自保温墙体材料研究进展及发展趋势分析

郑安然

（1.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031）

1 引言

随着我国城市化建设步伐的加快，能源消耗与节能环保理念之间的矛盾日益凸显。建筑物墙体材料在生产和施工过程中会产生巨大能耗，提高墙体材料的节能性能成为降低能耗的重要举措[1]。目前，我国的外墙保温体系采用的保温材料主要分为聚苯板和聚苯颗粒两类。聚苯板一般通过粘贴或者外挂的形式置于墙体外侧，但在实际施工中墙角、板与板之间等部位质量不易控制；聚苯颗粒则是通过现场拌制的途径运用在外墙保温体系中，拌制质量受到现场工人技术的直接影响，使得保温层的质量不稳定[2]。自保温墙体通过单一墙体材料砌筑而成，在不依赖保温材料的前提下，达到建筑节能65%的设计标准，其克服了传统外墙保温体系存在的不足，已在建筑工程中广泛应用。自保温墙体主要通过使用加气混凝土砌块、多孔砖等材料使其自身达到良好的保温隔热性能，且这些材料寿命与建筑物基本一致。目前市场上运用最广泛的几类自保温材料主要有蒸压加气混凝土材料、轻骨料夹芯混凝土材料及石膏制品，国内外学者从墙体新材料、墙体力学性能、墙体材料构造型式等角度，对上述墙体材料开展了相关研究[3～5]。

2 研究现状

2.1 蒸压加气混凝土制品

相对于其他墙体材料，蒸压加气混凝土材料的传热系数较低，通常在0.8～1.0W(m2·K)之间，可以满足夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的建筑节能设计要求[6～7]，但在我国北方严寒地区应用时，还需配合保温材料。蒸压加气混凝土材料具备质量轻、强度高、保温性能好、环保等优势，在高层建筑及框架结构中被广泛应用。对蒸压加气混凝土材料的生产工艺进行优化，提高其保温性能和力学性能等指标，是当前国内外学者们聚焦的方向。张泓泓等[8]探究了赤泥含量对蒸压加气混凝土流动性及力学性能的影响，研究结果表明，赤泥掺量的增加会导致制品的力学性能下降、气孔形态变差，该问题可以通过调整水料比来进行改善。王月栋等[9]研制了一种集保温和装饰功能为一体的蒸压加气混凝土复合墙板，提出了复合墙板传热系数的简化计算方法，试验结果表明，该计算方法较传统规范法及数值模拟方法计算精度提升明显。胡东萍等[10]以硅质石灰石尾矿为主要原料，铝粉膏为引气剂，制备了蒸压加气混凝土，研究了不同石灰石尾矿掺量对蒸压加气混凝土的物理力学性能及导热性能的影响。研究结果表明，石灰石尾矿的掺入可以降低加气混凝土的导热系数，增强其保温性能；且当石灰石尾矿掺量为20%、40%时，其导热系数最低且符合规范要求。Chen Gonglian等[11]研究了孔隙结构对蒸压加气混凝土力学性能和导热性能的影响。试验结果表明，在表观密度基本相同的情况下，蒸压加气混凝土的导热系数随着孔径的增大而逐渐增大，但对抗压强度影响不大。Cong Xinyu等[12]研究了自燃煤矸石基蒸压加气混凝土（SCGAAC）的吸水性和抗冻性能，利用泡沫稳定剂来调整材料孔隙结构，并进行了吸水试验和冻融试验。结果表明，含泡沫稳定剂和硬脂酸钙的SCGAAC 的抗压强度均有不同程度的下降。在吸水方面，泡沫稳定剂没有降低水的含量，反而提高了吸水率。经过50 次冻融循环，所有SCGAAC 样品均表现出良好的抗冻性能。

