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閱讀 5009 次 輕骨料混凝土及其制品在節(jié)能建筑工程中應用

摘要:本文簡要介紹了輕骨料混凝土的主要熱工性能、輕骨料混凝土小型空心砌塊自保溫和復合保溫的熱阻值和傳熱糸數(shù)。并介紹幾項典型工程。建議各地區(qū)在節(jié)能建筑中采用輕骨料混凝土時,應根據(jù)當?shù)剌p骨料資源情況確定自保溫或復合保溫技術路線。...
 
輕骨料混凝土及其制品在節(jié)能建筑工程中應用
 
 李壽德  秦仙景 陳烈芳
(中國建材西安墻體材料研究設計院)
1.前言
    節(jié)能減排是當今世界各國普遍關注的問題。降低全社會建筑能耗和資源消耗,是關系國家能源戰(zhàn)略和資源節(jié)約方針的重大任務。墻材革新是建筑節(jié)能的基礎,為此,應加快墻材革新 步伐、加大新型墻材推廣力度、加大對有礙于建筑節(jié)能行為的執(zhí)法力度。
 
    輕骨料混凝土及其制品,特別是人造輕骨料混凝土,具有輕質、高強多功能的特性,因此它不僅是節(jié)能降耗的結構材料,也是節(jié)能建筑的綠色新型墻體材料。但是它的發(fā)展在我國經(jīng)過了艱難曲折、幾起幾落的歷程,因此工程界有部分人士對它有些誤區(qū),在一定程度上影響了它的發(fā)展。為了更全面地了解其特性及在正確使用情況下的效益,本文作些簡要介紹以還其真實面目。
 
2.輕骨料混凝土的熱工特性
    輕骨料混凝土特別是人造輕骨料混凝土具有輕質、高強、多功能的特性,它可以根據(jù)輕骨料的不同密度等級配制和制作不同用途的混凝土及制品,用于保溫,結構保溫和結構工程中,因此它既是結構材料又是建筑節(jié)能的新型墻體材料,其保溫、絕熱性能的高低,是由它的導熱系數(shù)、比熱容、導溫系數(shù)和蓄熱系數(shù)的大小來決定的。
 
    2.1導熱系數(shù)(λ)
    是輕骨料混凝土主要的熱工性能指標,根據(jù)輕骨料混凝土技術規(guī)程(JGJ51—2002),我國輕骨料混凝土的密度等級由600級——1900級共14個等級,而強度等級由LC5.0——LC60,其相應的干燥狀態(tài)下為λ為0.18~1.0W/m·K。在制訂輕骨料混凝土規(guī)程時,編制組根據(jù)統(tǒng)一計劃的要求,對我國各主要地區(qū)不同品種、不同密度等級輕骨料混凝土的熱物理系數(shù),按統(tǒng)一試驗方法進行了大量而系統(tǒng)的測定,經(jīng)統(tǒng)計分析得出的導熱系數(shù)計算式:
    λ=0.00843e0.00128pd                          (2-1)
圖1    輕骨料混凝土在干燥條件下的導熱系數(shù)與其干表觀密度的關系
 
    由式(2-1)和圖1可知,人造輕骨料混凝土的導熱系數(shù)主要與其密度等級有關,而與人造輕骨料品種關糸不大。
 
    試驗還說明,混凝土含水率對其導熱系數(shù)的影響很大。含水率越高,其導熱系數(shù)越大,保溫性能越差。因此在建筑節(jié)能設計中必須要考慮混凝土含水率對其導熱系數(shù)的影響。在設計中主要考慮混凝土中的平衡含水率對它的影響,其計算式:
           λM= λd+   ζ·w         (2-2)
    式中:
           λd —— 干燥條件下的導熱系數(shù)(W/m·K)
          λm —— 某含水率條件下的導熱系數(shù)(W/m·K)
           ρd —— 輕骨料混凝土干表觀密度(Kg/m3
           W —— 混凝土的重量含水率  (%)
           ζ—— 重量含水率增加1%時導熱系數(shù)增值
 
    2.2比熱容(C
    是輕骨料混凝土另一個熱工性能指標,經(jīng)大量試驗檢測,在干燥狀態(tài)下其密度對比熱容影響不大。但比熱容隨濕度提高呈線性增加,重量含水率每增加1%時,比熱容可增加3%左右。
 
