川西高海拔地区夯土建筑墙体保温性能优化研究

王 亮 宋美艳

(西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010)

川西高海拔地区属于高原山地气候，冬季气温低、霜雪多、室内寒冷，几乎所有民居都是采用火塘或暖墙的方式取暖，这就导致了室内环境质量下降。目前，民居墙体保温性能无法满足冬天人们对房屋保暖、防寒性的要求。因此，对川西高海拔地区传统村落民居墙体保温性能的优化研究，对当地以及相似条件地域新建传统村落和改善人居环境来说显得尤为必要。

传统夯土民居以未经焙烧的原状土为主要建筑原材料，以层层夯实的生土墙体为主要承重结构，通常就地取材，所取的原状土无需烧制，直接拌和夯筑，建造过程中，每层夯土之间难免存在间隙，墙体的整体性较差[1]。为了改良夯土建筑墙体，国内外学者进行了相关研究。尚建丽等[2]通过大量试验对夯土建筑所用材料——粗粒土的性质进行了研究，得出夯实粗粒土的导热系数随着夯实密度的减小而减小，随着含水率的增加而增加。石坚等[3]通过击实试验、直接剪切试验和轴向抗压试验得出，作为夯土建筑的土料，麦秸土有较好的抗剪抗压工程特性，且可就地取材，造价低廉，施工简单。夯土比其他大多数建筑材料具有环境优势，Burroughs[4]对夯土的选土、稳定剂的添加等提出了可行性建议，目的是探讨建造出符合或超过2 MPa抗压强度的夯土墙的可能性。郑龙等[5]采用人工夯土墙植入硅半导体传感器的方式进行温度检测，得出在墙体内部靠近西表面处的变化比其他墙体内部测点的温度变化更为剧烈，且从墙体表面向墙体中心有明显梯度变化。Paul等[6]以一夯土房屋为例，采用聚合物来稳定地基，主要成分是沥青乳液，在满足支撑建筑和防止潮气的同时，也减少CO2的排放，观测表明地基令人满意，没有发现沉降或开裂。Nowamooz等[7]论述了墙体材料含水量对夯土强度的影响，提出了一种基于弹塑性框架的有限元模型，通过水压试验确定了不同模型的参数，得出夯土墙比混凝土墙更灵活，干墙比湿墙更稳定，不增塑。王培清等[8]通过对西藏林芝地区觉木村两户居民住宅的温度、湿度、照度及风速的测试分析，得出由石块、土坯砖、泥浆等建成的传统民居保温隔热性能优于现代式建筑材料砌块，并且可以保护传统民居的建筑特色。刘盛等[9]以湘西传统民居的典型代表“吞口屋”为研究对象，分析了湘西传统民居的室内热环境状况，并利用全年动态能耗模拟软件和计算流体力学软件进行能耗和自然通风分析，得出外墙改造使用10 mm聚氨酯保温板的“呼吸式”杉木墙体可以有效提高墙体隔热保温效果。刘成琳[10]通过对新型夯土建筑居民室内热环境进行综合评价，得出新型夯土民居的耗热量指标比传统夯土民居低了39%，比传统砖混民居低了44%，降幅明显，表明新型夯土民居的热工性能相对于当地传统民居有了显著提升。吴彻平等[11]发现在墙体中加入胶粉聚苯颗粒可以改善墙体的保温性能。前人对墙体的保温隔热性能、抗压性能以及室内热环境等进行了研究，但对于改善夯土墙体的保温性能等研究还不够深入。

由于川西高海拔地区传统村落的土壤基质好，坚硬黏结，颗粒稳定性好，因此，本文考虑利用当地黏土，在其中加入不同类型不同配比的保温材料，研究其保温性能的变化规律。为了防止在加入保温材料后墙体的抗压性能降低，考虑在黏土中加入塑料纤维，并与改良前的原土建筑进行能耗对比，获得最佳的复合材料配比，为川西高海拔地区传统村落夯土建筑墙体材料的选用提供决策参考。

1 实验方案

建筑墙体材料是室内外环境进行热交换的主要途径，其导热性能和稳定性能是重要的参数。因此，通过在原土中加入具有保温性能的胶粉颗粒和聚苯颗粒以及有一定抗压性能的塑料纤维颗粒，研究混合后的墙体材料保温性能。

