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含玻化微珠的陶粒混凝土外墙板保温性能分析

浏览: 发布日期:2020-09-16
    要:

本研究针对含玻化微珠的整体式外墙板保温性能进行分析,首先对传统玻化微珠生产工艺提出改性,得到更适用于外墙混凝土中的玻化微珠,然后针对含玻化微珠的陶粒混凝土外墙板进行理想模型分析,讨论玻化微珠掺量对外墙板保温隔热性能的影响,最后通过某工程实例,对冬季未供暖及冬季连续供暖两种工况进行室内外温湿度实测,验证玻化微珠应用于陶粒混凝土外墙板的保温性能。

Thermal Insulation Analysis of Ceramsite Concrete Exterior Wall Containing Glazed Hollow Beads

Dai Xueling Guo Jinlong Xiao Sanxia Chen Feng Lin Jianhui Zhang Pingping

School of Civil Engineering, Fujian Jiangxia University Huahui Construction Engineering Corporation Fujian Zhuoyue Hongchang Environmental Protection Intelligent Equipment Co., Ltd.

Abstract:

In this study, the thermal insulation performance of integral exterior wall containing glazed hollow beads is analyzed. Firstly, the traditional production process of glazed hollow beads is modified to obtain glazed hollow beads which are more suitable for exterior wall concrete. Secondly, the theoretical model of ceramsite concrete exterior wall containing glazed hollow beads is analyzed, and the effect of glazed hollow bead content on the thermal insulation performance of wall is discussed. Finally, through an engineering example, the indoor and outdoor temperature and humidity under two working conditions of unheated and continuous heating in winter were measured to verify the thermal insulation performance of glazed hollow beads applied to ceramsite concrete exterior wall.

目前我国用于建筑物外墙保温的材料主要为聚合物保温砂浆、聚合物保温板材这两类[1,2,3,4]。聚合有机材料使用寿命一般不超过20年,这个数字远低于普通建筑物的设计使用年限70年这一标准,这意味着外墙保温使用了聚合有机材料的建筑物,在其设计使用年限内需要进行数次的针对其外墙保温工程的修缮维护,建筑后期使用维护成本偏高;且聚合物板材多为可燃烧材料,其应用于工程中可能导致整体外墙发生燃烧等工程事故[5,6],造成极为不良的社会影响;再者在施工过程中,不论是聚合物保温砂浆还是聚合物保温板材,其施工工序均需要依托于已完工的混凝土主体结构工程,即在完成主体结构混凝土浇筑工序并达到一定凝结强度后,再进行保温砂浆或是保温板材的施工,施工工序相对较为繁琐,施工进度相对较长。

针对上述问题,已有文献提出采用在混凝土主体结构中加入绝热材料如玻化微珠、陶粒等,形成整体式外墙板[7,8,9,10]。该类型外墙板所使用的混凝土具有自重相对普通混凝土较轻的特点,且使用该类型外墙板在施工过程中不需要进行多步工序,混凝土一步浇筑即可同时完成主体结构施工和外墙保温施工,这些优点均有利于整体式外墙板在混凝土结构中的应用。因此,针对整体式外墙板的热工性能进行分析,讨论其作为外墙的保温性能,为进一步推广其在工程中的应用提供理论基础,具有重要的研究意义和工程价值。

1 玻化微珠的生产及改性

玻化微珠是一种无机轻质保温绝热颗粒材料,由火山岩矿石经开采后破碎、筛分、高温瞬时燃烧膨胀玻化而成。传统玻化微珠的生产过程,首先采用传统鳄式破碎机破碎工艺,将矿石破碎形成矿砂,由于矿石在形成矿砂时依靠矿石与矿石之间挤压破碎,容易使矿砂表面形成棱角。然后采用传统的电炉燃烧膨化工艺,炉内温度控制在1080℃左右,对矿砂进行高温燃烧,最终生成的玻化微珠颗粒表面呈白色,如图1(a)所示。传统工艺生成的玻化微珠颗粒壁薄、强度相对较低,且吸水率较高,可达约300%,而掺料过高的吸水率则要求配置混凝土拌合物时水的用量相应增大,混凝土凝结后容易在其内部形成气泡,降低混凝土强度并且容易因内部孔隙率过大而导致混凝土结构受冻融循环而产生空鼓、开裂等质量问题。

为此,针对传统玻化微珠生成过程提出工艺改性,首先采用离心式破碎机粉粹工艺,主要靠矿石与矿石之间碰撞破碎生产矿砂,生成的矿砂多为圆球形且大小较为均匀,保证了矿砂质量。然后采用分区可控温度式电炉对矿砂进行高温燃烧,炉内温度控制在1280~1360℃。在矿砂膨化出炉时喷洒氯化镁等外加剂,最终生成的玻化微珠颗粒表面淡黄色,如图1(b)所示。

改性工艺生成的玻化微珠不仅在颜色上和传统工艺所生成的玻化微珠有所区别,其性能上也相应有所改善。改性工艺生成的玻化微珠材料多呈不规则球状颗粒,内部为空腔结构,表面玻化封闭,如图2所示。物理性能方面具有质轻、隔热防火、耐高低温、抗老化、吸水率小、热惰性高、理化性能稳定等优良特性,通过测量,其导热系数为0.032~0.045W/(m·K),是一种高性能无机轻质保温绝热材料,适合作为掺料应用于整体式外墙板混凝土。