    2.3導溫系數(shù)
    材料的導溫系數(shù)同樣是建筑材料的一個熱物理系數(shù),它的值愈大則溫度變化的速度愈快,否則相反。
    輕骨料混凝土的導溫系數(shù)可按式2-3求得
 
    ɑ=λ/C·ρ                              (2-3)
    式中:
    α——材料的導溫系數(shù)         (m2/h)
    c——比熱容                  kJ/kg·K
    ρ——輕骨料混凝土表觀密度        kg/m3
    人造輕骨料混凝土的導溫系數(shù)與濕度關系不明顯,但隨密度的提高而提高。
 
    2.4蓄熱系數(shù)
    蓄熱系數(shù)是表示材料儲蓄熱量的能力。蓄熱系數(shù)越大,材料儲蓄的熱量就越多。人造輕骨料混凝土的蓄熱系數(shù)取決于導熱系數(shù)、比熱容和密度以及熱流的波動周期(T),當T=24小時時可用(2-4)式求得:
       S24=0.51√λ.C.ρ                              (2-4)
    式中:S——為蓄熱系數(shù)(W/m2·k)
 
    根據(jù)輕骨料混凝土技術規(guī)程(JGJ51—2002)4.2.7條規(guī)定輕骨料混凝土在干燥和平衡含水率條件下,上述各熱物理系數(shù)限值(見表2-1),在建筑節(jié)能設計中可根據(jù)當?shù)氐木唧w條件選擇合理的輕骨料密度等級制作輕骨料混凝土制品或構件用于建筑節(jié)能工程中,是完全可以達到所在地區(qū)建筑節(jié)能目標的。
 
輕料混凝土的各種熱物理系數(shù)                       表2-1
密度等級
導熱系數(shù)
比熱容
導溫系數(shù)
蓄熱系數(shù)
λd
λc
Cd
Cc
ɑd
ɑc
Sd24
Sc24
w/m·k
KJ/kg·k
m 2/h×10-3
w/m2·k
600
0.18
0.25
0.84
0.92
1.28
1.63
2.56
3.01
700
0.20
0.27
0.84
0.92
1.25
1.50
2.91
3.38
800
0.23
0.30
0.84
0.92
1.23
1.38
3.37
4.17
900
0.26
0.33
0.84
0.92
1.22
1.33
3.73
4.55
1000
0.28
0.36
0.84
0.92
1.20
1.37
4.10
5.13
1100
0.31
0.41
0.84
0.92
1.23
1.36
4.57
5.62
1200
0.36
0.47
0.84
0.92
1.29
1.43
5.12
6.28
1300
0.42
0.52
0.84
0.92
1.38
1.48
5.73
6.93
1400
0.49
0.59
0.84
0.92
1.50
1.56
6.43
7.65
1500
0.57
0.67
0.84
0.92
1.63
1.66
7.19
8.44
1600
0.66
0.77
0.84
0.92
1.78
1.77
8.01
9.30
1700
0.76
0.87
0.84
0.92
1.91
1.89
8.81
10.20
1800
0.87
1.01
0.84
0.92
2.08
2.07
9.74
11.30
1900
1.01
1.15
0.84
0.92
2.26
2.23
10.70
12.40
    注:1、輕骨料混凝土的體積平衡含水率取6%。
          2、用膨脹礦渣珠作輕骨料的混凝土導熱系數(shù)可按表列數(shù)值降低25%取用或經(jīng)試驗確定。
 
3、輕骨料混凝土空心砌塊的熱阻。
    輕骨料混凝土小型空心砌塊,由于輕骨料混凝土的密度可根據(jù)不同密度等級的輕骨料來配制不同密度等級輕骨料混凝土,因此輕骨料混凝土砌塊的密度可依據(jù)輕骨料混凝土的密度采用單一的或復合的工藝制作不同密度等級、不同熱阻的輕骨料混凝土小型空心砌塊。以滿足不同地區(qū)的建筑節(jié)能的要求。
 
