随着绿色建筑和智慧城市建设的推进, 建筑宜居功能方面的提升势在必行, 要求墙体材料除了满足力学性能之外, 还要具有良好的热工和声学等性能。微孔混凝土是一种具有轻质、保温、隔声等一系列优点的新型墙体材料, 中国建筑技术中心对其进行了深入研究, 拥有复合外墙板等一系列自主知识产权的专利技术, 特别是复合板具有承重、保温和装饰一体化的优点, 已在多项工程中成功应用^[1,2,3]。

微孔混凝土复合外墙板是由配筋混凝土作为承载层、微孔混凝土作为保温层连续浇筑而成, 适合应用于建筑工业化装配式结构, 根据各地区的节能和结构设计要求, 可以通过调整微孔混凝土的密度和厚度来实现, 本文研究了4种厚度保温层复合板的热工性能。微孔混凝土砌块也是内隔墙的首选材料, 其隔热、隔声性能也是其重要指标, 本项目的前期研究对其热工性能曾有过较多的试验研究^[3,4,5,6], 而本文主要针对其隔声性能进行了试验研究。本文在试验基础上, 结合设计规范和相关理论, 分别对复合板的传热系数、热惰性指标和砌块墙体的隔声性能指标进行了计算和分析, 结论对微孔混凝土墙体材料的应用有重要的参考价值。

制备普通混凝土和微孔混凝土的原材料主要有P·O 42.5水泥、Ⅱ级粉煤灰、三远牌硅灰、河砂、碎石、陶粒和发泡剂等。

1) 普通混凝土强度等级为C40, 配合比 (kg/m³) 为:水泥∶石子∶砂∶水∶减水剂=400∶900∶900∶170∶4.0。

2) 微孔混凝土通过物理发泡方式, 将泡沫加入到由胶凝材料、陶粒、外加剂和水制成的浆料中, 经过混合搅拌而成。本试验中微孔混凝土的设计密度为780kg/m³, 其配合比 (kg/m³) 为:水泥∶水∶陶粒∶粉煤灰∶硅灰∶泡沫=460∶160.5∶135∶94.4∶16.7∶492。

1) 抗压强度测试参照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行, 试件尺寸选用100mm×100mm×100mm。

2) 导热系数测试首先制备3块300mm×300mm×40mm的微孔混凝土试件, 经过标准养护28d后将试块放入鼓风干燥箱中 (105±5) ℃烘干至恒重, 并在干燥箱中冷却至室温, 最后通过DR-PD120A导热蓄热系数测定仪对试块进行导热系数测试, 具体测试方法参照GB/T10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》。

材料性能的试验结果如表1所示。由试验结果可知微孔混凝土的导热系数为0.223W/ (m·K) , 约为普通混凝土的1/7, 具有较好的保温隔热性能。同时其抗压强度为9.11MPa, 能够承受一定的荷载, 微孔混凝土通过与普通混凝土的复合, 在外围护结构中既能承受较大的竖向荷载, 也能具有良好的保温隔热作用。

为了研究微孔混凝土保温复合板的传热性能, 优化其构造, 制备了4块不同保温层厚度的保温复合板。板的平面尺寸为1 500mm×1 500mm, 普通混凝土层厚度为60mm, 微孔混凝土层厚度分别为50, 100, 150, 200mm。

对于微孔混凝土砌块墙体的隔声性能试验, 采用590mm (长) ×390mm (宽) ×200mm (厚) 的实心砌块砌筑的墙体。

保温复合板传热系数的测试采用热流计法。为了同条件下测试不同厚度保温板的传热系数, 设计了如图1所示的试验模型。通过加盖保温盖板和在试件侧面、交接缝处粘贴保温橡塑棉, 形成了一个温度恒定的密闭环境, 模型内放置1个恒温热源, 维持模型内的恒定温度。

