聚苯乙烯-石膏墙体填充材料的传热性能分析

李宇翔，胡帅斌，张 欣，缪颖妍，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

钢结构住宅与砖混结构住宅相比，其整体热工性能不如做有外保温的传统砖混住宅。钢结构住宅室内热环境受外环境影响剧烈，冬季，钢结构住宅的室内温度低于砖混结构住宅；夏季，钢结构住宅的室内温度高于砖混结构住宅。随着室外温度的变化，钢结构住宅室内的温度起伏较大[1]。因此，需要一种建筑材料能对钢结构住宅的保温性能有较大的提高。聚苯乙烯-石膏墙体填充材料采用脱硫建筑石膏和聚苯乙烯颗粒，并添加适量性能外加剂混合制成。该新型材料自重小，强度高，具有优良的隔声隔振性能。它不仅适合于低层、高层轻钢结构住宅的框架内外墙填充，还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以及内外墙保温工程，可以有效地增强钢结构住宅的保温系统。

1 新型墙体材料的特点

聚苯乙烯-石膏墙体填充材料是一种综合性能优异的新型墙体填充材料。该新型墙体材料导热系数低，仅为普通黏土砖的1/3，保温隔热性能远优于普通墙体。其主材为脱硫石膏，材质环保，能在一定范围内通过“呼吸”调节室内的温湿度来提高室内环境舒适度。材料含有一定的石膏，具有微膨胀的性质，因此在墙体施工干燥成型后基本不收缩、无裂纹，抗裂性能优异，保证墙体的抗渗性，减少后期维护。

聚苯乙烯-石膏墙体填充材料能与钢材、木材、混凝土以及其他材料良好的结合，适应各种材质的墙体边框，适用范围广。该新型墙体材料适合机器喷涂，成型效果好，基本实现喷涂一次成型，施工效率高，工程成本低，综合经济效益明显高于普通墙体材料。其中在保温隔热性能方面表现尤为突出。

2 新型墙体材料保温性能分析

2.1 新型墙体材料的传热性能分析

2.1.1 导热系数

聚苯乙烯-石膏墙体填充材料按《墙体材料当量导热系数测定方法》[2]要求，将材料制成规格为400 mm×400 mm×80 mm的填充体。将填充体安装在试件框上，用密封胶将填充体与试件框四周密封并固定，室温条件下养护24 h。启动检测装置时，设定热箱温度为25 ℃，冷箱设定为-15 ℃，监测各控温点温度变化，使冷箱、热箱温度维持稳定。逐时测量得到热箱和冷箱的空气平均温度每小时变化的绝对值分别不大于0.1 K和0.3 K,则表示传热过程已达到稳定。在冷、热箱的传热过程稳定后，每30 min测定一次通过填充体的热流量QT，共测6次，将6次取得的数据取平均值。随后按规范要求，将被测式样密封镶嵌于填充体中心部位，重复上述操作。最后，每30 min采集一次通过填充体和式样的热流量QS，共采集6次，将6次取得的数据取平均值。最后计算得到聚苯乙烯-石膏墙体填充材料当量导热系数为0.268 W/(m·K)。

2.1.2 传热系数

根据《民用建筑热工设计规范》[3]给出围护结构的传热热阻公式：

R0=Ri+R+Re。

以及围护结构平壁传热系数公式：

可以计算得到冬季下120 mm厚的聚苯乙烯-石膏墙体填充材料传热系数理论值为2.23 W/(m2·K)。同时，通过实验测得冬季下120 mm厚的聚苯乙烯-石膏墙体填充材料传热系数为2.26 W/(m2·K)。两者比较结果见图1。

由图1可知，冬季下120 mm厚的聚苯乙烯-石膏墙体填充材料传热系数理论值与实验测试值吻合良好，实验数据较为可靠。同时，在实验的过程中发现，石膏与泡沫配合比和泡沫大小的差异性，对聚苯乙烯-石膏墙体填充材料的传热系数有着一定的影响。测得的具体数据见表1。其中，SE46与SE47的石膏与泡沫配合比不同，泡沫大小相同；SE46与SE50的石膏与泡沫配合比相同，泡沫大小不同。

表1 聚苯乙烯-石膏墙体填充材料以及同类材料的传热系数 W/(m2·K)

由于固体物质的导热能力比空气大得多，一般情况下，材料孔隙率越大，密度越小, 其传热系数就越小[4]。

由表1数据可知，在泡沫大小相同的情况下，石膏与泡沫的配合比越小，新型墙体材料单位体积中泡沫所占体积比重越大，密度越小，传热系数也越小；在石膏和泡沫配合比相同的情况下，泡沫越大，新型墙体材料的孔隙率越大，其传热系数越小。在实际工程应用中，可以根据实地气候条件，在原有配合比的基础上，适当地调节石膏与泡沫的配合比或选用不同大小的泡沫，更好地满足了实际需求，使新型墙体材料的适用范围更加广泛。