    3.1不同密度砌塊的熱阻值:
    表3-1值其砌塊規(guī)格是按390×240×190(三排孔)、390×190×190(二排孔)、390×100×190(單孔)、390×90×190(單孔),輕骨料混凝土密度等級取600—1300、五個等級。
輕骨料混凝土砌塊熱工指標                              表3-1
砌塊尺寸
mm
空心率
%
密度kg/m3
R
R0
K
混凝土
砌塊
m2·k/w
m2·k/w
w/ m2·k
390×240×190三排孔
1
35.9
600
420
0.97
1.12
0.89
2
800
560
0.87
1.02
0.98
3
1000
650
0.75
0.90
1.11
4
1200
780
0.66
0.81
1.23
5
1300
845
0.65
0.80
1.25
390×190×190雙排孔
6
40
600
360
0.72
0.87
1.15
7
800
480
0.65
0.80
1.25
8
1000
600
0.59
0.74
1.35
9
1200
720
0.50
0.65
1.54
10
1300
780
0.47
0.62
1.61
390×100×190單孔
11
30
600
420
0.40
0.55
1.82
12
800
560
0.37
0.52
1.92
13
1000
700
0.31
0.46
2.17
14
1200
840
0.27
0.42
2.38
15
1300
910
0.25
0.40
2.50
390×90×190單孔
16
25
600
450
0.38
0.53
1.89
17
800
600
0.33
0.48
2.08
18
1000
750
0.27
0.42
2.38
19
1200
900
0.25
0.40
2.50
20
1300
975
0.24
0.39
2.56
    3.1.2復合砌塊的熱阻值
    表3-2計算值其砌塊型號與表3-1同,復合材料采用30~50mm苯板,輕骨料混凝土密度等級取1000~1200二個等級。
 
 
 
 
輕骨料混凝土復合砌塊熱工指標表                         3-2
砌塊尺寸
mm
序號
空心率/%
密度kg/m3
R
R0
K
混凝土
砌塊
m2·k/w
m2·k/w
w/ m2·k
390×240×190
插一排δ=40苯板
A1
35.9
1000
650
1.12
1.27
0.79
A2
1200
780
0.97
1.12
0.89
390×190×190
插一排δ=50苯板
B1
40
1000
600
1.11
1.26
0.79
B2
1200
720
0.94
1.09
0.92
390×100×190
插苯板δ=50
C1
30
1000
700
0.68
0.83
1.20
C2
1200
840
0.56
0.71
1.40
390×90×190
插苯板δ=50
D1
25
1000
750
0.57
0.72
1.39
D2
1200
900
0.47
0.62
1.61
 
    3.1.3組合砌塊熱阻值
    (表3-3)是按表3-1及表3-2中指標組合而得,經(jīng)組合后指標說明,只要對結構性熱(冷)橋部位作局部保溫處理,外墻主體部位傳熱系數(shù)能符合建筑節(jié)能要求。
組合砌塊熱工指標                           表3-3
序號
砌塊組合
砌塊密度kg/m2
墻厚mm
R
m2·k/w
R0
m2·k/w
K
w/ m2·k
G-1
1+1
420
500
1.94
2.09
0.48
G-2
6+6
360
400
1.44
1.59
0.62
G-3
1+11
420
360
1.34
1.52
0.66
G-4
2+12
560
360
1.24
1.35
0.72
G-5
6+16
390
300
1.10
1.25
0.80
G-6
7+17
390
300
0.98
1.13
0.88
F-1
B1+B1
600
400
2.22
2.37
0.42
F-2
A1+C1
740
350
1.80
1.95
0.51
F-3
A2+C2
880
350
1.53
1.68
0.60
F-4
A1+13
740
360
1.43
1.58
0.63
F-5
B1+D1
650
300
1.68
1.83
0.55
F-6
B2+D2
780
300
1.44
1.59
0.63
F-7
B1+18
650
300
1.38
1.53
0.65
 
4.輕骨料混凝土在工程中的應用
    不論是人造輕骨料混凝土應用的早期還是現(xiàn)在,在我國主要還是用于墻體結構,其中包括工業(yè)與民用建筑的各種墻板及小型空心砌塊等,占人造輕骨料混凝土總量的70~80%。眾所周知,人造輕骨料混凝土在工程中的應用技術是與人造輕骨料的生產(chǎn)技術休戚相關的,人造輕骨料生產(chǎn)技術的進步,為提高輕骨料混凝土的性能創(chuàng)造了條件。目前我國人造輕骨料產(chǎn)品性能結構的發(fā)展更趨于完善,各項技術規(guī)程、標準文件齊全、施工技術提高,都為人造輕骨料混凝土的應用拓展了空間,可根據(jù)不同用途和結構性能要求,配制不同密度等級和強度等級輕骨料混凝土,使應用領域更加廣泛,F(xiàn)主要介紹輕骨料混凝土在保溫和結構保溫工程中應用實例:
 
