新型墙体填充材料在轻钢建筑中的应用

李 想，郭雨鑫，张 欣，王 毅

(浙江农林大学风景园林与建筑学院，浙江 临安 311300)

0 引言

轻钢结构建筑布局灵活，整体建筑自重轻，空间利用率大，可以灵活满足居住者的使用需求，符合农村复杂多变的住房需求。但由于由轻钢结构的房屋墙体多为空心墙体，居民接受程度低，严重影响轻钢结构在民用住宅中的应用与推广。使用聚苯乙烯-石膏共混墙体填充材料作为轻钢建筑的墙体填充材料，可以提高居民接受度，改善墙体的隔热保温效果，从而提高了居住舒适度。同时该墙体材料解决了工业废料的处理问题，可回收再利用，在使用上相比传统墙材更为绿色环保。轻钢结构建造坚固耐久、易于改建、钢材回收率为100%[1]等特点，将会成为新农村建设及可持续发展的重要趋势，是新型民用农房改建的首选。伴随着轻钢建筑的推广，聚苯乙烯-石膏共混墙体填充材料在轻钢建筑中广泛应用，其各方面的性能也将随之发展并逐步完善。

1 新型墙体填充材料的组成

聚苯乙烯-石膏共混墙体填充材料是由脱硫建筑石膏与聚苯乙烯颗粒，并添加适量性能外加剂混合而成。将1袋成品粉料(约40 kg)，加入适量清水，在机器中进行搅拌约5 min，然后将聚苯颗粒轻骨料1桶(实验室计量用桶)倒入机器中搅拌约5 min成膏状即可使用(粉料与EPS的配比为1∶1.4——体积比)。

1.1 脱硫建筑石膏

脱硫建筑石膏主要成分为二水硫酸钙，杂质成分简单，含量少[2]，主要是火电厂、冶炼厂的工业副产品。近年来，脱硫石膏生产量连年上升，利用率却呈下降趋势，如图1所示。在我国，目前对脱硫石膏的二次利用主要有两大方面：制作石膏板以及用作水泥絮凝剂。具体使用途径有：作为水泥的缓凝剂、制成建筑石膏、制备硫酸钙晶须、制备防水块或防火板、改良土壤等。二次利用的不足会导致产生过量的工业副产品，这不仅污染环境，还会造成大量空间浪费。

聚苯乙烯-石膏共混墙体填充材料的主要成分之一是脱硫石膏，材质环保。作为建筑墙体填充材料，既能解决环境污染的问题，又能节约资源，也可提高对我国脱硫石膏的综合利用率，是实现对脱硫石膏的二次利用、“变废为宝”的有效途径。

1.2 聚苯乙烯泡沫(EPS)

聚苯乙烯泡沫是一种轻型高分子聚合物，具有密度小、重量轻、吸震减震、易成型及价格低等特点[3]。据调查可知，EPS制品使用当年废弃率通常在20%以上，5年废弃率在50%以上。大量的废弃聚苯乙烯泡沫由于其耐老化、抗腐蚀性能好等特点，不能自行降解，从而会对环境造成污染，也就是“白色污染”。而本产品是用回收再利用的EPS制品作为主要成分之一，由此实现对工业副产品的二次利用，有助于减少“白色污染”[4-7]。EPS的加入可以增强墙体的隔热、隔声、防震、耐酸碱等性能，实现废物再利用,不仅可以降低能源消耗，还可改善生活环境，降低建筑成本。

2 新型墙体填充材料的特点

聚苯乙烯-石膏共混墙体填充材料是一种综合性能优异的新型墙体填充材料。

该材料自重轻、强度高，固化成型后干密度为600 kg/m3，为普通砂浆的1/4，平均抗压强度可达到2.5 MPa，基本达到普通混合砂浆的强度指标。由于石膏具有微膨胀的性质使得材料干缩率低，干燥成型后基本不收缩，无裂纹，抗裂性能优异，保证了墙体的抗渗性，减少后期维护。同时该墙材环境适应能力强，与其他材料的结合度好，适用范围广。该材料工程成本低，由于产品自身容重小，使用材料少，附加荷载小，再加上施工成本低，使工程综合成本远低于普通墙体材料，综合经济效益明显高于同类墙体填充材料。因此经济效益显著，同时具有节能环保，施工便捷高效等特点。

