多孔相變混凝土在被動式建筑中的應用研究*

李正濤 李洲旭 羅淮 劉哲 張邦燁 楊海嬌

（1.河北水利電力學院土木工程系，河北滄州061000；2.河北省巖土工程安全與變形控制重點實驗室(河北水利電力學院)，河北滄州061000；3.滄州市巖土及地下工程安全與變形控制技術創(chuàng)新中心（河北水利電力學院），河北滄州061000）

1 研究背景

中國經(jīng)濟經(jīng)過三十多年的高速增長，已經(jīng)進入以“中高速、新動力和優(yōu)結構”為主要特征的發(fā)展階段。隨著“2030年前碳達峰，2060年前碳中和”目標的提出，“減排”再度成為社會關注的熱點，而建筑節(jié)能是實現(xiàn)“減排”目標的有效途徑之一。

就我國目前建筑現(xiàn)狀而言，尤其是鄉(xiāng)村民居建筑，節(jié)能效果較差，能源浪費嚴重。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國鄉(xiāng)村既有民居磚混結構居多，構造形式簡單，圍護結構保溫隔熱性能差，再加上傳統(tǒng)院落冷源多，屋頂、地面散熱快，門窗氣密性差等因素，導致我國現(xiàn)有的農(nóng)村住宅保暖消暑效果不佳。夏季空調(diào)制冷消暑，但由于建筑熱環(huán)境差，設備頻繁制冷，浪費大量能耗。北方地區(qū)冬季依舊以燃煤供暖為主，部分地區(qū)還在使用火炕，采暖材料多為普通煤炭、秸稈、木頭等，產(chǎn)生的熱量有限，對環(huán)境污染較大，不利于可持續(xù)發(fā)展。深刻意識到節(jié)能減排、減碳的重要性后，全國各大省份開始陸續(xù)實施“煤改氣，煤改電”和建筑節(jié)能改造計劃。在此背景下，被動式建筑逐漸突顯，并成為建筑創(chuàng)新發(fā)展的必然趨勢。

被動式建筑，也稱“被動房”，可以通過建筑自身的結構，實現(xiàn)溫度調(diào)控，進而降低建筑能耗，實現(xiàn)建筑節(jié)能的目的。研究發(fā)現(xiàn)，建筑物的總失熱包括圍護結構的傳熱耗熱量（約占70%~80%）和通過門窗縫隙的空氣滲透耗熱量（約占20%~30%）。建筑物的總得熱和總失熱達到平衡時,室溫得以保持[1]。所以“被動房”建設可從占主體結構80%以上的圍護結構入手，減少建筑內(nèi)部的熱量損失,降低采暖消暑能耗，貫徹節(jié)能環(huán)保的綠色建筑理念。

本從被動式建筑圍護結構的材料選擇入手，論述了保溫隔熱性能良好的泡沫混凝土和具有儲熱控溫作用的相變混凝土在墻體結構中的應用現(xiàn)狀，分析了泡沫混凝土和相變混凝土在被動式建筑節(jié)能性能改善方面的應用前景。

2 泡沫混凝土及其在被動式建筑中的應用

建筑圍護結構的保溫隔熱性能是實現(xiàn)被動式建筑的關鍵，而材料的保溫隔熱性能的實現(xiàn)，則主要由材料的孔隙特點決定。研究表明，材料中所含的孔隙越多，且以封閉的小孔為主時，材料的保溫隔熱性能越好。因此，將含有大量封閉小孔的建筑材料應用到建筑圍護結構中，可提高結構的保溫隔熱性能，進而實現(xiàn)建筑的節(jié)能減排。泡沫混凝土就是一種良好的保溫隔熱材料。

