建筑墙体节能材料的制备与性能研究

阴敏杰

(山西六建集团有限公司，山西 太原 030025)

建筑保温节能是当前建筑领域的重要课题，而建筑墙体节能材料作为其中的关键因素，在提高建筑能效和减少能耗方面起着至关重要的作用。因此，研究建筑墙体节能材料的制备与性能具有重要的理论和实际意义，通过本研究的成果，我们可以进一步优化这些材料的制备工艺和应用方式，以实现更高效、更环保的建筑墙体节能效果。

1 保温节能材料在建筑工程中的重要性

社会经济的发展离不开能源的支持，随着能源开采量的增加，部分不可再生能源供应紧缺，以低能源消耗的方式推动社会经济的发展至关重要。建筑施工期间的能源消耗量较高，属于“耗能大户”，具有较大的节能降耗空间，例如采用保温节能材料，改善建筑室内环境，减轻对暖通空调系统的依赖，降低电力资源消耗。随着建筑行业技术的进步，建筑外墙主要采用的是节能环保、保温隔热材料，改善建筑室内环境，同时发挥出保温节能材料环保、抗冲击、耐久稳定等优势，在提高建筑施工质量、降低运行维护成本、改善建筑室内环境等方面均有突出的作用。因此，在建筑工程中应用保温节能材料具有较高的社会价值、经济价值以及生态价值，保温节能材料已经成为建筑工程中不可或缺的一部分。

2 建筑墙体节能材料的制备与试验

2.1 DP型烧结多孔砖

2.1.1 材料性能(如表1所示)

以粘土、煤矸石为原材料，制作DP型烧结多孔砖，孔洞与承压面垂直，孔洞率≥28%。DP型烧结多孔砖主要用于墙体承重部件，而根据建筑工程建设要求，需在墙体设构造柱、圈梁等结构，要求DP型烧结多孔砖墙体具有可靠的力学性能，以保证整体结构的稳定性。为保证施工质量，需要进行试验检测，判断材料的力学性能，结果如表1所示。

表1 材料力学性能检验结果 单位：MPa

2.1.2 制备工艺

以MU10、孔洞率为33.1%的DP型烧结多孔砖为基础材料，制作如下试件：6个高宽比为0.68、截面规格为2 320×240×1 600mm(L×W×H)的横墙标准试件，编号为X1～X6，垂直压应力控制在0.35～0.65MPa，墙体砌筑采用M5、M7.5、M10 3种水泥砂浆；3个洞口尺寸为600×900mm、500×600mm和600×1 350mm的开洞纵墙试件，编号为Y1～Y3，墙砌筑采用M5、M7.5水泥砂浆。沿墙体底部和两侧设置构造柱和圈梁，配筋方式为沿墙体高度方向设置水平钢筋、拉结筋等，配合纵筋、箍筋等，共同加固结构，在墙体、构造柱间预留马牙槎。各类试件均制作成型后，开始砌筑墙体，统一按照先退后进的流程进行，砌筑10d后，支设模板、绑扎钢筋、浇捣混凝土[1]。

2.1.3 试验分析

静力加载试验，用油泵和千斤顶对试件施加垂直向轴压力，利用点液伺服作动器对试件施加水平荷载，试验人员在加载过程中严格控制加载量。先对构件施加竖向荷载，根据开裂荷载预估值的50%对构件加载量进行分级，逐级依次加载直至达到开裂限值，加载期间详细观察构件表面，即将开裂时，将荷载降低至初始加载极差的1/2，观察试件在此荷载状态下的形态变化，表面出现裂纹时即可结束此环节的加载作业；此后，按照水平荷载在85%以内的要求，对试件进行3次循环加载，使试件进入破坏状态。

根据试验过程中观察到的情况和试验记录的信息，得到如下试验结果。

(1)横墙、开洞纵墙试件所受的水平荷载加大时，试件的形态发生变化。对于横墙试件，最初可见两端产生横向裂纹，后续试件底部存在斜裂纹且向周边扩散，此时对应的加载量为极限值的70%，同时可见砖块与水泥砂浆结合处出现交叉裂缝，但墙体无明显的交叉裂纹，也未见砖块压碎、剥落，此应用效果主要与增设了水平配筋有关，可通过配筋提升加固效果，使试件相对完整和稳定。对于开洞纵墙试件，最初可见构造柱底部产生斜裂纹，对应水平荷载值为100kN，斜裂纹随着荷载值的增加而逐步延伸，加载至极限值的70%以后，斜裂纹的范围已经明显扩大，以洞口、构造柱之间较为明显，角部砖块被压碎。但在试验加载过程中，高宽比大的构造柱无明显的损伤，仅局部开裂。

