水能力强、粘结强度较高,能很好地适应加气混凝土砌块的物理性能,满足JC890-2001《蒸压加气混凝土用砌筑砂浆与抹灰砂浆》的要求,同时也具有良好的保温性能。适用于寒冷或者夏热冬冷地区加气混凝土自保温保体系抹灰、砌筑使用。
4墙体热工计算
将研制的膨胀珍珠岩轻质保温砂浆应用于加气混凝土砌块建筑中,根据不同地区不同节能要求(节能65%和50%),测试其外墙热工参数。砂浆导热系数为0.36W/(m·K),蓄热系数为4.44W/(m2.K)。外墙梁、柱等框架结构的热桥部位,须进行外保温处理,可选用外贴膨胀聚苯板,或采用可同时增强耐火性的无机保温砂浆(如膨胀珍珠岩聚合物砂浆、玻化微珠保温浆料等)。
4.1建筑物外墙平均传热系数和平均热惰性指标公式。
4.1.1外墙平均传热系数的计算公式:
Km=(KP·Sp+KB1·SB1+KB2·SB2+KB3·SB3+KB4·SB4)/(SP+SB1+SB2+SB3+SB4)①
式中:
Km——外墙平均传热系数[W/(m2·K)]
KP——外墙主体部位传热系数[W/(m2·K)]
Km、KB2、KB3、KB4——外墙周边热桥部位(各种柱、梁、楼板等)传热系数[W/(m2·K)]
Sp-外墙主体部位面积(m2);
Sm、SB2、SB3、SB4-外墙周边热桥部位面积(m2)。
4.1.2外墙平均热惰性指标计算公式:
Dm=(Dp·Sp+DB1·SB1+DB2·SB2+DB3·SB3+DB4·SB4)/(Sp+SB1+SB2+SB3+SB4)②
式中:
Dm——外墙平均热惰性指标
Dp——外墙主体部位热惰性指标
Dm、DB2、DB3、DB4——外墙周边热桥部位热惰性指标
SP——外墙主体部位面积(m2)
Sm、SB2、SB3、SB4——外墙周边热桥部位面积(m2)
4.2建筑节能65%标准的热工验算。以一栋体形系数为0.4的32层高层建筑为模型,根据重庆《居住建筑节能65%设计标准》要求[当体形系数≤0.4时,外墙传热系数K≤1.1W/(m2·K),D≥3.0;K≤0.7W/(m2·K),D<3.0],验算K、D值。该建筑为钢筋混凝土剪力墙结构,外墙主体采用220mm厚B05级蒸压加气混凝土砌块,砌筑和抹灰采用膨胀珍珠岩轻质保温砂浆,抹灰层厚12mm;梁柱厚度为200mm,采用20mm厚膨胀聚苯板进行热桥外保温,外墙各部位热工参数和面积见表2。
表2 模型建筑外墙各部位热工参数
热工计算具体过程如下:
4.2.1外墙主体(砌块部分)热工计算:
R0=Ri+∑R+Re=Ri+R1+R2+R3+R4+Re
式中:
Ri——内表面换热阻,0.11(m2·K/W)
R1——混合砂浆层热阻,0.008/0.87=0.009(m2·K/W)
R2——轻质砂浆层换热阻,0.012/(0.36×1.2)=0.0028(m2·K/W)
R3——加气混凝土层热阻,0.22/(0.14×1.25)=1.257(m2·K/W)
R4——混合砂浆层换热阻,0.01/0.87=0.011(m2·K/w)
Re——外表面换热阻,0.05(m2·K/W)
则:外墙热阻R0=1.465(m2·K/W)
外墙传热系数Kp=0.682W/(m2·K/W)
4.2.2外墙周边热桥部位(各种柱、梁等)热工计算:同理,热桥梁热阻RB1=0.705(m2·K/W),传热系数KB1=1.418W/(m2·K);热桥过梁热阻RB2=0.705(m2·K/W),传热系数KB2=1.418W/(m2·K);热桥柱热阻RB3=0.705(m2·K/W),传热系数KB3=1.418W/(m2·K);热桥楼板热阻RB4=0.629(m2·K/W),传热系数KB4=1.59W/(m2·K)。
4.2.3外墙平均热工计算。把上述计算结果和其他参数代入计算公式(1)和(2),可得:
Km=(7848.9+5744.7+23.08+7508.34+1330)/21707.76=1.03W/(m2·K)≤1.1W/(m2·K)
Dm=(44538.48+10168.66+40.86+13290.5+1062.42)/(21707.76)-3.18≥3.0
计算结果表明,使用膨胀珍珠岩轻质保温砂浆作为抹灰和砌筑材料用于加气混凝土自保温体系,外墙部分能满足重庆市建筑节能65%标准设计要求。
4.3建筑节能50%标准的热工验算。以同一栋建筑为例进行建筑节能50%设计的热工验算,根据JGJ134-2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》和DB50/5024-2002《重庆市居住建筑节能设计标准》要求[K、D值分两个级别控制,即K≤1.5W/(m2·K),D≥3.0;K≤1.0W/(m2·K),D≥2.5],验算K、D值。外墙主体采用220mm厚B07级蒸压加气混凝土砌块,采用膨胀珍珠岩轻质保温砂浆砌筑和抹灰,抹灰层厚12mm;梁、柱和剪力墙等热桥部位选用20mm厚聚合物膨胀珍珠岩砂浆[其干密度为600kg/m3,导热系数为0.1W/(m·K),压剪粘结强度≥0.4MPa,抗压强度为≥2.5MPa,蓄热系数≥3.5W/(m2·K)]保温处理,外墙各部位热工参数和面积见表3。
表3 模型建筑外墙各部位热工参数
热工计算具体过程如下:
4.3.1外墙主体部位(砌块)热工计算:
R0=Ri+∑R+Re=Ri+R1+R2+R3+R4+Re
式中:
Ri——内表面换热阻,0.11(m2·K/W)
R1——混合砂浆层热阻,0.008/0.87=0.009(m2.K/W)
R2——保温砂浆层换热阻,0.012/(0.36×1.2)=0.028(m2.K/W)
R3——加气混凝土层热阻,0.22/(0.18×1.25)=0.978(m2·K/W)
R4——混合砂浆层热阻,0.01/0.87=0.011(m2·K/W)
Re——外表面换热阻,0.05(m2·K/W)
则:外墙热阻R0=1.186(m2·K/W)
外墙传热系数Kp=0.843W/(m2·K/W)
4.3.2外墙周边热桥部位(各种柱、梁等)热工计算。同理,热桥梁热阻RB1=0.472(m2·K/W),传热系数K=2.12W/(m2·K);热桥过梁热阻RB2=0.472(m2·K/W),传热系数K=2.12W/(m2·K);热桥柱热阻RB4=0.472(m2·K/W),传热系数K=2.12W/(m2·K);热桥楼板热阻RB3=0.396(m2·K/W),传热系数K=2.52W/(m2·K)。
4.3.3外墙平均热工计算。把上述计算结果和其他参数代入计算公式(1)和(2),可得:
Km=(9701.79+11225.44+8588.67+34.51+2108.1)/21707.76=1.46W/(m2·K)≤1.5W/(m2·K)
Dm=(44308.3+15990.96+12234.81+49.17+1497.42)/(21707.76)=3.41≥3.0
计算结果表明,使用膨胀珍珠岩轻质保温砂浆作为抹灰和砌筑材料用于加气混凝土自保温体系,外墙部分满足夏热冬冷地区节能50%标准设计要求。
参考文献
1何水清.徐州:新墙材保温与节能上册