试验时, 采用PT100铂电阻式电热偶温度传感器, 精确接触测量的RLJ-10050A热流传感器、JXJ-1建筑传热系数巡检仪, 其能够同时采集试件的热流密度、内外壁温度和室内外温度的数据并进行储存。热电偶和热流传感器的布置如图2所示, 室内外温度的测点布置参照JGJ/T357—2015《围护结构现场检测技术规程》。同时在测试过程中利用锡箔覆盖电热偶和热流传感器, 减少了热辐射对试验模型传热系数测试的影响^[6]。

试验开始时, 内外壁温度、热流密度变化毫无规律, 墙体传热不稳定, 处于紊乱状态, 当热流密度、内外壁温度规律变化, 墙体进入稳态传热时, 数据开始正式采集, 采样频率为30min, 采样周期为7d。实测传热系数的计算公式如下:

式中:K为试件的传热系数 (W/ (m²·K) ) ;t_ij为j时刻试件内表面温度 (K) ;t_ej为j时刻试件外表面温度 (K) ;q_j为j时刻热流密度测试值 (W/m²) ;R_i为内表面换热阻, 取0.11m²·K/W;R_e为外表面换热阻, 取0.04m²·K/W。

微孔混凝土砌块墙体的隔声试验在中国建筑技术中心隔声实验室进行, 隔声量的测试采用混响室法, 依据GB/T19889.3—2005《声学建筑和建筑构件隔声测量第3部分:建筑构件空气声隔声的实验室测量》进行测试。砌块墙体的测试面积为3.5m×3m, 双面抹灰 (每面抹灰厚度为10mm) , 面密度为216kg/m², 砌筑时对每个灰缝进行填补处理, 减少缝隙对试验结果的影响, 提高试验准确性。试验采用1/3倍频程对100~5 000Hz 18个中心频率进行测量。试验仪器为AWA6290多通道分析仪、AWA5510 (A) 型正十二面体无指向声源、AWA14400系列测量传声器和功率放大器等, 声源为白噪声。

通过对一维稳态情况下保温复合板传热数据的分析, 可以研究保温复合板抵御温度波动和热流波动的能力及热稳定性能, 同时通过声学试验, 研究微孔混凝土砌块墙体的隔声性能。

传热系数K是指在稳态条件下, 围护结构 (本文指保温复合板) 两侧空气温度差为1K时, 单位时间通过单位面积传递的热量。传热系数越小, 表征围护结构保温性能越好。GB50176—2016《民用建筑热工设计规范》给出了多层围护结构理论传热系数计算公式:

式中:δ_j为复合板第j层的厚度 (m) ;λ_j为复合板第j层的导热系数 (W· (m·K) ^-1) 。

表2为试件实测传热系数与理论传热系数计算结果。从表2可以看出: (1) 实测传热系数与理论传热系数偏差较小, 试验的可靠度较高。 (2) 随保温层厚度的增加, 保温复合板的热流密度逐渐减少, 热量的传递降低, 传热系数降低, 保温隔热性能增强。 (3) 对于夏热冬冷地区体形系数≤0.4的居民建筑, 相关标准规定外墙传热系数K≤1.5W/ (m²·K) ^[7], 本研究中, 保温层厚度为150, 200mm微孔混凝土保温复合板的实测传热系数分别为1.35, 0.94W/ (m²·K) , 满足夏热冬冷地区居民建筑外墙建筑节能设计要求。

