新型復合結構冷熱橋絕熱構件實驗研究與模擬分析

郭媛媛，李洪強，2，3，高星，劉麗芳

（1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082；2.湖南大學 建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室，湖南 長沙 410082；3.國家級建筑安全與環(huán)境國際聯合研究中心，湖南 長沙 410082；4.湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201）

裝配式建筑采用標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、信息化管理、智能化應用，是建筑行業(yè)發(fā)展的一大趨勢[1]。但是由于特殊構造方式，裝配式建筑各構件銜接處更易出現冷熱橋現象。冷熱橋的存在不但導致熱量集中散失，還可能引起結露，產生霉菌，甚至破壞建筑結構，影響墻體的熱工性能[2-3]，如何減輕冷熱橋的影響對裝配式建筑的發(fā)展至關重要。

針對裝配式建筑冷熱橋問題，國內外諸多學者展開了研究。Ge H等[4]針對陽臺板冷熱橋問題，改變樓板與陽臺構造，引入一個由EPS模塊組成的陽臺隔熱板，可有效減少陽臺板的傳熱，地面最低溫度從6.1℃提高到12.5℃，供暖能耗降低5%～13%。Erdem Cuce等[5]針對住宅冷熱橋問題，對建筑內部進行超保溫改造，在內墻上設置20 mm厚的氣凝膠覆蓋層，結果表明,僅內部改造并不是減少住宅建筑熱損失的有效方案，墻體熱流從0.66 W/m2升至5.86 W/m2。Adriano等[6]對巴西輕鋼框架建筑的圍護構件冷熱橋進行數值模擬分析，與非金屬結構相比，加入內部金屬框架時峰值熱負荷增加了約10%，每年能源使用增加約5%。

對于裝配式建筑，大量結構接縫處冷熱橋帶來的建筑冷熱損耗是不容忽視的，應該采取特殊措施解決。Oh J M等[7]針對金屬幕墻接縫處冷熱橋，在金屬面板與支架的連接處，提出采用導熱系數更低的塑料框架替代金屬框架，結果表明，替代版金屬幕墻導熱系數降低了72%，可有效減少金屬板連接處熱損失。Stefano等[8]發(fā)現，建筑接縫處冷熱橋不僅有熱損失且容易滋生霉菌，對建筑冷熱橋內側進行絕熱處理，涂覆保溫底漆，在提升保溫隔熱性能的同時，還可有效抑制霉菌生長。

綜上所述，出于保溫隔熱和降低能耗的考慮，一般采用結構保溫、構造設計、替代導熱系數大的材料等方式降低冷熱橋對建筑熱工性能的影響，但通常需根據建筑實際情況提供改造方案，不易推廣應用。本研究在前期工作中，探索了農林廢棄物制備建筑保溫材料的可行性[9-11]，該種新型生物質基復合保溫材料具有良好的防火阻燃性、絕熱性以及高力學強度等性能。在本研究中，將該種材料作為基礎材料，并通過復合結構設計，探索其作為建筑冷熱橋絕熱構件的可行性。

1 復合結構冷熱橋絕熱構件設計與研究方法

1.1 復合結構冷熱橋絕熱構件設計

復合結構冷熱橋絕熱構件的構造如圖1所示。構件為均質直角構件，置于樓板與外墻銜接處，起到局部保溫隔熱的作用，可設置內部構件或外部構件。構件的結構組成從外到內有3層（見圖2），分別為粘結層、防水層和基礎材料。此外還有1層表面保護膜，在實際施工過程中去除。

圖1 復合結構冷熱橋絕熱構件結構組成

圖2 樓板與外墻銜接處冷熱橋節(jié)點構造

1.2 復合結構冷熱橋絕熱構件多目標性能研究

復合結構冷熱橋絕熱構件用于解決裝配式建筑樓板與外墻銜接處的冷熱橋問題，基礎材料本身具有良好的熱工性能和力學性能[9-10]。為滿足構件應用環(huán)境的各種要求，本文主要研究了構件的防水性能、防潮性能、粘結性能及絕熱性能。

1.2.1 復合結構冷熱橋絕熱構件的防水與防潮性能

復合結構冷熱橋絕熱構件會與潮濕空氣或水直接接觸，從而影響其絕熱性能，因此需進行防水處理。防水處理方法分為表面防水和內摻防水[11]，內摻防水對基礎材料的性能及固化效果有一定影響，因此在研究選擇外加防水層的表面防水增強方式。

在制備好的基礎材料試樣表面涂覆防水劑，常溫常壓下靜置48 h，使構件表面形成防水層。涂刷時用細毛刷縱橫交錯涂于基材表面，噴涂時均勻噴灑，浸漬時將基材完全沒于防水劑中2 h以上，使防水劑充分滲透。

