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复合轻集料混凝土自保温砌块的块型结构设计
及性能研究
麻建锁，蔡焕琴，白润山，周苗苗
（河北建筑工程学院，河北张家口075000）
摘要：采用哑铃型孔型结构，对复合轻集料混凝土自保温砌块块型结构进行优化设计，使之受力合理。本文介绍了这种自保温砌块的制备工艺流程，并制备了复合轻集料混凝土自保温砌块，然后对其热工性能和物理力学性能进行分析和试验研究。制备的复合轻集料混凝土自保温砌块的空心率为54.1%，热阻为2.144（m2·K）/W，密度为742.93kg/m3，抗压强度为3.96MPa，满足严寒地区的外墙节能要求和物理力学性能要求，适宜推广应用。
关键词：复合轻集料混凝土；自保温砌块；块型结构设计；性能研究
0前言
现有的混凝土砌块大多达不到自保温的要求，需要额外加贴保温层，这样不仅增加施工难度，而且浪费材料，提高成本。墙体自保温砌块与普通混凝土砌块最大的区别在于其具有自保温的特点，墙体无需采取其它保温措施，形成集建筑围护与保温隔热为一体的功能砌块。自保温混凝土砌块具有节能、节土、利废、环保、劳动生产率较高等优点，是我国墙体改革重点推广的新型建筑材料之一[1]。自保温砌块以其独特的优势，在墙体材料中发挥日益重要的作用。
在严寒地区，墙体对保温的要求十分严格，然而现在还没有一种十分适宜严寒地区使用的自保温砌块。本文针对严寒地区，以张家口为例，设计了一种满足严寒地区节能要求、物理力学性能好的复合轻集料混凝土自保温砌块，并对其热工性能进行分析计算，制备了复合轻集料混凝土自保温砌块，介绍了制备工艺流程，并对其物理力学性能进行试验研究。
1复合轻集料混凝土自保温砌块的优化设计
1.1优化设计原则
自保温砌块的总体设计原则可概括为“三高”、“一中”、“二防”、“一薄”。具体来讲，第一，高利废，高隔声，高热阻，即尽量利用粉煤灰等工业废料，隔声系数达到45db以上，砌块热阻满足节能要求；第二，由于强度和保温性能互相制约，强度只需达到中等强度要求，砌块满足框架填充墙的强度要求即可，即MU≥2.5MPa；第三，砌块要满足防火、防水要求；第四，墙材在满足功能要求的情况下，墙体越薄越好，达到节约建筑面积，降低楼体自重，减少综合造价，运输方便的目的，因此砌块的厚度要按照模数适当控制。
在设计自保温砌块的块型、孔型和填料时，主要从以下几个方面考虑，块型主要考虑以中小型矩形块体砌块为主，以便于搬运和砌筑，砌块的肋厚度大于等于15mm，以保证砌块强度；良好的孔型设计不仅能使砌块的受力合理，而且达到良好的保温效果。以受力合理，保温效果突出为原则，尽可能增大空心率，孔型与填料综合考虑。填料选择保温性能良好的轻质多孔的导热系数小的保温材料。
1.2块型结构设计
这种自保温砌块可应用于框架结构、框剪结构、板柱结构等结构体系的填充外墙或分室分户隔断墙。自保温砌块的块型结构设计包括块型设计、孔型设计和填料的设计，其中孔型设计是重点。空心砌块的块型结构形式对于其强度、保温隔热性能以及施工有很大的影响，块型结构设计是空心砌块的关键技术之一[2]，同样块型结构设计也是自保温砌块的关键技术。
如图1[3]所示，自保温砌块的块型选择为最常用的小型砌块尺寸，外形尺寸为390mm×260mm×150mm，块体的外壁为矩形框体，两腰部内侧对称设置有两个中肋，孔型选择为哑铃形的空腔，空腔内填充聚苯乙烯泡沫，形成芯体。在一定范围内，空心率的提高，可以增强砌块的保温隔热效果，但是降低砌块的受力性能。综合考虑砌块的热工性能和受力性能，选择砌块的空心率为50%左右。设计的“哑铃形”空腔可有效传递内力，外壁与芯体一体连接，整体浇筑，具有良好的连接效果。中肋呈“三角形”，能够很好的提高块体的受力性能，使块体之间能够很好传力，提高砌筑墙体的整体强度和稳定性。同时内置轻质保温材料，既减轻了块体的重量，降低火灾发生的隐患，又提高了保温隔热性能，达到一举两得的效果。
1.3热工参数
自保温砌块的热工参数主要包括导热系数、热阻和传热系数。导热系数是建筑材料的基本热工参数，是计算传热系数和热阻的依据。该砌块在砌筑时，已知砌块与砌块上下左右的连接采用10mm厚的水泥砂浆，墙内表面采用20mm厚的白灰砂浆，墙外表面采用20mm厚的保温砂浆。该自保温砌块墙体材料的导热系数如表1所示。