泡沫混凝土是通過機械發(fā)泡的方式制備出致密的泡沫，通過攪拌使泡沫均勻的分散在水泥漿中，隨著水泥硬化，最終形成含大量封閉小孔的水泥硬化體，也稱為“泡沫水泥”。圖1為機械發(fā)泡后的泡沫混入水泥漿中制備出的泡沫混凝土。泡沫混凝土的基本原料為水泥、水和發(fā)泡劑，但由于泡沫混凝土中含有大量的孔隙，所以，泡沫混凝土的強度很低，且容易開裂。泡沫混凝土干密度越小，其強度越低。為改善泡沫混凝土的性能，通常會摻如一定量的礦物摻合料、骨料、早強劑、增強劑、抗裂纖維、減水劑等[2]。常用的礦物摻合料包括粉煤灰、礦粉、硅灰等，可緩解泡沫混凝土開裂，降低成本。泡沫混凝土中使用的骨料以細砂和輕骨料為主，如陶粒、聚苯顆粒、膨脹珍珠巖等，但實驗研究表明，當泡沫混凝土干密度較小時，骨料的加入反而會使泡沫混凝土強度進一步降低。此外，早強、增強劑以硬脂酸鈣、甲酸鈣為主；PP纖維的加入，可使泡沫混凝土的抗裂性能明顯增加；憎水劑可充填到毛細孔中，也可與水泥反應生成憎水性成分以減少泡沫混凝土的吸水性。

圖1 (a)泡沫(b)水泥漿(c)新拌泡沫混凝土

泡沫混凝土在墻體中的應用，主要包括現(xiàn)澆墻體和預制墻體，其中，現(xiàn)澆墻體又包括拆模板和復合式墻體結構兩種方式，由于泡沫混凝土強度較低，施工難度較大，因此，復合式墻體結構在實際工程中應用較多[3]。目前，復合式墻體主要有“輕鋼龍骨+水泥纖維板+泡沫混凝土”結構和“有筋擴張網(wǎng)+泡沫混凝土”兩種。前者以輕鋼龍骨為骨架，增加了泡沫混凝土墻體的承重能力，水泥纖維板不僅作為免拆模板便于施工，還省去了墻體的砂漿層施工，泡沫混凝土在其中只起到填充的作用，因而，泡沫混凝土的干密度可控制在300kg/m3～500kg/m3，且對其流動性要求較高。后者則是以有筋擴張網(wǎng)為免拆模板和支撐材料，由于有筋擴張網(wǎng)的筋條之間存在較多空隙，因此，此種結構的泡沫混凝土流動性要小，可加入聚苯顆粒、膨脹珍珠巖等輕質(zhì)骨料，干密度一般控制在400kg/m3～800kg/m3。拆模板結構對泡沫混凝土的性能要求更高，干密度一般控制在600～1000kg/m3，需在墻體中預先架設鋼絲網(wǎng)，減少墻體開裂的幾率，此方法施工相對復雜，對泡沫混凝土的強度、抗裂性等性能要求較高，因而在實際工程中應用相對較少。除現(xiàn)澆墻體外，預制泡沫混凝土墻體因性能優(yōu)良，質(zhì)量易控，且可以與裝配式建筑匹配使用，而成為泡沫混凝土墻體的主要形式。預制過程中，通過降低泡沫混凝土的水膠比、對泡沫混凝土墻體進行蒸汽養(yǎng)護等措施，墻體的保溫隔熱性能和力學性能都可以得到明顯的改善。

泡沫混凝土的水膠比、對泡沫混凝土墻體進行蒸汽養(yǎng)護等措施，墻體的保溫隔熱性能和力學性能都可以得到明顯的改善。

泡沫混凝土除了可以用在墻體結構中外，還可以用來降低建筑地面和屋面的散熱。對于農(nóng)村民居而言，通過在地板下澆筑10mm~20mm的泡沫混凝土層，可以大大減少室內(nèi)熱量通過地面?zhèn)鳠岫⑹В绻谂菽炷翆由箱佡N反射膜后，鋪設地暖管，則冬季采暖效果更佳。同理，泡沫混凝土用作屋面保溫層，可以集保溫、找平、找坡為一體，不僅施工方便，而且經(jīng)濟成本低，節(jié)能效果良好。

3 多孔相變混凝土及其在被動式建筑中的應用

泡沫混凝土雖具有良好的保溫隔熱性能，但其只能通過增加孔隙率提高節(jié)能效果，而孔隙率的增加，又必然會帶來強度的降低，這成為制約泡沫混凝土在被動式建筑中推廣應用的主要問題之一。相變混凝土將相變材料加入到混凝土中，利用相變材料在相變過程中的吸熱、放熱，實現(xiàn)熱量的儲存，進而改變材料周圍的環(huán)境溫度，起到調(diào)溫控溫的效果。因此，將泡沫混凝土良好的保溫隔熱性能與相變混凝土的儲熱控溫性能相結合的多孔相變混凝土，是被動式建筑理想的節(jié)能材料選擇。