(2)根据试验数据确定等效阻尼系数，试件X1～X5的该值均在0.2以内，试件X6较大但也能够稳定在0.3以内。等效阻尼系数与水平位移同步增加，但均可控，表明水平配筋可降低砖的耗能能力。

(3)从变形与延性2个角度来看，两类试件的位移延性系数均在2.0以上，延性与变形能力强，而此特性主要与增设构造柱有关。并且，试件的弹塑性变形能力也会由于横向配筋而得到加强。

2.2 脱硫石膏砌块

2.2.1 材料性能

脱硫石膏砌块，此类砌块以钙石膏组成，化学式为CaSO4·2H2O为主要成分，采用湿法脱硫工艺制作，脱硫率超过90%，砌块中的石膏颗粒级配合理，强度高；环保特性良好，无过多的有害微量元素。

2.2.2 制备工艺

原材料为水泥、脱硫石膏、粉煤灰、木质纤维素、泡沫塑料颗粒和外加剂，按比例称量原材料，并均匀混合，持续煅烧2.5h，煅烧温度稳定在155℃，再于室温环境中养护。全面检查制备好的砌块，从完整性、力学性、软化系数多个方面综合评价砌块的制作效果。

2.2.3 试验方法与结果分析

目测，判断砌块是否存在缺陷，表面是否沾染油污；用直尺测量试件的弯曲度；用钢直尺测量砌块裂纹的最大投影尺寸；用游标卡尺检测试块的表面气孔尺寸和缺棱掉角情况；将试件置于自然状态下进行养护，随时间的延长，试件的温度降低并且基本维持恒温时，用磅称重；采用试验机、金属平台、水平仪等进行试件抗压试验，采用试验机、抗折支座、钢棒等进行试件抗折试验。按照含水量的不同，将试件分为“浸水至饱水”和“烘干至恒重”2组，分别检验各自的软化系数。按照上述方法进行试验后，得到如下结果。

(1)几何尺寸测试选取的是10块石膏砌块，由专人用游标卡尺、钢直尺检测。砌块长度为49.8～50.3cm、高度为29.8～30.2cm、厚度为19.8～20.2cm，长度、高度、厚度的偏差值分别为0.157cm、0.08cm、0.04cm，偏差均在允许范围内，具体如表2所示。

表2 石膏砌块允许尺寸偏差 单位：mm

(2)观察10块试件的外观质量，试件表面均无裂纹、无油污，表面平整，其中1个试件缺角，尺寸为26×20mm，表面气孔的最大直径为8mm，最多为2个。对比分析外观质量检测结果与JC/T 698—2010《石膏砌块》的相关要求，可知选取的10个砌块符合表观质量要求。

(3)取10块试件进行表观密度试验，最大值为798.45kg/m3，平均值为752.36kg/m3，均在800kg/m3限值以下，符合要求。

(4)砌块的抗压强度为4.78～5.74MPa，平均值为5.29MPa；抗折强度为1.02～1.42MPa、平均值为1.22MPa。砌块的实测抗压强度和抗折强度均满足JC/T 698—2010《石膏砌块》对强度的要求。

(5)根据软化系数试验结果可知，软化系数为0.68，饱水组、烘干组砌块的断裂荷载平均值分别为18.43kN、27.02MPa，均满足JC/T 698—2010《石膏砌块》的相关要求。

根据前述提及的试验结果可知，石膏砌块的尺寸、外观质量、抗压强度、抗折强度、软化系数等项目的实测值均满足JC/T 698—2010《石膏砌块》的要求，表明石膏砌块的质量良好，在建筑节能墙体选材中可考虑此类砌块[3]。

2.3 海藻酸钠复合纤维保温材料

2.3.1 材料性能

在建筑保温材料的制作中掺入海藻酸钠后，可发挥出此材料胶凝、增稠、耐油等特性，与纤维材料按特定的比例混合后，制备出具有可再生、可降解的天然纤维生物复合材料，此类材料的保温、节能环保效果良好，可作为传统加气混凝土、玻璃棉等的替代材料。