對試樣進行防水和防潮性能測試，探究防水劑種類、表面處理方式及防水層涂覆次數對構件防水與防潮性能的影響，用吸水率R1和吸濕率R2表征，試樣編號及處理見表1。

表1 復合結構冷熱橋絕熱構件防水與防潮性能測試試樣處理

式中：R1——吸水率，%；

Mw——試樣吸水后的質量，g；

Md1——防水測試中試樣干燥時的質量，g。

式中：R2——吸濕率，%；

Mm——試樣吸濕后的質量，g；

Md2——防潮測試中試樣干燥時的質量，g。

1.2.2 復合結構冷熱橋絕熱構件的粘結性能

復合結構冷熱橋絕熱構件無需承壓，與外墻和樓板的連接方式可采用膠粘連接，與其他連接（鉚接、螺接等）方式形成的接頭相比，膠接接頭應力分布均勻，可連接不同材質構件，并且可避免零星冷熱橋的產生，操作相對簡單。

對試樣進行粘結性能測試，粘結層采用常見的環(huán)氧樹脂膠粘劑，將構件與混凝土材料粘結，用萬能拉力試驗機進行膠層剪切強度τ測試：

式中：τ——剪切強度，MPa；

Fmax——試樣破壞時的最大載荷，N；

S——剪切面積，mm2。

1.2.3 復合結構冷熱橋絕熱構件的絕熱性能

復合結構冷熱橋絕熱構件在不同應用場景下的絕熱性能存在差異，同時為探究構件設計參數對絕熱性能的影響，本研究建立外墻與樓板銜接處冷熱橋節(jié)點模型，采用fluent進行穩(wěn)態(tài)傳熱模擬，分析冷熱橋影響區(qū)域的溫度場。

2 復合結構冷熱橋絕熱構件實驗研究

2.1 復合結構冷熱橋絕熱構件實驗目標與流程

2.1.1 防水性能測試

測量試樣外加防水層后吸水率隨吸水時間的變化情況，連續(xù)記錄72 h。將涂覆防水劑的試樣置于干燥箱中105℃烘干4 h，稱量試樣干燥時的質量Md1；將試樣浸在裝有水的燒杯中靜置，如圖3所示。測量時將試樣移出，用吸水紙擦拭表面水分，無殘余水分后立即稱量試樣吸水后的質量Mw。

圖3 復合結構冷熱橋絕熱構件防水性能測試

2.1.2 防潮性能測試

測量試樣外加防水層后的吸濕率。將涂覆防水劑的試樣置于干燥箱中105℃烘干4 h，稱量試樣干燥時的質量Md2；將試樣放入接近100%相對濕度的含水密封玻璃器皿中，如圖4所示。每隔24 h稱重，直到連續(xù)3個試樣的質量變化小于總質量的0.1%，可視為達到恒重，然后記錄試樣的吸濕后的質量Mm。

圖4 復合結構冷熱橋絕熱構件防潮性能測試

2.1.3 粘結性能測試

測量試樣外加粘結層后的粘結性能。將構件與混凝土材料粘結，膠粘劑固化后用萬能拉力試驗機進行膠層剪切強度的測試，勻速施加載荷，速度為5 mm/min，記錄試樣破壞時的載荷Fmax，根據式（3）計算剪切強度τ。

2.2 復合結構冷熱橋絕熱構件實驗結果與討論

2.2.1 防水與防潮性能實驗結果與討論

復合結構冷熱橋絕熱構件防水與防潮性能測試結果如表2、表3所示。

表2 復合結構冷熱橋絕熱構件的防水性能

表3 復合結構冷熱橋絕熱構件防潮性能

由表2、表3可見，與無防水層的1#試樣相比，外加防水覆層的試樣吸水率明顯降低，其中采用有機硅防水劑的2#試樣效果最好，吸水率較1#試樣降低了13.88個百分點。這是由于基礎材料的偏高嶺土中含二氧化硅，制備過程中與堿反應生成硅酸鹽，有機硅防水劑的活性成分可與硅酸鹽表面的羥基等活性基團反應，形成網狀防水膜層，從而具有較好的防水性。不同表面處理方式中，涂刷效果最好，比噴涂更加均勻，比浸漬滲透效果更好。而涂刷次數越多，防水效果越好，涂刷4次防水劑的7#試樣吸水率僅為18.54%，相比涂刷1次的5#試樣，吸水率降低了13.65個百分點。同樣，無防水覆層的1#試樣吸濕率為6.99%，7#試樣吸濕率最小，為2.12%，相比1#試樣降低了4.87個百分點，該試樣采用有機硅防水劑的防水層，表面采用涂刷方式涂刷4次。

