張喜明 何子璇 寧淑嬪

（吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院 吉林長春 130118）

0 引言

2017年我國北方城鎮(zhèn)供暖能耗為2.01億tce（噸標準煤），占建筑能耗的21%，外墻傳熱耗熱量約占整體圍護結(jié)構(gòu)的28%以上，建筑保溫水平提高和生物質(zhì)能源方式占比提高均可使供暖能耗降低［1-2］。我國城鎮(zhèn)供熱熱源中仍有超過一半是各類鍋爐，煤炭燃燒排放大量的NOx、SO2、CO2等氣體以及細顆粒物，造成大氣環(huán)境質(zhì)量急劇下降［3］。國家生態(tài)環(huán)境部提出在“十四五”期間繼續(xù)將單位GDP二氧化碳排放下降率作為一個指標，加快低碳技術(shù)的推廣應用和低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展［4］。

生物質(zhì)能源是唯一以燃料形式使用的零碳能源，將來應該在我國能源利用上占比達到 10%以上［5］。吉林省內(nèi)豐富的秸稈資源和大量的供暖能源需求共存，大量的秸稈被丟棄焚燒，秸稈資源利用率僅為70%［6-7］。秸稈塊導熱系數(shù)小承載能力相對比較差，將其填充于抗壓強度大的混凝土空心砌塊之中，形成秸桿混凝土復合砌塊，在增加墻體保溫性能的同時使秸稈這種農(nóng)業(yè)廢料得到了充分利用［8-9］，可廣泛用于城鎮(zhèn)。

為制作滿足一定抗壓強度和節(jié)能性好的秸稈混凝土砌塊，研究中把秸稈堿化壓塊并加入礦渣水泥混凝土、摻入粉煤灰的普通硅酸鹽混凝土和普通硅酸鹽混凝土后制作成不同的秸稈混凝土砌塊，對其性能及應用進行分析比較，計算秸稈混凝土砌塊在墻體保溫方面節(jié)約的能量及少向大氣排放的污染物質(zhì)量。證明其達到了廢棄資源利用與優(yōu)化房屋保溫功能減小能耗的作用，實現(xiàn)建筑和自然的和諧共生。

1 材料與方法

1.1 樣品制備

由于砌塊主要是在建筑中起支撐及保溫的作用，因此對其做抗壓測試與導熱性能測試。據(jù)GB/T2542—2003《砌墻磚試驗方法》，空心磚的孔洞總面積占其所在磚面積的百分率稱為空心磚的孔洞率，一般應在15%以上。因此設計的秸稈混凝土砌塊孔洞部分表面積占比分別為 0.2、0.25、0.3、0.35、0.45。 據(jù)GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能測試方法標準》，秸稈混凝土砌塊尺寸大小定為150 mm×150 mm×150 mm。

抗壓測試的試塊一共45塊：普通硅酸鹽水泥秸稈混凝土砌塊、礦渣水泥秸稈混凝土砌塊、粉煤灰水泥秸稈混凝土砌塊3種砌塊按照5種孔洞率分別制作3塊，并且做好標記。例如3塊孔洞率為20%的普通硅酸鹽水泥混凝土砌塊分別標記為P1.1-20%、P1.2-20%、P1.3-20%。導熱性能測試的試塊一共12塊：普通硅酸鹽水泥混凝土砌塊、粉煤灰水泥混凝砌塊、礦渣水泥混凝土砌塊、秸稈塊4種材料塊每樣3塊，同樣做好標記。

樣品制備流程圖如圖1所示，采用堿化的方式將玉米秸稈、熟石灰、水這3種材料按照2∶1.4∶1的配合比制成5種不同大小的秸稈塊。據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，采用的是符合一般工程要求的C30強度等級 （30 MPa≤抗壓強度≤35 MPa）作為混凝土配合比的依據(jù)，3種混凝土分別是普通硅酸鹽水泥、摻入粉煤灰的普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥混凝土。據(jù)JGJ28—86《粉煤灰在混凝土和砂漿中應用技術(shù)規(guī)程》，在普通硅酸鹽水泥混凝土中粉煤灰的取代率不能超過15%，通過大量的文獻閱讀參考選取10%為取代率。參考JGJ55—2011《混凝土配合比設計手冊》和文獻［10］來配制礦渣水泥混凝土。其中礦渣水泥的材料占比為：粉煤灰∶礦渣硅酸鹽水泥熟料∶礦渣∶石膏=45∶42∶8∶5。 3 種混凝土材料的配合比如表 1 所示。

表1 不同混凝土所需原材料配合比

1.2 試驗設計與方法

抗壓測試選用型號為JES-2000A型的壓力試驗機，此壓力試驗機的最大試驗力為2000 kN，精度等級為1級，導熱性能試驗選用JTRG-Ⅲ導熱測試儀，2臺試驗設備見圖2。

抗壓測試步驟：（1）檢查壓力試驗機的精度，并確定其破壞荷載量程為20%～80%。（2）將壓力板的上下面擦拭干凈后，把試塊的中心與壓力板面的中心對齊放在下壓力板上。（3）對試塊進行強度等級為C30的擠壓測試時，選取的加荷速度為0.5～0.8 MPa/s。（4）在試塊接近破壞時，停止調(diào)整壓力試驗機的油門。當試件破壞后記錄試驗機所顯示的測試值并整理。

秸稈塊是以一個整體夾在混凝土砌塊中，所以在進行導熱系數(shù)測試時對秸稈塊和混凝土分別測試。導熱性能測試步驟：（1）將制作好的試塊放入100℃烘箱中進行烘干處理，直至試塊的質(zhì)量不再發(fā)生變化。（2）待烘干后的試塊冷卻至室溫后將試塊放置在設置的冷板溫度為0℃，熱板溫度為50℃的導熱測試儀中進行測試。（3）待測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，做好記錄并整理。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果分析