图1 玻化微珠颗粒

图1 玻化微珠颗粒   下载原图

Fig.1 Glazed hollow beads

图2 玻化微珠显微镜下的形状

图2 玻化微珠显微镜下的形状   下载原图

Fig.2 The shape of glazed hollow beads under microscope

2 外墙板传热系数分析

本研究中将玻化微珠和陶粒同时作为掺量加入整体式外墙板的混凝土中,由于玻化微珠的掺入,整体式外墙板混凝土的传热系数相比普通混凝土将有所下降,以下对其下降程度进行分析。对分析模型进行理想化建模,将整体式外墙板假设为玻化微珠层和陶粒混凝土层两层材料拼合起来的分层式墙体,如图3所示。

图3 分层式墙体

图3 分层式墙体   下载原图

Fig.3 Layered wall

以某高层住宅剪力墙结构为例,其钢筋混凝土外墙厚度设计为200mm,墙体的传热系数按公式(1)计算。

 

 

式子中,K代表整体式外墙板的传热系数,单位为W/(m2·K);a i、a e分别代表墙板内外表面的换热系数,单位为W/(m2·K);d 1、d 2分别代表分层式墙体各分层的厚度,单位为m;λ1、λ2分别代表各分层材料的导热系数,单位为W/(m·K)。

当玻化微珠掺量为30%时,分层式墙体模型中玻化微珠层厚度δ1=200mm×30%=60mm,陶粒混凝土层厚度δ2=200mm,取玻化微珠和陶粒混凝土的导热系数分别为λ1=0.045W/(m·K),λ2=0.95W/(m·K),墙体内外表面换热系数分别为a i=8.7W/(m2·K),a e=23W/(m2·K)。将以上各物理量带入公式(1),求得K=0.587W/(m2·K)。分析不同掺量的玻化微珠对整体式外墙板传热系数的影响,计算各自掺量下的墙体传热系数,如表1所示。

表1 不同掺量玻化微珠下的整体式外墙板传热系数 
Table 1 Heat transfer coefficient of integral exterior wall panel with different amount of glazed hollow beads     下载原表

整体式保温外墙板的传热系数与玻化微珠掺量之间的关系曲线如图4所示。从图4曲线可知,整体式保温外墙板的传热系数随着玻化微珠掺量的增加而降低,即随着玻化微珠在混凝土中比例增大,外墙板的传热性能逐渐降低,保温隔热性能逐渐增强。当玻化微珠体积掺量小于30%时,外墙板的传热系数降低幅度较大,保温隔热性能提高幅度较大,而当玻化微珠体积掺量大于30%时,外墙板的传热系数降低幅度较不明显,保温隔热性能提高有限,继续采用增加玻化微珠掺量来改善其保温隔热性能的效果不佳。因此,本研究建议在整体式保温外墙工程应用中,玻化微珠掺量可取30%。

图4 传热系数与玻化微珠掺量关系曲线   下载原图

Fig.4 Relationship between heat transfer coefficient and content of glazed hollow beads

3 实测温度对比分析

为验证含玻化微珠的陶粒混凝土外墙板保温性能,对某采用了整体式外墙板的建筑进行室内外温湿度实测,同时与未采用整体式外墙板的普通建筑进行对比。首先针对冬季未供暖工况下,室外温度为-12.6℃,湿度为51.8%,实测数据如图5所示。以图5中实测时刻0036为例,从图中可见,采用了整体式外墙板的建筑室内温度为9.0℃,湿度为50.6%,而普通建筑室内温度为-2.5℃,湿度为37.0%。采用了整体式外墙板的建筑室内在冬季未供暖工况下,能有效保持室内温湿度,缓解室内低温干燥的情况。

图5 冬季未供暖工况下室内外温湿度实测   下载原图

Fig.5 Indoor and outdoor temperature and humidity measurement under unheated condition in winter

再针对冬季连续供暖工况下,室外温度为-12.6℃,湿度为51.8%,实测数据如图6所示。以图6中实测时刻0036为例,从图中可见,采用了整体式外墙板的建筑室内温度为24.6℃,湿度为44.0%,而普通建筑室内温度为19.5℃,湿度为50.2%。采用了整体式外墙板的建筑室内在冬季连续供暖工况下,能有效减缓室内暖气向室外传导,有效保持室内温度,但更高的室内温度可能导致室内湿度下降。

图6 冬季连续供暖工况下室内外温湿度实测   下载原图

Fig.6 Indoor and outdoor temperature and humidity measurement under continuous heating in winter

4 结论

针对传统玻化微珠生成过程提出工艺改性,改性后的玻化微珠是一种高性能无机轻质保温绝热材料,适合作为掺料应用于整体式外墙板混凝土。随着玻化微珠在混凝土中比例增大,外墙板的传热性能逐渐降低,保温隔热性能逐渐增强,但当玻化微珠体积掺量大于30%时,外墙板的传热系数降低幅度较不明显,保温隔热性能提高有限,本研究建议在整体式保温外墙工程应用中,玻化微珠掺量可取30%,合理设计的含玻化微珠的陶粒混凝土整体式外墙板能有效起到冬日室内保温效果。


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