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閱讀 5005 次輕骨料混凝土及其制品在節能建筑工程中應用

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。并介紹幾項典型工程。建議各地區在節能建筑中采用輕骨料混凝土時，應根據當地輕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，是關系國家能源戰略和資源節約方針的重大任務。墻材革新是建筑節能的基礎，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能行為的執法力度。

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，因此它不僅是節能降耗的結構材料，也是節能建筑的綠色新型墻體材料。但是它的發展在我國經過了艱難曲折、幾起幾落的歷程，因此工程界有部分人士對它有些誤區，在一定程度上影響了它的發展。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、比熱容、導溫系數和蓄熱系數的大小來決定的。

2.1導熱系數（λ）

是輕骨料混凝土主要的熱工性能指標，根據輕骨料混凝土技術規程（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，其相應的干燥狀態下為λ為0.18～1.0W/m·K。在制訂輕骨料混凝土規程時，編制組根據統一計劃的要求，對我國各主要地區不同品種、不同密度等級輕骨料混凝土的熱物理系數，按統一試驗方法進行了大量而系統的測定，經統計分析得出的導熱系數計算式：

λ=0.00843e^0.00128p_d (2-1)

圖1 輕骨料混凝土在干燥條件下的導熱系數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的影響很大。含水率越高，其導熱系數越大，保溫性能越差。因此在建筑節能設計中必須要考慮混凝土含水率對其導熱系數的影響。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：

λ_M= λ_d+ ζ·w （2-2）

式中：

λ_d—— 干燥條件下的導熱系數（W/m·K）

λ_m—— 某含水率條件下的導熱系數（W/m·K）

ρ_d—— 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，經大量試驗檢測，在干燥狀態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

材料的導溫系數同樣是建筑材料的一個熱物理系數，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可按式2-3求得

ɑ=λ/C·ρ （2-3）

式中：

α——材料的導溫系數（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與濕度關系不明顯，但隨密度的提高而提高。

2.4蓄熱系數

蓄熱系數是表示材料儲蓄熱量的能力。蓄熱系數越大，材料儲蓄的熱量就越多。人造輕骨料混凝土的蓄熱系數取決于導熱系數、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（W/m²·k）

根據輕骨料混凝土技術規程（JGJ51—2002）4.2.7條規定輕骨料混凝土在干燥和平衡含水率條件下，上述各熱物理系數限值（見表2-1），在建筑節能設計中可根據當地的具體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能工程中，是完全可以達到所在地區建筑節能目標的。

輕料混凝土的各種熱物理系數表2-1

密度等級	導熱系數		比熱容		導溫系數		蓄熱系數
	λ_d	λ_c	C_d	C_c	ɑ_d	ɑ_c	S_d24	S_c24
	w/m·k		KJ/kg·k		m²/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可按表列數值降低25%取用或經試驗確定。

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。以滿足不同地區的建筑節能的要求。

3.1不同密度砌塊的熱阻值：

表3-1值其砌塊規格是按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	序號	空心率 %	密度kg/m³		R	R0	K
砌塊尺寸 mm	序號	空心率 %	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
砌塊尺寸 mm	序號	空心率/%	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
390×240×190 插一排δ=40苯板	A2	35.9	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
390×190×190 插一排δ=50苯板	B2	40	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
390×100×190 插苯板δ=50	C2	30	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
390×90×190 插苯板δ=50	D2	25	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能符合建筑節能要求。

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在，在我國主要還是用于墻體結構，其中包括工業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技術休戚相關的，人造輕骨料生產技術的進步，為提高輕骨料混凝土的性能創造了條件。目前我國人造輕骨料產品性能結構的發展更趨于完善，各項技術規程、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。現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點、得到了迅速發展，特別在寒冷和嚴寒地區發展更猛。在黑龍江地區已廣泛應用，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是用超輕陶粒混凝土小型空心切塊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開發有限公司采用頁巖陶粒復合砌塊在哈市建的典型節能建筑，該工程建筑面積為11345㎡七層，高為20.06m，計算傳熱系數小于0.48[w/(㎡·k)]根據當年“北鴻公司”提供的數據進行經濟分析結果：

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、具有長期節能50%和建筑物同壽命的技術效果，經濟價值更可觀。

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、隔熱層采用超輕陶粒混凝土，設計強度等級為LC7.5，混凝土密度為800～850kg/ m³，施工后實測強度10.2mpa，混凝土表現密度為800～840kg/ m³，導熱系數0.25w/m·k，技術性能指標滿足設計要求，1999年7月施工。

4.3高層建筑陶粒混凝土結構自保溫體系

湖南省建筑設計院結合南方地區某高層住宅的設計，對高層陶粒混凝土結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，體形系數分別為0.36、0.35、0.36滿足節能設計標準提出的體形系數小于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，分析數據見表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普通混凝土與陶粒混凝土熱工性能比較

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k=097w/㎡·k；內隔墻厚200,k=1.24w/㎡·k。剪力墻外墻均為250厚，內墻均為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比較表表4-2

承重結構類型及相關參數名稱			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高強陶粒混凝土（無保溫隔熱）
外墻	填充墻部分	K(w/㎡·k)	0.97	0.97	0.97
外墻	填充墻部分	D	3.43	3.43	3.43
外墻	承重結構部分	K(w/㎡·k)	2.86	1.33	2.03
	承重結構部分	D	2.97	3.21	3.43
	平均值	K(w/㎡·k)	2.29	1.2	1.75
	平均值	D	3.14	3.53	3.43
屋頂	K(w/㎡·k)		2.30	0.62	1.82
屋頂	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數據可見，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%，不能達到節能的標準要求，要達到節能建筑要求，必須采用在外圍護結構上設置保溫隔熱措施。而采用1800級高強陶粒混凝土作承重結構，在不采去外墻外保溫措施情況下，可以達到節能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，均難以達到節能50%要求。

5、結語

5.1 要根據表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數據所示，輕骨料混凝土小型空心砌塊根據各地區輕骨料資源情況，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，達到所處地區對外墻熱工設計限值要求。

5.3 在嚴寒和寒冷地區的結構性冷（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符合要求。

5.4在夏熱冬冷地區的高層（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能中的應用，應根據當地輕骨料資源情況，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能中達到良好的效果，成為建筑節能中的綠色節能材料。

參考資料：

[1] 輕骨料混凝土技術規程(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作組）

[3] 高層建筑高陶粒混凝土結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.朱衛中

[5] 承重保溫輕骨料小砌塊的應用和發展（黑龍江省寒地建筑科學研究院）周運燦.單星本.朱衛中