彭 浩,周东一,袁信国,禹翔天,杨红艳,桑向斌
(1.邵阳学院机械与能源工程学院;2.中国铁塔股份有限公司邵阳市分公司,湖南 邵阳 422000)
建筑能耗占社会总能耗的比重较大,2017年建筑能耗占社会总能耗的44%,而在当前既有建筑中,建筑能耗达标的比例较少,因此建筑节能成为全社会关注的焦点[1-2]。建筑节能是指建筑物在设计管理、材料生产、施工管理及运行维护过程中合理有效地利用能源,在达到既定目的后能降低能源消耗[3]。而围护结构是建筑物的重要组成部分,也是决定建筑是否节能的主要因素。节能型墙体材料必须具有较高的能源利用效率,采用先进的生产工艺和科学的施工过程管理,符合国家相关节能政策[4]。研发推广新型节能墙体材料能有效地保护我国的耕地和环境,提高资源利用效率,减少无效能耗,缓解当前经济发展与资源环境之间的矛盾,促进社会经济可持续发展[5]。因此,笔者研制了一种聚氨酯新型墙体材料,这是一种添加了废弃聚氨酯类高分子材料的新型加气混凝土砌块,与传统墙材相比,其具有保温、隔热、质轻等优点[6]。
该聚氨酯新型墙材是一种新型加气混凝土砌块,主要原料为硅质材料(如粉煤灰、砂、含硅尾矿等)、钙质材料(如石灰、水泥等),它是通过掺混发气剂(如铝粉等),再加水搅拌,经化学反应后形成孔隙,浇注成型后再经预养切割、蒸压养护等程序或工艺后形成的多孔硅酸盐制品。该制品可以制成不同规格的砌块、板材和保温制品。其主要原材料除了生石灰、水泥、粉煤灰之外,还有石膏、铝粉膏以及聚苯类和聚氨酯类高分子材料,其中,聚苯类高分子材料和聚氨酯类高分子材料均从废弃物中提取。
该新型墙材对原材料的要求为:生石灰质量符合JC/T621-1996;普通硅酸盐水泥质量符合GBl75-1999规定;粉煤灰中SiO2≥40%、Al2O3的含量为15%~35%、Fe2O3的含量<15%、MgO的含量≤3.5%、SO3的含量≤2%、烧失量<10%、细度(0.08 ㎜方孔筛筛余)<15%;石膏中CaSO4·nH2O>70%、细度(0.08 ㎜方孔筛筛余)<15%;铝粉膏质量应符合《加气混凝土用铝粉膏》JC/T407-91标准;聚氨酯类高分子材料要求将废弃聚氨酯泡沫机械粉碎,最大粒径不超过5 mm。
所制作成的试块样品如图1所示,尺寸为240 mm*115 mm*53 mm。
图1 聚氨酯新型墙材砌块样品
本文主要对其力学性能进行研究分析,包括抗压强度和抗折强度两个方面。
抗压强度按式(1)计算,精确至0.1 MPa。
式中:R——抗压强度(MPa);P——破坏荷载(N);L——受压面的长度(mm);B——受压面的宽度(mm)。
(1)仪器设备。试验机为压力试验机,相对示值误差小于1%,试验机带显示受压变形装置;电热鼓风干燥箱;干燥器;天平:称量2 kg,分度值0.1 g;钢直尺:分度值1 mm;游标卡尺:分度值0.05 mm。
(2)试件。随机抽取五块聚氨酯混凝土试件,平板在任一对角线方向距两对角边缘5 mm处到中心位置切取,试件厚度为制品厚度,但不应大于宽度,试件表面平整,无裂纹。
(3)试验步骤。先将五块试件烘干到质量不再改变,后冷却至室温;测量试件长度方向中心位置上、下两面宽度和侧面厚度,宽度、厚度结果取测量4次后的算术平均值,宽度与厚度都精确到1 mm;将试件放在试验机承压板上,且试件中心与试验机承压板中心重合;启动试验机,直到上压板与试件最接近后停止;在控制面板上按<试验>→<压缩试验>→<参数>(设定好参数值)→<试验>→记录峰值;试验机将以10 mm/min的速度对试件加荷,则试件压缩变形5%时的荷载为破坏荷数,记录破坏荷数P1精确至10 N;结果计算:每个试件的抗压强度精确至0.01 MPa(见图2)。
图2 试件抗压强度测试
抗弯强度按式(2)计算,精确至0.1 MPa。
式中:σf——抗压强度(MPa);M——断裂负荷P所产生的最大弯矩;Z——试样断裂模数。
对于矩形截面的试样,其M、Z的计算公式分别为:
式中:P——试样断裂时读到的负荷值(N);L——支架两支点间的跨距(m);b——试样横截面宽(m);h——试样高度(m)。
则对于矩形截面的试样,其抗弯强度(MPa)为:
(1)仪器设备。试验机:50~300 kN抗折试验机;抗折试验装置:采用三分点处双点加荷和三点自由支承式混凝土抗折强度与抗折弹性模量试验装置,如图3所示。
图3 抗折强度试验