从人居环境的健康舒适方面来说，该材料无毒、无放射性、环保，具有一定的温湿度自调节性能。对于相同厚度的墙体，该材料构筑的墙体隔声性能与普通黏土砖墙相同，保温性能优于普通墙体。

3 新型墙材在轻钢建筑中的应用优势

3.1 保温隔热、防火、隔音性能好

聚苯乙烯泡沫颗粒保温效果好，价格便宜。石膏是不燃材料，可以达到国家A级防火标准[8]，其导热系数比水泥砂浆低(0.35对比0.87)。

目前市面上的石膏制品的当量导热系数一般在λ=0.35 W/(m·K)，查建筑材料导热系数表可得该当量导热系数值约为水泥混凝土导热系数的25%，黏土砖的30%。而由聚苯乙烯-石膏共混墙体填充材料填充的墙体，经第三方权威机构检测可得：400 mm×400 mm×80 mm的墙体，当量导热系数λ=0.268 W/(m·K)，比一般石膏制品的当量导热系数低24%左右，如图2所示。由此可知，在墙体厚度相同的情况下，该新型墙体的保温隔热性能优于普通建筑材料制成的墙体，且相比于其他石膏制品，该新型墙材的使用效益更优。适用于低层、多层轻钢建筑的框架内外墙的填充，也可用于高层钢结构建筑和钢筋混凝土结构建筑的内外墙填充墙体及内外墙保温工程。

聚苯乙烯-石膏共混墙体填充材料作为轻钢建筑的墙体填充材料同时也具有良好的隔声性能。以隔墙为例，蒸压加气混凝土砌块200 mm厚的隔墙通常隔声量是48.4 dB；粉煤灰小型空心砌块是50 dB。经权威机构检测，由聚苯乙烯-石膏共混墙体填充材料制成的墙体，106 mm的计权隔声量达到40 dB，相当于普通黏土砖墙240 mm的隔声性能。

GB 50118—2010民用建筑隔声设计规范中规定：对于住宅分户墙,为达到国家最低标准rw=40 dB的要求 ,单层隔墙至少需要100 kg/m2以上的面密度(面密度是每平方米墙体的质量)。如果将墙体分成两层或多层, 隔声量会显著提高。轻钢建筑充分利用其结构优势，达到良好的隔声效果。对于120 mm厚的砖墙隔声量从45 dB左右提高到50 dB以上需要质量提高1倍，即需要240 mm砖墙。而对于75轻钢龙骨双面双层12纸面石膏板隔墙而言，只需在腔体内添加一层50 mm厚24 kg/m3的玻璃棉，计权隔声量就从44 dB提高到 50 dB[9]。可知，墙体填充材料对于隔声量的影响很大，该新型墙体填充材料吸声性能良好，隔声性能相对于普通墙体较好。

聚苯乙烯：石膏共混墙体填充材料所体现出来的良好的保温隔声性能，不仅可以使居住者避免受到外界噪声的干扰 ,而且具有舒适的居住环境。同时在一定程度上相比于其他墙体填充材料节约了材料用量，扩大了使用面积，节约了能源,符合建筑节能的要求。

3.2 提高人居环境舒适度

室内环境舒适度与室内环境的温湿度及空间面积密切相关[10]。该新型墙材主材为脱硫石膏，成分单一，能在一定范围内调节室内的温湿度。经实验证明，墙体干至绝对干燥后，再放置于RH=80%的室内48 h后，质量增加0.212%，材料中水的质量分数为0.21%。由此可知，新型墙体材料可以吸收空气中的部分水蒸气，降低室内空气湿度。反之，则会释放水分增加室内湿度，是一种会“呼吸”的墙体材料。