相變材料根據(jù)其化學成分不同，可分為無機相變材料和有機相變材料。無機相變材料具有儲能密度大、成本低、不可燃、導熱率較高、相變過程體積變化率較小、相變潛熱較大等優(yōu)點，但存在過冷度較大和嚴重的相分離現(xiàn)象。有機相變材料的優(yōu)點是性能穩(wěn)定，腐蝕性小，熱可靠性強，過冷度低，無相分離，但其缺點是易燃，熱導率較小，相變過程體積變化率較大[4]。石蠟是一種典型的有機相變材料。無論有機還是無機相變材料，都普遍存在液漏問題，因此，必須對相變材料進行封裝處理[5]。

多孔相變混凝土的制備首先通過多孔材料吸附相變材料，之后進行封裝制成相變單元，再通過不同方式加入到混凝土中，制得相變混凝土。封裝可以有效解決相變材料的泄露問題，對于提高多孔相變混凝土的性能至關重要。由于多孔相變混凝土在多孔材料良好的保溫隔熱性能的基礎上，增加了相變儲熱功能，具有更好的節(jié)能效果，可以應用在被動式建筑的墻體、屋面、地面等結構中。

目前，國內(nèi)外對相變混凝土在建筑節(jié)能領域的應用研究較多。Lv Shilei[6]將相變材料加入到水泥基復合材料中制備成儲熱水泥面板，并以此構建模擬房的屋頂結構。結果表明，在滿足機械性能要求的前提下，儲熱水泥面板表現(xiàn)出比普通水泥面板更大的熱慣性。Telkes[7]提出了將相變材料做成儲熱單元后再與墻體相結合，提高墻體的儲熱能力。Feldman[8]通過實驗發(fā)現(xiàn)，摻入了硬脂酸丁酯的儲熱墻板不僅具有與標準石膏板相當?shù)奈锢頇C械性能，還具有比普通石膏板大十倍的儲熱容量。任海洋等[9]將脂肪酸混合物和粉煤灰的混合物與混凝土板結合，運用Fluent模擬軟件對該相變混凝土板和普通混凝土板的傳熱特性進行對比分析。結果表明，相變混凝土板表現(xiàn)出更小的表面溫度波動，當相變層的厚度為6mm且放置于墻體內(nèi)側時，相變材料具有更好的控溫效果。隨著對相變混凝土的研究越來越深入，相變混凝土用于建筑節(jié)能，被動式建筑的節(jié)能效果方面的應用會越來越廣泛。

然而，多孔相變混凝土還存在很多問題需要進一步研究改進。首先，相變材料的選擇，要想真正提高多孔相變混凝土建筑結構的節(jié)能效果，相變材料的相變溫度、儲能效果以及燃燒性等性能必須復合建筑環(huán)境需要。其次，相變材料在混凝土中的添加方式，研究表明，相變材料無論以何種方式加入，都會使混凝土性能出現(xiàn)不同程度的劣化，如何改善相變材料的添加方法，增強相變材料與混凝土之間的界面強度，提高多孔相變混凝土的力學性能，是需要繼續(xù)研究的重點。

4 結語

在全球節(jié)能減排的大背景下，被動式建筑一定會成為建筑發(fā)展的趨勢，而建筑節(jié)能材料的研究開發(fā)，是實現(xiàn)被動式建筑的重要因素。基于泡沫混凝土和相變材料的多孔相變混凝土，不僅因其內(nèi)部封閉小孔多，保溫隔熱性能好，而且可以借助相變材料的相變過程實現(xiàn)熱量的儲存，起到調(diào)節(jié)控溫的作用。對比傳統(tǒng)的建筑材料，多孔相變混凝土可大大降低建筑能耗。隨著建筑節(jié)能材料的發(fā)展以及被動房建筑的日益增多，多孔相變混凝土的應用將越來越廣泛。而改善多孔相變混凝土的節(jié)能效果、力學性能、耐久性等研究需要不斷的深入，更多的新型節(jié)能建筑材料將在“被動房”建筑建設中發(fā)揮出更大的作用。