    4.1輕骨料混凝土小型空心砌塊
    輕骨料混凝土小型空心砌塊(以下簡稱輕骨料砌塊)它可根據(jù)輕骨料的密度等級和使用要求制成自保溫和復合保溫砌塊,由于其重量輕、保溫性能好、裝飾貼面粘結強度高、設計靈活、施工方便、砌筑速度快、增加建筑使用面積、綜合工程造價低等優(yōu)點、得到了迅速發(fā)展,特別在寒冷和嚴寒地區(qū)發(fā)展更猛。在黑龍江地區(qū)已廣泛應用,特別在高層建筑作為外圍護結構深受設計、施工、使用單位好評、特別是超輕陶粒砌塊已占主導地位。經(jīng)過10余年的使用,總建筑面積達600多萬㎡以上,已取得了良好的效果。圖1和圖2是用超輕陶;炷列⌒涂招那袎K作外圍護結構的哈爾濱常青大廈和鐵力市工商銀行大樓。
    圖3是黑龍江省北鴻房地產(chǎn)開發(fā)有限公司采用頁巖陶粒復合砌塊在哈市建的典型節(jié)能建筑,該工程建筑面積為11345㎡七層,高為20.06m,計算傳熱系數(shù)小于0.48[w/(㎡·k)]根據(jù)當年“北鴻公司”提供的數(shù)據(jù)進行經(jīng)濟分析結果:
 
    1、降低墻面造價2元/㎡,按370mm厚紅磚墻外貼苯板100mm厚和玻璃絲網(wǎng)布及高彈性涂料計算其造價為112元/㎡,而復合砌塊墻面造價約為110元/㎡;
    2、增加使用面積,約占總使用面積的2.4%即增加使用面積273㎡,按3000元/㎡出售,增加收益81.9萬元;
    3、減輕墻體自重:磚砌塊按1800kg/m3,復合砌塊為1200kg/ m3計,減輕墻體自重33.3%,可降低基礎費用;
    4、具有長期節(jié)能50%和建筑物同壽命的技術效果,經(jīng)濟價值更可觀。
 
    4.2 屋面隔熱保溫工程
    圖4上海宏泰公寓,建筑面積5.8萬㎡主樓高98.3m,其屋頂保溫、隔熱層采用超輕陶;炷粒O計強度等級為LC7.5,混凝土密度為800~850kg/ m3,施工后實測強度10.2mpa,混凝土表現(xiàn)密度為800~840kg/ m3,導熱系數(shù)0.25w/m·k,技術性能指標滿足設計要求,1999年7月施工。
    4.3高層建筑陶;炷两Y構自保溫體系
    湖南省建筑設計院結合南方地區(qū)某高層住宅的設計,對高層陶;炷两Y構自保溫體系進行了研究、分析、結果如下:
 
    4.3.1 該高層住宅的設計概況
    高層住宅地上34層,總高98.7m,一層商鋪,層高6m,2~34層為住宅層高2.9m,抗震烈度,為6度,剪力墻結構。標準層平面見圖5,建筑分為A、B、C三個單元,體形系數(shù)分別為0.36、0.35、0.36滿足節(jié)能設計標準提出的體形系數(shù)小于0.40的要求。   
                                                             
    4.3.2  外圍護結構表面分析
    為了清晰了解熱橋部分對整個外墻熱工性能的影響,以該高層A單元為例,分析其圍護結構各部分所占的外表面積的比例,分析數(shù)據(jù)見表4-1
由表4-1可知,在剪力墻結構體系的高層建筑中,承重結構所占的外墻面積比例相當大,此棟建筑占到了54%,由此可見,承重結構的熱工性能對整個外墻的保溫性能好壞起著相當大的作用。
              圍護結構各部分構件的表面積一覽表                      表4-1
名稱
外門窗
填充墻體
屋頂
承重結構
合計
外表面積(㎡)
2427.46
3465.31
464.73
6435.57
12792.86
所占圍護結構總表面積比例(%)
19
27
4
50
100
 