本研究分别测试了保温层厚度为50, 100, 150, 200mm 4种复合板热流密度和内外壁温差的时程数据, 据此计算得出各复合板传热系数的时程曲线。不同保温层厚度复合板传热系数的时程变化规律相似, 但峰值有明显差别。本文仅将其中保温层厚度分别为150 (复合板厚度为60+150=210mm) , 200mm (复合板厚度为60+200=260mm) 复合板的时程曲线 (截取48h) 列于图3和图4。图3为复合板传热系数与热流密度的时程曲线, 图4为其传热系数与内外壁温差的时程曲线。从理论上讲, 在稳定传热条件下, 给定制品的传热系数应该不受温差的影响, 但是本试验是在室外环境跟踪昼夜温差实时变化条件下进行, 在复合板内外壁温差动态变化的情况下, 热流密度和传热系数都随时间呈现出规律性变化, 更能真实反映复合板在温差变化时的动态热工性能。由图3和图4可见, 传热系数与热流密度表现出相同的变化趋势, 而与内外壁温差表现出相反的变化趋势。210mm厚复合板的传热系数峰值约为1.75W/ (m²·K) (对应温差11.57℃) , 低谷值约为0.99W/ (m²·K) (对应温差16.24℃) ;260mm厚复合板的传热系数峰值约为1.31W/ (m²·K) (对应温差12.57℃) , 低谷值约为0.55W/ (m²·K) (对应温差17.23℃) 。这些实测数据对复合板的选用有重要的参考价值。

热惰性指标 (D值) 表征围护结构抵御温度波动和热流波动能力分无量纲指标, 是影响围护结构热稳定性能的主要因素。多层材料的热惰性指标通过式 (3) 求得。D值越大, 温度波穿过微孔混凝土保温复合板中衰减越快, 其热稳定性越好。

式中:R为材料层的热阻 (m²·K/W) ;S为材料层的蓄热系数 (W/ (m²·K) ) 。

材料的蓄热系数S是指材料储存或释放热量的能力。其值越大, 材料的热稳定性能越好。材料层的蓄热系数通过式 (4) 计算^[8]。求得微孔混凝土和普通混凝土的蓄热系数分别为3.61, 14.13W/ (m²·K) 。

式中:c为材料的比热容 (k J/ (kg·K) ) ;ρ为材料的表观干密度 (kg/m³) ;λ为材料的导热系数 (W/ (m·K) ) ;T为周期24h。

微孔混凝土保温复合板热惰性指标的计算结果如图5所示。由图5可知: (1) 随保温层厚度的增加, 微孔混凝土复合板热惰性指标越大, 热稳定性越好。 (2) 保温层厚度为200mm的复合板D值为3.8, 而同样厚度的黏土砖砌体 (λ=0.81W/ (m·K) , S=10.63W/ (m²·K) ) 的D值为3.28。微孔混凝土保温复合板比黏土砖砌体衰减温度波的能力大, 热稳定性能好。

建筑材料的隔声量 (R) 是入射到受测试件上的声能穿透试件时降低的分贝 (d B) 数, 是评价室内声环境的重要指标, 表示材料透声能力大小。R值越大, 建筑材料的隔声性能越好。计权隔声量 (R_W) 是对试件测量值用一种基准数值进行整合后获得的单值, 能够反映构件的隔声效果, 而且便于不同建筑构件之间进行隔声性能的比较。

微孔混凝土砌块墙体隔声量试验结果如图6所示。经计算该墙体的计权隔声量R_W=45d B, 根据GB50118—2010《民用建筑隔声设计规范》, 其结果满足相邻两户房间之间的隔声性能要求 (R_W≥45d B) ^[9], 具有较好的隔声性能。

1) 在本试验研究条件下, 测得表观密度为766kg/m³的微孔混凝土的导热系数为0.223W/ (m·K) 。200mm厚的微孔混凝土砌筑墙体的计权隔声量R_W为45d B, 满足《民用建筑隔声设计规范》中相邻两户房间之间的隔声性能要求 (R_W≥45d B) 。

2) 分别测试了结构层厚为60mm, 保温层厚分别为50, 100, 150, 200mm复合板的平均传热系数, 其中保温层厚度分别为150, 200mm板材的K值分别为1.35, 0.94W/ (m²·K) , 热惰性指标D值分别为3.0, 3.8, 满足建筑节能设计标准中的传热系数K≤1.5W/ (m²·K) , 热惰性指标D>2.5指标要求, 而且由于微孔混凝土墙材制品的热惰性值较大, 使建筑物更为宜居。

3) 分析了复合板传热系数在昼夜温差变化下的动态变化规律, 且实测传热系数与理论计算值吻合较好, 对其工程应用有重要的参考价值。