表1自保温砌块墙体材料导热系数表
1.4热工计算
自保温砌块的热工性能影响因素主要是自身材料、孔洞的形状、大小、排布和内部填料等。根据GB50176-2002《民用建筑热工设计规范》[6]，由图2所提供的数据，计算得自保温砌块的空心率为54.1%，自保温砌块传热阻为2.144（m2·K）/W，砌成的外墙的平均传热阻为2.177（m2·K）/W，满足严寒和寒冷地区外墙节能要求。平均传热阻计算过程见表3。
2复合轻集料混凝土自保温砌块的制备及性能分析
2.1制备工艺流程
通过对复合材料的合理选择和特殊工艺的合理应用，完全可以实现自保温砌块的轻质、隔音性能。本试验选择工业废料粉煤灰、张家口地区丰厚的自然资源浮石砂、聚苯颗粒、粉煤灰和水泥等作为复合轻集料混凝土的原料，选择聚苯板为内填料，采用浇筑振捣成型的方式生产轻集料自保温砌块。该制备技术的关键是模具的正确制作和复合轻集料混凝土的自密实性。
根据前期试验结果，确定轻集料混凝土的最佳配合比为水泥：粉煤灰：浮石砂：聚苯颗粒：水=1：0.43：0.935：0.004：0.64。根据自保温砌块的块型和孔型设计和制备模具，采用竹胶模板为外模板，并在竹胶模板上设置方楞，聚苯板为内模板，浇筑成型后无需拆除，作为保温材料。外模板内部尺寸为258mm×388mm×150mm小于砌块外型尺寸，目的可以防止振捣带来的微小涨模。然后将水泥、粉煤灰、浮石砂、聚苯颗粒按比例混合，加入按比例的水搅拌均匀，将混合物倒入预制模具中，在振动台上振捣1-2分钟，浇筑完成后36小时后拆模，最后在标准条件下养护7天。
3复合轻集料混凝土自保温砌块的特点
3.1材料特点
在材料的选择上，因地制宜，大量利用张家口丰富浮石资源，同时大量利用工业废弃物，并适量添加聚苯颗粒，节能利废，保护环境。所制得的浮石轻集料混凝土具有容重小、导热系数小、强度高的特点。所选填充材料为废弃聚苯乙烯泡沫，价格低廉，保温材料导热系数小，外包浮石轻集料混凝土，导热系数小，防火性能好。
3.2结构特点
自保温砌块块型为常用小型长方体砌块，孔型独特，采用“哑铃形”孔型，保证砌块的良好受力性能和传力性能，所砌筑墙体能够在地震作用下与钢筋混凝土承重构件协同受力，共同变形，提高抗震性能。砌块空心率达50%以上，满足节能要求。填充保温材料与外壁轻集料混凝土紧密粘结，成型一体化。该轻集料混凝土自保温砌块制作成型方便，造价低廉，易于推广应用。
4结论
（1）孔型形式的不同直接影响砌块的节能和承重效果，孔型的研究是复合轻集料混凝土自保温砌块的块型设计的理论基础。设计的“哑铃形”孔型，提高砌块的强度，减轻砌块重量，内填聚苯乙烯泡沫，保温性能良好。
（2）本试验研究设计的复合轻集料混凝土自保温砌块的外形尺寸为390mm×260mm×150mm，单块质量为9.77kg，密度为742.93g/m³，空心率为54.1%，结构合理。
（3）该复合轻集料混凝土自保温砌块热阻为2.144（m2·K）/W，满足严寒地区外墙节能要求。
（4）该复合轻集料混凝土自保温砌块抗压强度为3.96MPa，满足填充墙力学性能要求。
（5）复合轻集料混凝土自保温砌块节能利废，造价低廉，适宜推广利用。
参考文献
[1]丁晓燕,罗永磊,陈忠范等.严寒地区基于热工和力学性能的混凝土自保温砌块设计及优化[J].东南大学学报（自然科学版）,2015,45(1):145-150.
[2]麻建锁,蔡焕琴,白润山等.硬壳浮石混凝土空心砌块的块型设计及其制备技术研究[J].混凝土,2008,(10):106-107.
[3]麻建锁.一种复合轻集料混凝土自保温砌块:中国,201420631942.5[P].2015-11-3.
[4]JGJ26-2010,严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社.2010.
[5]GB50189-2003,公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社.2003.
[6]GB50176-2002,民用建筑热工设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社.2002.