(2)试验方法。测出试件宽度和高度,结果精确至l mm;调节两个可移动支座至其与试验机下压头中心距离为225 mm后固定两支座,将试件置于支座上且试件成型时的侧面朝上,几何对中后,缓慢加一约l kN的初荷载,后再以0.5~0.7 MPa/s的加荷速度均匀而连续地加荷,当试件接近破坏开始迅速变形时停止调整试验机油门,直到试件破坏,这时记下最大荷载;以3个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗折强度值。3个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15%,则把最大值或最小值一并舍去,取中间值作为该组试件的抗折强度,3个测值中的最大值或最小值中如有两个与中间值的差值超过中间值的15%,则该组试件试验结果无效。
取5个试块样品进行测试,试验结果如表1所示。
表1 力学性能测试结果
按照《蒸压加气混凝土砌块》标准规定,新型聚氨酯混凝土试块的强度级别已基本合格,满足建筑规范规定的相关要求,也能达到我国大部分地区对于砌块用于承重墙体的抗压强度和抗折强度设计要求。
墙体是建筑围护结构不可缺少的组成部分,既要满足相应力学性能要求,也要满足相应保温性能要求。下面以《民用建筑热工设计规范》(GB50176-93)为标准,对新型聚氨酯混凝土砌块在不采取额外保温措施的情况下,对砌块的热工性能进行研究,以此来综合评价该新型墙材的适用性。
式中:R——材料热阻(m2·K/W);δ——材料层厚度(m);λ——材料导热系数[W/(m·K)]。
式中:R1、R2……Rn——各层材料热阻(m2·K/W);δ1、δ2……δn——各层材料厚度(m);λ1、λ2……λn——各层材料导热系数[W/(m·K)]。
式中:Ri——内表面换热阻(m2·K/W)(一般取0.11);Re——外表面换热阻(m2·K/W)(一般取0.04);R——围护结构热阻(m2·K/W)。
导热系数(热导率)是反映材料导热性能的物理量,它不仅是评价材料热学特性的依据,也是材料应用的一个设计依据,加热器、散热器、传热管道设计和房屋设计等工程实践都涉及这个参数。它的物理定义是在特定的传热条件下,当两侧温差为1℃时,单位厚度的材料在单位时间内通过单位面积的热量[7]。
式中,λ为导热系数;Q为材料传导的热量;a为材料的厚度;(θ1-θ2)为材料两侧温度差;F为材料传热面积;Z为传热时间。
本文导热系数按热线法进行测试。
取5个试块样品进行测试,试验结果如表2所示。
综上,该新型墙材的主要热工参数均满足《公共建筑节能设计标准》(GBT50189-2005)的节能设计要求。
表2 热工性能测定结果
(1)新型聚氨酯墙材导热系数低,热工性能好。当硬质聚氨酯密度为35~40 kg/m3时,导热系数在0.022 W/(m·K)左右浮动,它是目前所有保温材料中导热系数最低的。
(2)对新型聚氨酯墙材力学性能进行研究分析,包括抗压强度和抗弯强度两个方面,结果都符合建筑规范相关要求。
(3)聚氨酯在添加阻燃剂后,是一种难燃的自熄性材料,它的软化点可达到250℃,仅在较高温度时才会出现分解。另外,聚氨酯在燃烧时会在其泡沫表面形成积碳,这层积碳有助隔离下面的泡沫,能有效地防止火焰蔓延,而且,聚氨酯在高温下也不产生有害气体。
(4)废弃聚氨酯材料的回收利用是一项绿色事业,对于保护环境、实现资源的合理利用和实施可持续发展战略都十分有利。把废弃聚氨酯材料用于围护结构中,既能够对建筑物起到保温的作用,又能节约资源,推进环保事业的快速发展。
1 董 利.我国能源效率变化趋势的影响因素分析[J].产业经济研究.2008,(1):8-18.
2 刘培琴,刘淑敏.我国建筑节能现状及发展[J].煤气与热力,2002,22(3):255-256.
3 中华人民共和国全国人民代表大会常务委员会.中华人民共和国节约能源法[M].北京:中国法制出版社,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,万荣娟.建筑节能现状及建筑节能新技术[J].砖瓦,2011,(3):37-39.
6 沈 铮,肖力光,赵 壮.新型墙体材料发展现状[J].吉林建筑工程学院学报,2010,27(3):36-39
7 李保春,董有尔.热线法测量保温材料的导热系数[J].中国测试技术,2005,31(6):25.