从建筑物使用面积方面考虑，以国家住建部在浙江省设立的新型绿色农宅示范性区的一座新建农宅为例：该农宅为3层单体建筑，占地面积109.68 m2，建筑面积287.82 m2。由聚苯乙烯-石膏墙体填充材料所制成的墙体(外墙墙体厚度为80 mm,内墙墙体厚度为40 mm)，其厚度仅为普通建材(外墙墙体厚度为240 mm,内墙墙体厚度为120 mm)的33.3%，大大减少了占地面积。相应的，1层使用面积由93.12 m2增加到104.16 m2，2层使用面积由92.69 m2增加到104.2 m2，室内使用面积共增加了22 m2，总体建筑面积利用率提高了7.9%，相当于多出了一间小卧室或杂物间的空间，极大地提高了建筑的使用面积。如果不改变农宅的空间布置，将极大提升原有功能区的活动范围，满足居民对住宅舒适性要求。

3.3 施工便捷、经济效益高

在建筑施工方面，施工便捷高效。该新型墙材与轻钢龙骨有较好的黏结力，界面结合完整，不开裂。作为墙体填充材料，能适配各种材质的面层材料，适合机器喷涂作业，大量节省人工和时间成本。通过施工工艺的优化及产业结构的升级和综合利用技术的创新，据统计，一套普通三层民用住宅的轻钢房屋建造时间平均不超过2个月。

从经济效益上考虑，该新型墙体填充材料的干密度仅为水泥砂浆的1/3，远小于钢筋混凝土的干密度。由于自身容重小，不仅使材料用量少，而且在地基开挖方面也能节省成本。再加上轻钢结构建筑施工成本低，使工程综合成本远低于普通墙体材料，综合经济效益明显高于普通墙体材料。

3.4 绿色环保可重复使用

聚苯乙烯-石膏共混墙体填充材料的使用可以消耗掉大量的工业副产品。以一栋两层，占地面积100 m2的轻钢农宅为例，内外墙的墙体体积约为38 m3。若该农宅使用本新型墙体填充材料，可消耗脱硫石膏约24 t，EPS泡沫约0.304 t，如表1所示。经统计浙江省现有农户约15万，若按一户一栋使用本产品的轻钢农宅计算，共计可利用填充材料可达360万t。

表1 一栋2层农宅的墙体体积及耗材统计

该新型墙材在轻钢建筑中可再次重复利用，实现脱硫石膏及聚苯乙烯泡沫的多次重复利用。拆除墙体时，轻钢龙骨结构可直接拆除，若无严重锈蚀，钢材回收率可达100%。该新型墙体填充材料在粉碎后，将石膏煅烧，可使其重新具有活性，脱硫石膏回收率也达到100%。分离得到的聚苯乙烯泡沫，采用高温煅烧工艺，控制反应温度在300 ℃～500 ℃。加入少量催化剂，获得的苯乙烯产率在60%～90%。最后提炼的剩余物可作为防水材料、化学原料和溶剂[11]。再次回收得到的EPS改性可用于制备抗冲PS塑料、涂料和胶黏剂、阻燃剂等材料。聚苯乙烯-石膏混合墙体填充材料可多次重复利用，符合绿色建筑的要求，促进生态建筑可持续发展。

4 结语

聚苯乙烯-石膏混合墙体填充材料作为一种新型绿色建材，不仅将工业副产品变废为宝，保护了生态环境，而且也带来更大经济效益。该新型绿色建材整体墙的研发、规模化生产以及广泛的市场应用，有利于提高健康生态住宅的品质，减少施工中湿作业，大幅度提高劳动生产力，节约成本，推动住宅产业化进程。

在未来的建筑行业中，伴随着轻钢结构建筑的不断推广，该新型墙体材料也会得到进一步的完善与发展，拥有更广阔的发展空间，将逐步实现我国钢结构建筑系统的工业化、信息化、产业化和绿色化目标[12]。在全面推进装配式建筑发展的大方向中，聚苯乙烯-石膏混合墙体填充材料的应用将更为普遍。