秸秆轻质隔墙复合条板工程应用的试验研究

赵龙龙，黄东升，王骁睿，周年强

(南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)



秸秆轻质隔墙复合条板工程应用的试验研究

赵龙龙，黄东升，王骁睿，周年强

(南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)

提出一种由不同厚度、不同密度的秸秆板胶合而成的秸秆轻质隔墙复合条板。对复合条板保温隔声性能以及耐火性能进行试验研究，分析其作为建筑隔墙应用到实际工程的可行性。试验结果表明：秸秆材料传热系数仅为秸秆混凝土的2.8%，具有良好的保温性能，且保温性能与试件厚度有关，试件厚度越厚，保温效果越好；秸秆材料在中低频段的吸声性能最好，且在测试频率范围内，吸声性能也优于传统建筑材料，表明秸秆材料是良好的建筑隔声构造材料；复合条板两侧分别加12 mm的防火石膏板后的耐火极限超过1.5 h，满足规范规定建筑隔墙耐火极限0.75 h的要求。秸秆轻质隔墙复合条板作为一种新型建筑隔墙，若在实际工程中得到广泛应用，不仅能缓解当前国家所面临的能源问题，也能很大程度上解决废弃秸秆回收利用难题。

秸秆轻质隔墙复合条板；保温性能；隔声性能；耐火性能

0　引　言

我国是一个能源消费大国，全年能源消耗仅次于美国，总量居世界第二位[1]。与此同时，能源生产的增长速度滞后于国民经济的增长速度，能源问题逐渐成为我国需要解决的重大课题之一。随着我国经济的快速发展、城市化水平不断加深和居民生活水平的提高，建筑耗能占我国能源消耗总量的比例已从20世纪80年代初的10%增加到2000年的27.6%[2]。因此，建筑节能已成为我国能源可持续性发展行动的重要组成。随着人们对节能意识的增强及环境问题的广泛重视，研制新型墙体材料已成为建筑业的发展趋势。我国是农业大国，农作物秸秆资源十分丰富[3]。据统计，2007年我国的7种主要农产品产量约为5亿t，年秸秆产量约为7亿t。并且随着农作物产量逐年增加，秸秆产量也呈现逐年增加的趋势。然而长期以来的秸秆处理问题一直是困扰国家与个人生产生活的热点问题。对原本废弃的秸秆加以研究，将其制作成新型建筑材料成为国内外众多学者重视的课题[4-13]。

本文提出一种秸秆轻质隔墙复合条板，由不同厚度、不同密度的秸秆板胶合而成，中间为低密度内衬板(ρ≤400 kg/m3)，两侧为高密度外面板(ρ≥700 kg/m3)。研究秸秆轻质隔墙复合条板的保温隔声性能、耐火性能，探究其作为建筑隔墙应用于实际工程的可行性。

1　秸秆轻质隔墙复合条板保温特性

1.1基本定义

在实施建筑节能的各项措施中，墙体保温隔热材料的运用是最行之有效的。秸秆轻质隔墙复合条板保温特性通过传热系数K来描述，传热系数K值是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1℃，1 h内通过1 m2面积传递的热量，单位是W/m2·℃，它充分考虑热量传递的3种方式，即热传导、热对流、热辐射，反映材料保持温度稳定和减小热量耗损的能力。

式中：q为热流平均值；T1为热箱各点温度的平均值；T2为冷箱各点温度的平均值。

1.2试件设计

根据K值定义，设计两种尺寸的秸秆板分别进行试验，试件尺寸分别为1 000 mm×1 000 mm×120 mm，1 000 mm×1 000 mm×200 mm，在JW-I 型墙体及玻璃制品保温性能检测装置中完成保温特性试验，装置如图1所示。

图1　JW-I 型墙体及玻璃制品保温性能检测装置图Fig.1 JW-I type wall and equipment of thermal performance test for glassware

图2　驻波管

冷端温度/℃热端温度/℃热流/W温差/℃传热系数/(W·m-2.K-1)平均传热系数/(W·m-2.K-1)3.22029.7471.49026.5270.0563.34730.1131.25326.7670.0463.37329.6801.52126.3070.0583.06729.9331.50226.8670.0560.054

表2　200 mm厚试件试验结果

1.3试验结果

分析试验结果(见表1和表2)可知，同等温度条件下，120 mm厚的试件传热系数为0.054 W/m2.K，200 mm厚的试件传热系数为0.030 W/m2.K。查阅相关资料得知：190 mm厚混凝土传热系数为1.74 W/m2.K[14]，200 mm厚秸秆混凝土传热系数为1.08 W/m2.K[15]。由此可知：同种材料同样的条件下，厚度大的试件比厚度小的传热系数小，即保温效果随着试件厚度的增加而增强；秸秆混凝土的保温性能优于混凝土，纯秸秆材料传热系数远小于相同厚度的秸秆混凝土，仅为秸秆混凝土的2.8%，可以起到更好的保温效果。这是因为秸秆材料密度低，且内部疏松多孔，存在大量的不流动空气，这些不流动的空气阻隔了热量的传导，从而使得秸秆材料拥有良好的保温效果。