2.2 轻骨料混凝土制品

轻骨料混凝土具备质量轻、强度高、耐久性能及抗冻性能优异等优势，近年来发展极为迅速，目前市场上已出现品类繁多的轻骨料混凝土制品。但轻骨料混凝土自身保温性能较弱，通常需要添加芯材或者空气层，以达到节能和保温要求。童格军等[13]以不同复合陶粒、陶砂、聚丙烯纤维掺量为变量，研究了3种材料不同掺量下的轻骨料纤维喷射混凝土性能，进行了力学强度、导热性能及微观结构等相关试验。试验结果表明，3种材料掺量对该混凝土的力学及导热性能的影响程度为复合陶粒＞陶砂＞聚丙烯纤维，且经过试验得出，复合陶粒、陶砂、聚丙烯纤维的最佳体积率分别为12%，6%、0.2%～0.3%。管文[14]研制了一种应用于装配式建筑的新型轻骨料混凝土，并对使用该材料预制的外挂保温墙板进行测试，测试其防水和保温性能。试验结果表明，该新型轻骨料混凝土相较于同等强度等级的普通混凝土，在养护完成后，保温和抗冻性能均显著提高，最后利用面砖反打的防护层施工新方法提高了该材料所制保温墙板的防水性能。夏明钢等[15]使用普通硅酸盐水泥和煅烧硅藻土制备了一种新型轻骨料混凝土，对不同煅烧温度及硅藻土配比对轻骨料混凝土性能的影响进行试验研究。研究结果表明，轻骨料混凝土的力学性能随着煅烧温度的升高和硅藻土配比的增大而增强。煅烧温度达到850℃，所制备的轻骨料混凝土导热系数可低至0.167W/(m·K)，满足规范要求。Li Min等[16]研究了相变陶粒砂的制备、储热性能和储热轻质混凝土的保温性能。试验结果表明，制备的轻质储热混凝土强度符合规范要求，且具有轻质性和良好的温度调节性能。Bouyahyaoui A 等[17]通过用火山灰的砾石和沙子来代替不同比例的普通砾石和沙子，研制出一种新型轻骨料混凝土，并通过试验研究了火山灰对轻骨料混凝土热导率的影响，测定了样品的热导率和热容量。结果表明，火山灰是一种具有较高热阻的局部材料，可作为一种良好的传热和节能隔热材料应用于建筑中。

2.3 石膏制品

石膏制品同上述两种材料一样，具备质量轻、强度高、保温防火等优势，但其耐水性能不如上述2 种材料。近年来国内外学者在增强石膏制品耐水性方面做了很多的研究工作。刘开平等[18]研究了磷酸掺量对石膏制品耐水性能的影响，发现当磷酸掺量为0.15%时，石膏制品的耐水性能显著提高。刘同卫等[19]以脱硫石膏为主要胶凝材料，以聚苯颗粒为轻质骨料，同时分别掺加可再分散乳胶粉、硬脂酸乳液和复合防水剂3 种外加剂，制备一种新型发泡保温材料。通过试验研究3 种不同外加剂对该保温材料防水性能的影响。试验结果表明，复合防水剂的防水效果最优，综合材料成本和防水性能，最终确定复合防水剂最优掺量为4%。刘卓等[20]研究了膨胀蛭石的掺量及粒径对石膏制品材料性能的影响，结果表明，当膨胀蛭石粒径为3 mm ～4mm，掺量为15%时，对石膏制品材料的力学性能及保温性能影响最为显著。宋博辉等[21]研制了一种新型建筑楼盖结构形式——磷石膏空腔模无梁楼盖，该结构具备良好的保温性能。基于分析计算和数值模拟，提出一种新型无梁楼盖磷石膏复合空腔层模盒。Li Linlin等[22]采用双氧水作为发泡剂降低脱硫石膏保温材料的密度和导热系数，采用玻璃纤维增强脱硫石膏保温材料的性能，同时研究了脱硫石膏保温材料的力学性能，并利用SEM 观察了试样内部微观形貌。结果表明，混合发泡剂显著降低了样品的密度和导热系数，当发泡剂添加量为4% 时，最低导热系数为0.051W/(m·K)。将VAE 乳液包裹在玻璃纤维表面，玻璃纤维表面改性后可以提高样品的强度。玻璃纤维表面改性后的试样的抗弯强度和抗压强度比未改性的试样分别提高了18.75%和6.98%。

3 发展趋势

①充分利用已有的成熟工艺和技术对当地的废物矿渣进行加工，以满足本地区节能设计要求为前提，因地适宜研发适用于本地区的新型自保温墙体材料。

②在不增加墙体厚度的前提下，进一步提高自保温墙体材料的蓄热系数，满足节能65%的设计标准。

③自保温材料的密度较低，力学性能、抗冻性能较差，今后应在保证自保温材料热工性能的基础上进一步克服上述问题。

④墙间砌缝处的热桥问题是当前自保温墙体面临的一大技术难题，一般采用设计优化的方式来规避。墙间连接措施是保证墙体结构安全及稳定的重要环节，也是今后研究的热点。

⑤进一步完善自保温墙体材料的相关设计标准和规范，用标准和规范指导生产和施工，进一步加快自保温墙体材料在建筑工程中的应用。

4 结论

我国目前广泛应用的外墙保温体系存在质量不可控、服役周期短等劣势，当下正值我国大力发展绿色节能建筑的新时代，相关部门针对固体废弃物的回收、利用，出台了一系列优惠政策，因地适宜利用当地的固体废弃生产新型自保温墙体材料成为行业的大势所趋。自保温墙体材料必须紧紧扣住绿色和节能两个关键点，才会有更广阔的市场前景。