彭 浩，周東一，袁信國，禹翔天，楊紅艷，桑向斌

（1.邵陽學院機械與能源工程學院；2.中國鐵塔股份有限公司邵陽市分公司，湖南 邵陽 422000）

建筑能耗占社會總能耗的比重較大，2017年建筑能耗占社會總能耗的44%，而在當前既有建筑中，建筑能耗達標的比例較少，因此建筑節(jié)能成為全社會關(guān)注的焦點[1-2]。建筑節(jié)能是指建筑物在設(shè)計管理、材料生產(chǎn)、施工管理及運行維護過程中合理有效地利用能源，在達到既定目的后能降低能源消耗[3]。而圍護結(jié)構(gòu)是建筑物的重要組成部分，也是決定建筑是否節(jié)能的主要因素。節(jié)能型墻體材料必須具有較高的能源利用效率，采用先進的生產(chǎn)工藝和科學的施工過程管理，符合國家相關(guān)節(jié)能政策[4]。研發(fā)推廣新型節(jié)能墻體材料能有效地保護我國的耕地和環(huán)境，提高資源利用效率，減少無效能耗，緩解當前經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境之間的矛盾，促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[5]。因此，筆者研制了一種聚氨酯新型墻體材料，這是一種添加了廢棄聚氨酯類高分子材料的新型加氣混凝土砌塊，與傳統(tǒng)墻材相比，其具有保溫、隔熱、質(zhì)輕等優(yōu)點[6]。

1 聚氨酯新型墻材結(jié)構(gòu)組成

該聚氨酯新型墻材是一種新型加氣混凝土砌塊，主要原料為硅質(zhì)材料（如粉煤灰、砂、含硅尾礦等）、鈣質(zhì)材料（如石灰、水泥等），它是通過摻混發(fā)氣劑（如鋁粉等），再加水攪拌，經(jīng)化學反應(yīng)后形成孔隙，澆注成型后再經(jīng)預養(yǎng)切割、蒸壓養(yǎng)護等程序或工藝后形成的多孔硅酸鹽制品。該制品可以制成不同規(guī)格的砌塊、板材和保溫制品。其主要原材料除了生石灰、水泥、粉煤灰之外，還有石膏、鋁粉膏以及聚苯類和聚氨酯類高分子材料，其中，聚苯類高分子材料和聚氨酯類高分子材料均從廢棄物中提取。

該新型墻材對原材料的要求為：生石灰質(zhì)量符合JC/T621-1996；普通硅酸鹽水泥質(zhì)量符合GBl75-1999規(guī)定；粉煤灰中SiO2≥40%、Al2O3的含量為15%～35%、Fe2O3的含量＜15%、MgO的含量≤3.5%、SO3的含量≤2%、燒失量＜10%、細度（0.08 ㎜方孔篩篩余）＜15%；石膏中CaSO4·nH2O＞70%、細度（0.08 ㎜方孔篩篩余）＜15%；鋁粉膏質(zhì)量應(yīng)符合《加氣混凝土用鋁粉膏》JC/T407-91標準；聚氨酯類高分子材料要求將廢棄聚氨酯泡沫機械粉碎，最大粒徑不超過5 mm。

所制作成的試塊樣品如圖1所示，尺寸為240 mm*115 mm*53 mm。

圖1 聚氨酯新型墻材砌塊樣品

2 力學性能研究

本文主要對其力學性能進行研究分析，包括抗壓強度和抗折強度兩個方面。

2.1 砌塊抗壓強度試驗研究

2.1.1 測試原理

抗壓強度按式（1）計算，精確至0.1 MPa。

式中：R——抗壓強度（MPa）；P——破壞荷載（N）；L——受壓面的長度（mm）；B——受壓面的寬度（mm）。

2.1.2 測試過程

（1）儀器設(shè)備。試驗機為壓力試驗機，相對示值誤差小于1%，試驗機帶顯示受壓變形裝置；電熱鼓風干燥箱；干燥器；天平：稱量2 kg，分度值0.1 g；鋼直尺：分度值1 mm；游標卡尺：分度值0.05 mm。