經(jīng)抗壓試驗得到測試結(jié)果，整理后如圖3。

由圖3可知，當秸稈塊表面積占比為20%、25%時，3種材料的混凝土砌塊都符合強度等級為C30的墻體抗壓要求。當秸稈表面積占比為30%時，礦渣水泥混凝土砌塊同樣符合其墻體抗壓要求。當秸稈表面積占比為35%、40%、45%時，測得抗壓強度均小于30 MPa，不符合其墻體抗壓要求。

經(jīng)導熱性能測試，得到測試結(jié)果并且計算當大小為150 mm×150 mm×150 mm時不同種類試塊的導熱熱阻，整理后如表2；通過此試驗數(shù)據(jù)計算可得出孔洞率為0.25時，大小為150 mm×150 mm×150 mm各種秸稈混凝土砌塊的平均導熱系數(shù)和平均熱阻，整理后如表3。

表2 不同種類試塊的平均導熱系數(shù)及平均熱阻

表3 同尺寸不同種類砌塊的平均導熱系數(shù)及平均熱阻

由表2、表3可知，試塊中的導熱系數(shù)由小到大依次是秸稈塊、礦渣水泥混凝土塊、粉煤灰水泥混凝土塊和普通硅酸鹽水泥混凝土塊。相同尺寸下導熱系數(shù)從小到大依次為秸稈塊、礦渣水泥秸稈混凝土塊、粉煤灰水泥秸稈混凝土塊、礦渣水泥混凝土塊、粉煤灰水泥混凝土砌塊、普通硅酸鹽水泥秸稈混凝土塊、普通硅酸鹽水泥混凝土塊。加入秸稈塊后形成的秸稈混凝土砌塊導熱系數(shù)均變小，秸稈混凝土砌塊熱阻均大于普通硅酸鹽水泥混凝土砌塊熱阻。

2.2 在建筑節(jié)能中的應用

以長春市住宅為例，取室外計算溫度、室內(nèi)計算溫度分別為-23、20 ℃，外墻要求的最小傳熱阻為 0.824 （m2·K）/W［11］。表2和表3的數(shù)據(jù)經(jīng)式（1）計算并證明普通硅酸鹽水泥混凝土砌塊和秸稈混凝土砌塊建筑外墻時傳熱阻均大于0.824 （m2·K）/W，符合規(guī)范。據(jù)2019年吉林省統(tǒng)計年鑒，2018年長春新開工建筑為247.80萬m2，約7成為住宅，則新建住宅面積為173.46萬m2。住宅工程中外墻面積一般占建筑面積的0.62～0.71，本文取 0.65，則住宅外墻面積為 112.75萬 m2。由式（2）、式（3）可計算4種混凝土砌塊建筑外墻的基本耗熱量，整理后如表4。

式中：R0、Ri、Re、R 分別為墻體傳熱熱阻、內(nèi)表面換熱阻、外表面換熱阻、墻體熱阻、圍護結(jié)構(gòu)最小傳熱阻，（m2·K）/W，其中Ri、Re取值分別為 0.11、0.04（m2·K）/W［12］，R 取值見表 5 和表 6；Q 為外墻基本耗熱量，W；K 為墻體傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；A 為外墻面積，m2，取值為 1 127 500 m2。 tR、t0分別為冬季室外設計溫度、冬季室內(nèi)溫度，℃，取值見上文；ɑ為溫差修正系數(shù)，取值為 1.00［11］。

表4 4種混凝土砌塊建筑外墻的基本耗熱量

標準煤的熱值為每千克29 307 kJ，長春市供暖期為169天。長春市新建住宅全部應用3種秸稈混凝土砌塊比普通硅酸鹽水泥混凝土砌塊在供暖期中節(jié)約的能量以標準煤為度量單位進行比較，整理后如表5。

表5 應用3種秸稈混凝土砌塊所節(jié)約能量

根據(jù)國家發(fā)改委提供的數(shù)據(jù)，工業(yè)鍋爐每燃燒一噸標準煤，就產(chǎn)生 CO22 620 kg，SO28.5 kg，NOx 7.4 kg。 在保溫性能方面少產(chǎn)生污染物的量如表6。

表6 在保溫性能方面少產(chǎn)生氣體的量 單位：t

3 結(jié)論

（1）抗壓測試表明：符合強度等級C30的墻體抗壓要求的砌塊孔洞率為0.2、0.25的3種材料的秸稈混凝土砌塊和孔洞率為0.3的礦渣水泥秸稈混凝土砌塊。

（2）導熱性能測試及計算表明：當孔洞率為0.25時，不同種類的秸稈混凝土砌塊的平均導熱系數(shù)從小到大依次為普通硅酸鹽水泥秸稈混凝土砌塊、粉煤灰水泥秸稈混凝土砌塊、礦渣水泥秸稈混凝土砌塊。

（3）以長春市為例，城鎮(zhèn)新建住宅外墻材料采用孔洞率為0.25的礦渣水泥秸稈混凝土砌塊、粉煤灰水泥秸稈混凝土砌塊、普通硅酸鹽水泥秸稈混凝土砌塊，供暖期會節(jié)約能量分別約為 2 239.68、2 086.19、672.75 tce，少向空氣中釋放 CO2、SO2、NOx 的質(zhì)量分別平均約為 5 867.96、19.04、16.57 t，5 465.82、17.73、15.44 t，1 762.61、5.72、4.98 t，相比得出應用礦渣水泥秸稈混凝土砌塊最節(jié)能環(huán)保。