    4.3.3普通混凝土與陶;炷翢峁ば阅鼙容^
    為便于比較除采用兩種不同材料的承重結構外,其他構件均采用同樣的材料,外門窗采用氣密性等級為4級,傳熱系數(shù)k﹤3w/㎡·k的塑鋼雙層中空玻璃門窗;填充墻選用長沙市墻改辦研制的多排孔陶粒混凝土空心切塊,外墻厚250,傳熱系數(shù)k=097w/㎡·k;內(nèi)隔墻厚200,k=1.24w/㎡·k。剪力墻外墻均為250厚,內(nèi)墻均為200厚,樓板為120厚,屋頂板取200厚。比較結果見表4-2.
                         不同承重結構材料熱工參數(shù) 比較表                       表4-2
承重結構類型及
相關參數(shù)名稱
C35普通混凝土承重結構(無保溫隔熱)
C35普通混凝土承重結構(有保溫隔熱)
LC35高強陶;炷粒o保溫隔熱)
外墻
填充墻
部分
K(w/㎡·k)
0.97
0.97
0.97
D
3.43
3.43
3.43
外墻
承重結構部分
K(w/㎡·k)
2.86
1.33
2.03
D
2.97
3.21
3.43
平均值
K(w/㎡·k)
2.29
1.2
1.75
D
3.14
3.53
3.43
屋頂
K(w/㎡·k)
2.30
0.62
1.82
D
3.70
3.05
4.06
能耗計算結果
空調年耗電量
(kWh/㎡)
25.71
22.91
24.10
采暖年耗電量
(kWh/㎡)
43.24
37.37
37.65
總計耗電量(kWh/㎡)
68.95
60.28
61.75
結論
小于基礎建筑年總耗電量的50%為達標
不達標
達標
達標
    由表4-2數(shù)據(jù)可見,對于普通混凝土剪力墻結構,盡管在外門窗,填充墻材料等方面采取了嚴格措施,但它的全年總耗電量達到68.95wh/㎡,高于基礎建筑全年空調、采暖單位耗電量127.42wh/㎡的50%,不能達到節(jié)能的標準要求,要達到節(jié)能建筑要求,必須采用在外圍護結構上設置保溫隔熱措施。而采用1800級高強陶;炷磷鞒兄亟Y構,在不采去外墻外保溫措施情況下,可以達到節(jié)能50%的要求。在分析研究過程中,還分別采用了空心粘土磚、加氣混凝土砌塊等作外墻填充材料,均難以達到節(jié)能50%要求。
 
5、結語
    5.1 要根據(jù)表2-1來配制不同密度等級混凝土來制作砌塊或其他制品,除須選擇相匹配的輕骨料外,應嚴禁使用不合格的煤渣和超量滲入煤渣。以保證輕骨料混凝土砌塊或其他制品的熱工性能和其他物理性能。
    5.2 由表3-1~表3-3數(shù)據(jù)所示,輕骨料混凝土小型空心砌塊根據(jù)各地區(qū)輕骨料資源情況,在保溫和結構保溫工程中可采用單一材料制作輕骨料混凝土自保溫砌塊或輕骨料混凝土復合保溫砌塊。在承重墻體中應采用輕骨料混凝土承重保溫復合砌塊,達到所處地區(qū)對外墻熱工設計限值要求。
    5.3  在嚴寒和寒冷地區(qū)的結構性冷(熱)橋部位,應采取局部保溫措施,以保證外墻的平均傳熱系數(shù)符合要求。
    5.4在夏熱冬冷地區(qū)的高層(或小高層)建筑采用剪力墻結構體系中,可采用輕骨料混凝土結構自保溫體系。
 
    綜上所述;輕骨料混凝土及其制品在建筑節(jié)能中的應用,應根據(jù)當?shù)剌p骨料資源情況,恰當選擇合理使用,才能使輕骨料混凝土及其制品在建筑節(jié)能中達到良好的效果,成為建筑節(jié)能中的綠色節(jié)能材料。
 
參考資料:
[1] 輕骨料混凝土技術規(guī)程(J215—2002)
[2] 我國輕骨料混凝土基本物理力學性能研究(輕骨料混凝土技術性能專題協(xié)作組)
[3] 高層建筑高陶;炷两Y構自保溫體系的研究.( 湖南省建筑設計院、 長沙市墻改辦)2007輕骨料混凝土及其制品在建筑節(jié)能中的應用技術資料匯編
[4] 輕骨料小砌塊在框架圍護結構中應用回顧和展望(黑龍江省寒地建筑科學研究院)周運燦.單星本.朱衛(wèi)中
[5] 承重保溫輕骨料小砌塊的應用和發(fā)展(黑龍江省寒地建筑科學研究院)周運燦.單星本.朱衛(wèi)中
 
 
 
(本文來源:陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡:文徑 楊葉 編輯  劉真 審核)
 
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