（2）試件。隨機抽取五塊聚氨酯混凝土試件，平板在任一對角線方向距兩對角邊緣5 mm處到中心位置切取，試件厚度為制品厚度，但不應(yīng)大于寬度，試件表面平整，無裂紋。

（3）試驗步驟。先將五塊試件烘干到質(zhì)量不再改變，后冷卻至室溫；測量試件長度方向中心位置上、下兩面寬度和側(cè)面厚度，寬度、厚度結(jié)果取測量4次后的算術(shù)平均值，寬度與厚度都精確到1 mm；將試件放在試驗機承壓板上，且試件中心與試驗機承壓板中心重合；啟動試驗機，直到上壓板與試件最接近后停止；在控制面板上按<試驗>→<壓縮試驗>→<參數(shù)>（設(shè)定好參數(shù)值）→<試驗>→記錄峰值；試驗機將以10 mm/min的速度對試件加荷，則試件壓縮變形5%時的荷載為破壞荷數(shù)，記錄破壞荷數(shù)P1精確至10 N；結(jié)果計算：每個試件的抗壓強度精確至0.01 MPa（見圖2）。

圖2 試件抗壓強度測試

2.2 砌塊抗折強度試驗研究

2.2.1 測試原理

抗彎強度按式（2）計算，精確至0.1 MPa。

式中：σf——抗壓強度（MPa）；M——斷裂負荷P所產(chǎn)生的最大彎矩；Z——試樣斷裂模數(shù)。

對于矩形截面的試樣，其M、Z的計算公式分別為：

式中：P——試樣斷裂時讀到的負荷值（N）；L——支架兩支點間的跨距（m）；b——試樣橫截面寬（m）；h——試樣高度（m）。

則對于矩形截面的試樣，其抗彎強度（MPa）為：

2.2.2 測試過程

（1）儀器設(shè)備。試驗機：50～300 kN抗折試驗機；抗折試驗裝置：采用三分點處雙點加荷和三點自由支承式混凝土抗折強度與抗折彈性模量試驗裝置，如圖3所示。

圖3 抗折強度試驗

（2）試驗方法。測出試件寬度和高度，結(jié)果精確至l mm；調(diào)節(jié)兩個可移動支座至其與試驗機下壓頭中心距離為225 mm后固定兩支座，將試件置于支座上且試件成型時的側(cè)面朝上，幾何對中后，緩慢加一約l kN的初荷載，后再以0.5～0.7 MPa/s的加荷速度均勻而連續(xù)地加荷，當試件接近破壞開始迅速變形時停止調(diào)整試驗機油門，直到試件破壞，這時記下最大荷載；以3個試件測值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗折強度值。3個測值中的最大值或最小值中如有一個與中間值的差值超過中間值的15%，則把最大值或最小值一并舍去，取中間值作為該組試件的抗折強度，3個測值中的最大值或最小值中如有兩個與中間值的差值超過中間值的15%，則該組試件試驗結(jié)果無效。

2.3 測試結(jié)果

取5個試塊樣品進行測試，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 力學性能測試結(jié)果

2.4 結(jié)果分析

按照《蒸壓加氣混凝土砌塊》標準規(guī)定，新型聚氨酯混凝土試塊的強度級別已基本合格，滿足建筑規(guī)范規(guī)定的相關(guān)要求，也能達到我國大部分地區(qū)對于砌塊用于承重墻體的抗壓強度和抗折強度設(shè)計要求。

3 主要熱工性能測定

墻體是建筑圍護結(jié)構(gòu)不可缺少的組成部分，既要滿足相應(yīng)力學性能要求，也要滿足相應(yīng)保溫性能要求。下面以《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB50176-93）為標準，對新型聚氨酯混凝土砌塊在不采取額外保溫措施的情況下，對砌塊的熱工性能進行研究，以此來綜合評價該新型墻材的適用性。