2　秸秆轻质隔墙复合条板隔声性能

隔声性能优劣是建筑隔墙材料选择的重要依据。常用隔声性能评价指标是吸声系数αP，αP为材料吸收的声能与入射声能的比值，反映材料吸收声音、减小声音传播的能力，其值越大，表示建筑隔墙隔声能力越强。

2.1试验方案

本实验采用驻波管(如图2所示)法测法向吸声系数αP。驻波管结构的主要部分为一根内壁光滑，坚硬且截面均匀的管子，管子的末端安装吸声材料试件，试件可按使用要求紧贴末端刚性活塞表面，也可留在空腔内。驻波管的另一端为音频(低频)信号发生器，通过扬声器向管内发出，不同频率的单频信号，当声波频率满足下列关系式时，相应频率的声波是平面声波。

设入射声波的声压为Pi，投射于材料时，必有相位相反的声波反射指向声源，其反射声压为Pr，声波在管内多次来回反射结果在管中建立了驻波声场。从材料表面算起，管内出现了声压极大值Pmax和极小值Pmin的交替分布，通过探管中可以动的探管传声接收器可探测到声压极大值Pmax和极小值Pmin，及离开材料表面的距离，记录下数据。即可确定垂直入射的法向吸声系数 。

2.2试验设计

隔声试验试件(如图3所示)为两组直径为100 mm，厚度分别为120 mm与200 mm的圆柱体，试件中间部分均是密度为400 kg/m3秸秆板，板厚分别为100 mm和180 mm，两侧均是密度为750 kg/m3、厚度为10 mm的秸秆板。本文试验采用200、250、315、400、500、630、800、1000、1 250、1600、2 000 Hz共11个频率来确定吸声系数αp。

图3　隔声试验试件Fig.3 Test-piece of sound insulation test

图4　隔声试验结果Fig.4 The results of sound insulation test

建筑材料倍频带中心频率/Hz125250500100020004000吸声系数普通砖0.030.030.030.040.050.07混凝土0.010.010.020.020.020.02木料0.150.110.100.070.060.07灰泥0.010.020.020.030.040.05大理石0.010.010.020.020.020.03玻璃窗0.150.100.080.080.070.05

2.3试验结果

根据试验结果(图4)可知，120 mm厚试件对频率在300～400 Hz段的声音吸声能力最好，在315 Hz处达到最大值，对400 Hz以后到1250 Hz区间内的声音吸声能力随频率增大而减弱，1 250 Hz以后呈缓慢上升趋势，在1 600 Hz附近达到第二个峰值，然后继续减小；200 mm厚试件在频率为250Hz左右吸声能力最佳，在250 Hz到630 Hz频率区间吸声能力随频率增大而减弱，630 Hz以后吸声能力再次缓慢升高，于1 000 Hz处吸声能力转而逐渐下降。

不同厚度秸秆试件吸声规律基本一致，对低频声源的吸收能力优于高频声源，这是因为声音频率越高波长越短，而秸秆材料密度较小，孔隙率大，对波长较长的声音吸收能力强，对于波长较短的声音吸收能力弱。

对比常用建筑材料(见表3)可发现，秸秆材料吸声系数大于常用建筑材料，具有更好的吸声隔声效果，可以将其用于建筑隔声构造。

3　秸秆轻质隔墙复合条板的耐火性能

根据GB/T 9978.1-2008《建筑构件耐火试验方法：第1部分：通用要求》和GB/T9978.8-2008《建筑构件耐火试验方法第8部分：非承重垂直分隔构件的特殊要求》来进行耐火性试验。

试验过程中判定构件失效有3个标准：①失去稳定性。②失去完整性。即棉垫被点燃或背火面窜火10s以上；试件背火面出现贯通至试验炉内的裂缝，直径6 mm的探棒可穿过裂缝进入炉内，并且探棒可沿裂缝长度方向移动不小于150 mm，或直径25 mm的探棒可以穿过裂缝进入炉内。③失去隔热性。试件背火面的平均温升超过140℃；背火面上任何一点的温升超过180℃。

3.1试验设计

本次耐火性试验在开口尺寸为3 m×3 m的试验炉中进行，由于试件为非承重填充墙，安装试件时未布置竖向荷载，直接将两组试件嵌固刚性墙体内，试件与墙体缝隙用水泥砂浆填充，养护。鉴于石膏是一种性能优良的防火建材[16]与传统的装饰材料，设计试件时根据规范，两侧分别选用一层和两层12 mm厚石膏板进行防护(见表4)。