2.3.2 制备工艺

天然纤维包含38.4～96g稻秆纤维和48～96g木质纤维，试剂包含6g甘油(增塑剂)和24g海藻酸钠，设定多种天然纤维配比，掺入试剂和336g水中，按照基质/纤维干质量比为0.31的要求制备5组实验组，并额外制作1组添加12g乙二醇的对照组，分别对各组进行试验，对比分析试验结果。称量试验材料后，充分搅拌，制成均匀性良好的海藻酸钠溶液，再加入天然纤维混合物做进一步的搅拌，使木质纤维与海藻酸钠保持湿润，紧密结合，在模具中将制备的湿润纤维热压成型，自然冷却后烘干，最终制备出海藻酸钠复合纤维保温材料。

2.3.3 试验方法与结果分析

试样采用的是800×40×40mm的标准试块。力学性能试验检测采用的是电子万能材料试验机，以10mm/min的加载速率施加10kN压力；热工性能试验检测指标包含热传导率、溢出率、扩散率等，采用LFA457激光导热仪进行试验检测[4]。

根据海藻酸钠复合纤维保温材料试块的试验检测结果，做如下分析。

(1)力学性能试验结果及分析。在提高天然纤维的含量后，实测抗弯强度和弹性模量均有升高的变化，最大弯曲应变值下降。添加96g木质纤维、不添加稻秆纤维时，实测抗弯强度为0.58MPa，弹性模量为17.6MPa，最大弯曲应变下降至3.56MPa，改善了材料的刚性，结合原材料组成来看，该特性主要与添加木质纤维素有关。样品的抗压性能随着木质纤维含量的增加而提高，以木质纤维含量最高的样品为例，实测抗压强度为21.99MPa，弹性模量为1.42MPa，且由于添加交联剂，进一步提高抗压强度和弹性模量，分别提高16%、21%，改善了试样的性能，说明天然纤维和交联剂在促进复合材料性能提升方面具有突出的作用。根据各试样的检测结果，选取力学性能和弯曲性能最佳的试样，用SEM分析法检验断面，得知湿润性良好，木质纤维与海藻酸钠粘结稳定，无异常分布。

(2)热工性能试验结果及分析。样品热传导率实测值为0.079～0.09W/(m·Κ)，低于规定的0.1W/(m·Κ)，符合要求。试样热导率随着木质纤维添加量的增加而呈现出先降低、后升高的变化规律，最低值为0.079W/(m·Κ)，对应的木质纤维比例为60%，此时的保温性能良好。若增加天然纤维添加量，则样品的溢出率、扩散率将提高，具有正比关系；若增加木质纤维比例，溢出率提高，扩散率降低。因此，天然纤维在海藻硅酸钠溶液中的作用在于提高溢出率、降低扩散率，此变化反映至复合材料热工性能层面，则是改善材料的热传导性和热舒适性。此外，海藻硅酸钠材料的隔热性能将由于添加乙二醇交联剂而得到优化[5]。

3 3种材料性能特点

经过前文对3种常见建筑墙体节能材料的性能试验研究，提出各材料的制备方法，明确试验结果，分析材料的力学特性和节能环保特性，能够给建筑墙体节能材料的选用、制备及具体应用提供参考，具体做如下总结。

(1)DP型烧结多孔砖：材料性能稳定，保温效果与隔音效果良好，满足建筑墙体对砌块提出的力学性能、热工性能、环保性能多种要求，但必须严格控制DP型烧结多孔砖的烧制工艺，要求孔洞与承压面保持垂直，如此才有利于提升DP型烧结多孔砖的综合性能。

(2)脱硫石膏：兼具保温、防火、隔声等性能，是现代建筑墙体中较为典型的节能环保材料，但需注意净化技术的合理应用以及对材料应用条件的管控，若粉末中含有杂质及有害微量物，均有可能影响脱硫石膏的质量。

(3)海藻酸钠纤维复合材料：力学性能和保温性能良好，可再生，易降解，原材料来源丰富、取用便捷，成本较低，从制备和应用两个角度来看，均具有可行性。但为了保证海藻酸钠纤维复合材料的综合应用效果，需要确定最佳配合比，严格控制材料制备工艺，充分发挥出各类原材料的性能优势，组成综合性能良好的混合材料，规避材料表观质量差、力学性能弱等问题。

4 结语

本研究为建筑墙体节能材料的制备与性能研究提供了一定的参考和指导。这些材料的应用能够推动建筑节能与可持续发展，对提高建筑的能源利用效率具有一定意义。未来的研究可以进一步深入探讨材料的优化和应用推广，以实现更高效、更环保的建筑保温节能效果。