在實際工程應用中，防水層建議選擇有機硅防水劑，采用涂刷的表面處理方式，協(xié)同考慮工程防水等級要求以及經濟成本，從而確定涂刷次數，建議為2次。

2.2.2 粘結性能實驗結果與討論

復合結構冷熱橋絕熱構件粘結性能試驗如圖5所示，施加一定載荷后，試樣在構件與混凝土材料的膠接處破壞。試樣膠層的剪切強度見表4。

圖5 復合結構冷熱橋絕熱構件粘結性能試驗

表4 復合結構冷熱橋絕熱構件剪切強度值

由表4可見，在測試的8個試樣中，剪切強度最小為0.198 MPa，最大為0.536 MPa，均大于常用保溫材料0.10 MPa的要求。

3 復合結構冷熱橋絕熱構件應用場景模擬分析

3.1 復合結構冷熱橋絕熱構件應用場景建模

建立裝配式建筑樓板與外墻銜接處冷熱橋節(jié)點的傳熱模型，樓板與外墻的位置關系為齊平式構造，采用預制輕質板材，其中樓板采用鋼骨架輕型板，外墻采用蒸壓加氣混凝土板[12]。樓板、外墻板材及復合結構冷熱橋絕熱構件性能參數如表5所示。根據規(guī)范，以長沙市為例，室內和室外設計溫度分別設定為20℃和-1.9℃，外墻內外表面換熱系數分別為8.7 W/（m2·K）和23.0 W/（m2·K）[13-14。

表5 樓板、外墻板材及復合結構冷熱橋絕熱構件性能

3.2 復合結構冷熱橋絕熱構件應用場景模擬結果與討論

3.2.1 復合結構冷熱橋絕熱構件不同應用場景下的絕熱性能

針對外墻與樓板銜接處冷熱橋節(jié)點不設置構件、設置內部構件和設置外部構件這3種應用場景，分別進行穩(wěn)態(tài)傳熱模擬分析，如圖6所示。

圖6 不同應用場景下外墻內表面溫度變化

由圖6可以看出，外墻與構造銜接處距離大于300 mm后，內表面溫度保持穩(wěn)定，說明該模擬狀況下冷熱橋影響區(qū)域為0～300 mm，因此后文主要討論構件設計參數對該區(qū)域溫度的影響。不設置構件時，外墻內表面溫度穩(wěn)定時為14.4℃，冷熱橋影響區(qū)域最低溫度為11.9℃。冬季工況下室內溫度20℃，相對濕度60%，可得露點溫度為12℃，此時室內可能出現結露現象。設置內部構件和外部構件后，外墻內表面溫度明顯升高，說明構件在實際應用場景中具有良好的絕熱性能，可有效減少外墻與樓板銜接處冷熱橋產生的熱量散失，提高外墻內表面溫度，避免出現結露甚至發(fā)霉的問題，保護建筑結構。

3.2.2 復合結構冷熱橋絕熱構件關鍵參數影響特性分析

模擬復合結構冷熱橋絕熱構件在不同寬度和厚度下的傳熱情況，設置構件時，建議寬厚比大于2，其中構件寬度在400 mm以內，厚度在30 mm以內，模擬結果如圖7、圖8所示。虛線為不設置構件時的外墻內表面穩(wěn)定溫度，若要削弱樓板與外墻銜接處冷熱橋影響，應使冷熱橋影響區(qū)域溫度在露點溫度12℃之上，且在虛線附近最佳，即達到外墻內表面穩(wěn)定溫度。冷熱橋影響區(qū)域溫度取其最低溫度。

圖7 設置內部構件時不同構件設計參數下冷熱橋影響區(qū)域溫度

圖8 設置外部構件時不同構件設計參數下冷熱橋影響區(qū)域溫度

由圖7可見，設置內部構件時，寬度越小、厚度越大，冷熱橋影響區(qū)域溫度越高。當內部構件厚度為10 mm時，冷熱橋影響區(qū)域溫度均低于14.4℃，因此不適宜采用10 mm厚度以下的內部構件。

由圖8可見，設置外部構件時，冷熱橋影響區(qū)域溫度隨著構件寬度的增大先升高后降低，在模擬案例中，寬度為300 mm時最高。構件厚度越大，冷熱橋影響區(qū)域溫度越高。外部構件厚度為20 mm時，冷熱橋影響區(qū)域溫度均低于14.4℃，因此不適宜采用20 mm厚度以下的外部構件。

綜上，不同構件參數下的絕熱性能存在差異，實際應用中協(xié)調考慮耗材，選擇寬度與厚度更小的構件。在模擬案例中，可選擇寬度為40 mm、厚度為15 mm的內部構件或寬度為200 mm、厚度為30 mm的外部構件。

4 結論

（1）外表面防水覆層處理后，構件的防水和防潮性能明顯提升，構件的吸水率從35.66%最低降至18.54%，吸濕率從6.99%最低降至2.12%。相對于其它種類防水劑，有機硅防水劑和涂刷的表面處理方式效果最佳，建議至少涂刷2次。

（2）外表面采用粘結層處理后，構件與混凝土材料有較強的粘結力，在測試的試樣中，粘結層的剪切強度最大可達0.536 MPa。

（3）構件在不同應用場景下均具有良好的絕熱性能，可有效減輕外墻與樓板銜接處的冷熱橋現象，使熱橋影響區(qū)域溫度達到外墻內表面穩(wěn)定時溫度。