(1)利用现有原土，分别加入2%，4%，6%，8%，10%的聚苯颗粒、胶粉聚苯颗粒和塑料纤维胶粉聚苯颗粒，混合均匀。(2)放入100 mm×100 mm×50 mm 的砌块模型夯实，风干一个月。(3)取出砌块，进行导热系数以及抗压强度测定。

2 实验砌块性能测定

2.1 保温性能测定

在材料设置上，考虑了聚苯颗粒组、胶粉聚苯颗粒组和塑料纤维胶粉聚苯颗粒组3个组别(下文中分别简称为“聚苯组”、“胶粉聚苯组”和“纤维胶粉聚苯组”)，并与原土材料进行对比。待砌块放置至完全风干状态以后，利用TPMBE建筑材料导热系数检测设备对实验砌块进行了导热系数测定，并得到各个组别的导热系数对比图，如图1、图2所示。

图1 聚苯组导热系数图Fig.1 Heat transfer coefficient of polystyrene group

图2 胶粉聚苯组导热系数图Fig.2 Heat transfer coefficient of rubber powder polyphenyl group

通过导热系数测定结果发现：聚苯组和胶粉聚苯组的导热系数均随着添加比例的增加而降低，表明两者均具有良好的保温隔热性能。当添加比例为2% 时，聚苯组和胶粉聚苯组的导热系数分别为1.15 W·m-1·K-1和1.03 W·m-1·K-1，相比原土的下降幅度最大，分别达到0.19 W·m-1·K-1和0.31 W·m-1·K-1。添加比例增大一倍时，两组对应的导热系数降幅分别为0.37 W·m-1·K-1和0.49 W·m-1·K-1，没有达到导热系数再降低一倍的效果。添加比例为6%时，聚苯组的导热系数相比原土下降了0.49 W·m-1·K-1，胶粉聚苯组相比原土下降了0.57 W·m-1·K-1。当两个实验组的添加比例大于6%后，导热系数下降的趋势均有所减缓，基本趋于稳定值，说明实验砌块中的保温材料添加比例此时已经达到了饱和状态，再增加用量其效果增加已经不再显著。

胶粉聚苯组的导热系数整体比聚苯组小，表明添加了胶粉聚苯颗粒的实验砌块在导热系数的改进方面要优于只添加了聚苯颗粒的实验砌块，也即保温隔热性能相对更好。

通过对比得出，胶粉聚苯组的保温隔热性能相对更好，为了防止加入保温材料后砌块的抗压性能降低，以胶粉聚苯颗粒和塑料纤维1∶1的比例与原土混合，得到添加比例分别为2%，4%，6%，8%和10%的塑料纤维胶粉聚苯颗粒实验砌块，并测定其导热系数，如图3所示。

图3 纤维胶粉聚苯组导热系数图Fig.3 Heat transfer coefficient ofpolyphenyl group of fiber rubber powder

结果表明，纤维胶粉聚苯组的导热系数相比原土下降幅度也较大，具有良好的保温隔热性能。当添加比例为6% 时，导热系数下降了0.65 W·m-1·K-1，同样在添加比例大于6%后，导热系数下降趋势有所减缓。

值得注意的是，在胶粉聚苯颗粒中加入塑料纤维后，导热系数整体降低，下降幅度大于胶粉聚苯组，表明塑料纤维不仅可以用来改善墙体的抗压性能，也具有一定的保温隔热性能。如图4所示，当添加比例为2%时，胶粉聚苯组的导热系数为1.03 W·m-1·K-1，纤维胶粉聚苯组的导热系数为0.88 W·m-1·K-1，相比胶粉聚苯组降低了0.15 W·m-1·K-1，保温隔热性能增强了14.6%。添加比例增加一倍时，两组的导热系数降幅分别为0.49 W·m-1·K-1和0.60 W·m-1·K-1，两者的降幅差值减小，为0.11 W·m-1·K-1，表明塑料纤维对墙体材料保温隔热性能的改善作用减弱。当材料的添加比例大于6%后，两组的导热系数差值几乎相等，降幅均为 0.07 W·m-1·K-1，保温隔热性能的改善效果趋于稳定，说明虽然塑料纤维有一定的保温隔热性能，但再增加用量其效果已经不再明显。