2.1.3 材料强度的影响

聚苯乙烯-石膏墙体填充材料强度分析，具体数据如表2所示。

表2 聚苯乙烯-石膏墙体填充材料相关强度 MPa

由表2可知，单位体积内，SE47,SE50由于泡沫所占比重较多，导致聚苯乙烯-石膏墙体填充材料强度有所下降。钢结构为主要承压结构，本材料作为钢结构住宅的墙体填充材料，力学强度可以满足需求。在实际工程中根据实地气候条件调节石膏与泡沫配合比时，应将泡沫对新型墙体材料强度的影响考虑其中。

2.2 新型墙体材料与常用墙体材料传热系数的比较分析

1)新型墙体材料与常用墙体材料相同传热系数下的墙体厚度比较。

由规范公式可得到建筑材料在相同传热系数下的墙体厚度计算公式：

以冬季下240 mm厚的钢筋混凝土的传热系数值为基准，代入上式可计算得到几种建筑材料在相同传热系数下的墙体厚度，见表3。

表3 建筑材料在相同传热系数下的墙体厚度

由表3数据可知，在相同的传热系数下，聚苯乙烯-石膏墙体填充材料所制成的墙体厚度约为灰砂砖砌体墙体厚度的1/4，不到钢筋混凝土墙体厚度的1/6。在保证一定保温效果的前提下，该新型材料所制成的墙体相较于其他三种建筑材料墙体，能节约较多的室内空间，提高建筑空间使用面积。

2)新型墙体材料与常用墙体材料相同厚度下的墙体传热系数比较。

由规范公式计算得冬季下墙体厚度为120 mm几种建筑材料的传热系数，见表4。

表4 建筑材料在相同厚度下墙体的传热系数

由表4数据可知，在相同厚度下，聚苯乙烯-石膏墙体填充材料所制成的墙体传热系数约为硅酸盐砖砌体的1/2，不到钢筋混凝土的2/5。在一定的使用空间前提下，该新型材料所制成的墙体的保温性能优于其他三种建筑墙体。

3 新型墙体材料在轻钢结构中的应用

3.1 农宅详情

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，地处夏热冬冷地区，高9.9 m，层高3.4 m，占地面积109.68 m2，建筑面积287.82 m2。依据GB/T 50824—2013农村居住建筑节能标准[5]，JGJ 134—2010夏热冬冷地区居住节能设计标准[6]，CECS 332:2012农村单体居住建筑节能设计标准[7]等规范标准和建筑实际情况设置墙体参数。

3.2 保温隔热性能分析

框架结构与轻钢结构在相同墙体厚度下的保温隔热性能比较。在墙体厚度相同的情况下，对框架结构和轻钢建筑的墙体保温隔热性能进行对比，具体情况如表5所示。

表5 墙体材料保温隔热性能对比

通过分析表5数据可知，采用聚苯乙烯-石膏墙体填充材料所制成的墙体对提高墙体保温性能效果显著，无论是外墙还是内墙，其保温效果均提高了一倍以上。

3.3 热经济性分析

分析聚苯乙烯-石膏墙体填充材料所制成墙体的热经济性。

以已确定层次结构的外墙外保温体系为参照对象，如表6所示。控制新型填充材料墙体厚度，使其保温隔热性能趋同参照对象。在此条件下，可以计算得到新型填充材料所需厚度，如表7所示。

表6 参照用外墙保温体系基本构造及热工参数[8]

表7 聚苯乙烯-石膏墙体保温体系各层材料物理参数

当以表6所示体系作为参照对象，可以计算得参照用外墙保温体系结构的总热阻为2.19 m2·K/W。控制聚苯乙烯-石膏墙体保温体系总热阻与参照用外墙保温体系相同时，可以得到新型材料厚度仅需55 mm。在保证墙体保温隔热性能不变的前提下，聚苯乙烯-石膏墙体填充材料所制成的墙体极大减少了墙体材料的用料，仅需参照对象所示体系的23%，有效提高了其热经济性。

3.4 空间布局分析

框架结构与轻钢建筑在相同传热系数下的墙体厚度比较。在墙体保温性能相同的情况下，对框架结构和轻钢建筑的墙体厚度进行对比，具体情况如表8，图2所示。

表8 墙体占地面积对比

通过分析表8数据可知，由聚苯乙烯-石膏墙体填充材料所制成的墙体，其厚度仅为普通建材的33.3%，大大减少了占地面积。相应的，一层使用面积由93.12 m2增加到104.16 m2，二层使用面积由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。

4 结语

聚苯乙烯-石膏墙体填充材料性能优异，既能满足建筑保温隔热性能的要求，改善了居住建筑室内的热环境质量，提高了钢结构住宅围护结构的热稳定性，也能有效地减少墙体占地面积，节省生产墙体材料所需要的资源，实现了绿色建筑理念。同时，墙体占地面积的减少，拓宽了建筑内部可用活动空间，提升了农宅的居住舒适性。聚苯乙烯-石膏墙体填充材料的应用能为新型农宅建筑的进一步优化提供一定的资料，为实现资源的合理化配置和提高农宅的建筑居住环境的安全性、功能性、舒适性和美观性提供一种切实可行的思路。