表4　秸秆轻质隔墙复合条板耐火性能试验试件参数

3.2试验过程

试验过程中两组试件背火面的温度均稳定升高，整个试验过程中板面均未出现窜火现象。点火2 min时，试件受火面纸面石膏板表面均开始发黑；试件受火后15～20 min时，试件受火面的石膏板在高温下失水，板面出现开裂现象。当试验进行到50 min时，试件1的石膏板几乎全部脱落，试件背火面隔墙与试验炉墙体的连接处有少量白烟冒出。试件2在试验进行至75 min时出现第一层防火石膏板局部脱落现象，至82 min时第二层石膏板开始脱落。

3.3试验结果

国家现行规范《建筑设计防火规范》(GB50016-2007)规定房间隔墙一级耐火极限是0.75h，对比耐火试验失效标准，两组试验进行到0.75h时均未失效，选择在1.5h停止试验，试验结束后观察试件受火面，发现两组试验现象差异较大，试件1的受火面秸秆板燃烧至低密度内衬板(如图5所示)，试件2的受火面石膏板脱落后燃烧到秸秆板高密度外层(如图6所示)。

图5　试件1受火面试验现象Fig.5 The test phenomenon of fire scenery for test piece 1

图6　试件2受火面试验现象Fig.6 The test phenomenon of fire scenery for test piece 2

参照规范耐火极限要求，两组试件均未失效。石膏板作为防护材料，在试验过程中充当第一道防线，在试验温度不断升高过程中，由表面碳化到失水开裂，到局部剥离直至全部脱落，避免墙体母材与火源直接接触而导致的失效过快。石膏板的厚度也直接决定了耐火性的优劣，当试件1燃烧至高密度外层板时试件2才出现石膏板局部剥离现象，这是由于石膏板厚度越厚，其含水量越大，失水时间也就越长，水分蒸发大量吸收试件表面热量，耐火时间随之增长。

4　结　论

本文通过秸秆轻质隔墙复合条板的保温隔声性能与耐火性能试验，对照相应规范，分析后认为其能够作为建筑隔墙应用于实际工程。根据试验结果，可得出以下具体结论：

(1)秸秆材料的保温隔热性能远好于混凝土材料，这是由于秸秆材料内部具有大量充满空气的密闭空隙，形成良好的隔热层，使其具有优良的保温性能；同种材料，试件越厚，密闭空气层随之增厚，保温性能越好，因此可根据建筑所处地区气候特点来调整低密度内衬板厚度以达到相应保温效果。

(2)秸秆材料密度较小，孔隙率大，对低频(波长较长)声源吸收能力强，对高频(波长较短)声源吸收能力弱。对比其他建筑材料，秸秆材料以内部构造疏松，孔隙率大而天然成为优质的隔声材料。

(3)采取厚12 mm的石膏板对试件进行防护后，秸秆复合条板墙的耐火性极限超过1.5 h，满足规范规定建筑隔墙耐火极限0.75 h的要求。且试件耐火性随石膏板层数增加而增强，这是因为石膏层越厚，含水量越大，水分蒸发吸走大量热量，减缓试件表面温度升高的速率，有效延长耐火时间。

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Experimental Study of Light-Weight Straw CompositePanel Used in Practical Engineering

Zhao Longlong，Huang Dongsheng ，Wang Xiaorui，Zhou Nianqiang

(College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037)

This paper proposed a kind of light-weight straw composite panel with different thickness and different densities.The thermal insulation performance，sound absorption performance and the fire resistance were tested in order to analyze the feasibility of the proposed composite panel used as partition.The results showed that the heat transfer coefficient of the straw light-weight partition composite panel was only 2.8% of the straw concrete panel.Meanwhile the thermal insulation property was enhanced with the increase of specimen thickness.The test pieces had the best sound absorption performance in middle and low frequency segments.Even in the range of the tested frequency，the sound absorption performance of the proposed composite panel was better than the traditional building materials.When both sides of the composite panel were added by 12 mm gypsum boards，the duration of fire resistance of the proposed composite panel was more than 1.5 h which meets the fire resistance requirement of 0.75 h for partition.It demonstrated that straw light-weight partition composite panel can be a good kind of building material.Once it was widely used for practical engineering，the proposed composite panel could alleviate the problems of energy and circulating the waste straw.

light-weight straw composite panel；thermal insulation performance；sound absorption performance；fire resistance

2016-01-23

“十二五”国家科技支撑计划课题(2011BAJ08B04)

赵龙龙，硕士，助理实验师。研究方向：建筑材料。E-mail：njfuzll@163.com

赵龙龙，黄东升，王骁睿，等.秸秆轻质隔墙复合条板工程应用的试验研究[J].森林工程，2016，32(5)：97-100.

TU 111.41

A

1001-005X(2016)05-0097-04