图4 胶粉聚苯组与纤维胶粉聚苯组导热系数对比图Fig.4 Comparison of thermal conductivity between rubber powder polybenzene and fiber rubber powder polybenzene group

2.2 抗压性能测定

由于民居大多都是用夯土堆砌而成的，其抗压性能普遍较差，而且在加入保温材料后，必然会进一步削弱墙体的抗压性能。因此，在测定添加比例为6%的纤维胶粉聚苯实验砌块具有良好的保温隔热性能基础上，使用三轴抗压强度仪对其抗压性能进行验证。分析发现，添加比例为6%的纤维胶粉聚苯砌块抗压强度为49.89 kN，相比原土增加了2.59 kN，尽管上升幅度比较小，但在一定程度上改善了墙体砌块的抗压性能。

综上所述，夯土建筑墙体材料宜优先选择添加比例为6 %的纤维胶粉聚苯颗粒砌块。

3 节能效益

根据上述导热系数以及抗压性能测定结果，利用DEST能耗模拟软件，对川西高海拔地区传统村落某夯土建筑能耗情况进行研究。该建筑位于绵阳市平武县白马藏族乡，此地区属于典型高寒冷低温带生态气候区，海拔高、年平均气温低、昼夜温差大。建筑坐南朝北，南向窗墙比设置为0.32，北向窗墙比设置为0.22，建筑平面图如图5所示。在能耗模拟中，将房屋的墙体设置为变量，通过改变该墙体的组成成分，获得其单位面积空调年能耗以及单位面积采暖年能耗，计算其节能率。

图5 建筑平面图Fig.5 Architectural plans

根据性能测定实验结果，得出添加比例为6%的塑料纤维胶粉聚苯颗粒墙体材料的保温隔热性能最好。在此基础上，通过能耗模拟软件模拟此墙体材料的建筑能耗情况，得到该建筑单位面积空调年能耗和单位面积采暖年能耗如表1所示。

表1 不同墙体组分建筑能耗Table 1 Building energy consumption of different wall components

分析能耗模拟结果可以发现，原土建筑单位面积能耗最高，加入保温材料和塑料纤维后，可以有效降低建筑能耗。

在墙体原土材料中添加塑料纤维胶粉聚苯颗粒后，单位面积建筑能耗显著降低。当添加比例为2%时，单位面积空调年能耗为23.78 kWh·m-2，空调节能率为13.62%，单位面积采暖年能耗为179.21 kWh·m-2，采暖节能率为5.45%。随着添加比例的增加，节能率先增大后减小，当添加比例为6%时，节能率达到最大，单位面积空调节能率可达到35.89 %，单位面积采暖节能率可达到8.86%。

综上所述，当墙体材料添加了6%的塑料纤维胶粉聚苯颗粒砌块时，建筑单位面积能耗最小，更适合作为夯土建筑墙体的组成成分而广泛使用。

4 结论

本文对不同组成成分的夯土砌块进行了保温性能测定，并且利用能耗模拟软件对不同墙体组分建筑能耗进行研究，得出以下结论：(1)相较于原土，塑料纤维胶粉聚苯颗粒砌块的导热系数下降幅度最大，添加比例为6%时，导热系数下降了0.65 W·m-1·K-1，保温隔热性能良好，塑料纤维也具有一定的保温性能；(2)塑料纤维胶粉聚苯颗粒也具有良好的抗压性能，在添加比例为6%时，抗压强度增加了2.59 kN，一定程度上促进了墙体砌块的抗压性能；(3)添加比例为6%的塑料纤维胶粉聚苯颗粒的建筑单位面积能耗最小，单位面积空调节能率可达35.89%，单位面积采暖节能率可达8.86%；(4)综合考虑墙体的保温性能、抗压性能以及单位面积建筑能耗，对于川西高海拔地区传统村落保护，夯土建筑墙体选用添加6%的塑料纤维胶粉聚苯颗粒效果最佳。