3.1 圍護結(jié)構(gòu)熱阻的計算

3.1.1 單層圍護結(jié)構(gòu)熱阻

式中：R——材料熱阻（m2·K/W）；δ——材料層厚度（m）；λ——材料導熱系數(shù)[W/（m·K）]。

3.1.2 多層結(jié)構(gòu)熱阻

式中：R1、R2……Rn——各層材料熱阻（m2·K/W）；δ1、δ2……δn——各層材料厚度（m）；λ1、λ2……λn——各層材料導熱系數(shù)[W/（m·K）]。

3.1.2 圍護結(jié)構(gòu)的傳熱阻

式中：Ri——內(nèi)表面換熱阻（m2·K/W）（一般取0.11）；Re——外表面換熱阻（m2·K/W）（一般取0.04）；R——圍護結(jié)構(gòu)熱阻（m2·K/W）。

3.2 導熱系數(shù)測試過程

3.2.1 測試原理

導熱系數(shù)（熱導率）是反映材料導熱性能的物理量，它不僅是評價材料熱學特性的依據(jù)，也是材料應(yīng)用的一個設(shè)計依據(jù)，加熱器、散熱器、傳熱管道設(shè)計和房屋設(shè)計等工程實踐都涉及這個參數(shù)。它的物理定義是在特定的傳熱條件下，當兩側(cè)溫差為1℃時，單位厚度的材料在單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量[7]。

式中，λ為導熱系數(shù)；Q為材料傳導的熱量；a為材料的厚度；（θ1-θ2）為材料兩側(cè)溫度差；F為材料傳熱面積；Z為傳熱時間。

本文導熱系數(shù)按熱線法進行測試。

3.2.2 測試結(jié)果

取5個試塊樣品進行測試，試驗結(jié)果如表2所示。

綜上，該新型墻材的主要熱工參數(shù)均滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GBT50189-2005）的節(jié)能設(shè)計要求。

表2 熱工性能測定結(jié)果

4 結(jié)論

（1）新型聚氨酯墻材導熱系數(shù)低，熱工性能好。當硬質(zhì)聚氨酯密度為35～40 kg/m3時，導熱系數(shù)在0.022 W/（m·K）左右浮動，它是目前所有保溫材料中導熱系數(shù)最低的。

（2）對新型聚氨酯墻材力學性能進行研究分析，包括抗壓強度和抗彎強度兩個方面，結(jié)果都符合建筑規(guī)范相關(guān)要求。

（3）聚氨酯在添加阻燃劑后，是一種難燃的自熄性材料，它的軟化點可達到250℃，僅在較高溫度時才會出現(xiàn)分解。另外，聚氨酯在燃燒時會在其泡沫表面形成積碳，這層積碳有助隔離下面的泡沫，能有效地防止火焰蔓延，而且，聚氨酯在高溫下也不產(chǎn)生有害氣體。

（4）廢棄聚氨酯材料的回收利用是一項綠色事業(yè)，對于保護環(huán)境、實現(xiàn)資源的合理利用和實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略都十分有利。把廢棄聚氨酯材料用于圍護結(jié)構(gòu)中，既能夠?qū)ㄖ锲鸬奖氐淖饔?，又能?jié)約資源，推進環(huán)保事業(yè)的快速發(fā)展。

1 董 利.我國能源效率變化趨勢的影響因素分析[J].產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟研究.2008，（1）：8-18.

2 劉培琴，劉淑敏.我國建筑節(jié)能現(xiàn)狀及發(fā)展[J].煤氣與熱力，2002，22（3）：255-256.

3 中華人民共和國全國人民代表大會常務(wù)委員會.中華人民共和國節(jié)約能源法[M].北京：中國法制出版社，2016.

4 Rashid，Akram，Qureshi，etal.Energy conservation in developing countries using green building idea[J].Journal of Physics：Conference Series，2013，439（1）：1-9.

5 王沁芳，范一菁，萬榮娟.建筑節(jié)能現(xiàn)狀及建筑節(jié)能新技術(shù)[J].磚瓦，2011，（3）：37-39.

6 沈 錚，肖力光，趙 壯.新型墻體材料發(fā)展現(xiàn)狀[J].吉林建筑工程學院學報，2010，27（3）：36-39

7 李保春，董有爾.熱線法測量保溫材料的導熱系數(shù)[J].中國測試技術(shù)，2005，31（6）：25.