轻质复合墙板的应用与发展

轻质复合墙板的应用与发展

0合墙墙板保温层复合密度板复合墙板墙体材料是建材工业的重要组成部分。世界各国都把材料作为重要的建筑材料。例如，日本的几种abs板占墙材料产品的64%，但只有36%的空心砌块占其中，美国的abs板占41.9%，波兰板占墙材料总数的46.9%。而我国1988年仅占0.08%,1992年才占0.1%,发展十分缓慢。轻质复合墙板是目前世界各国大力发展的又一类新型板材,它具有许多特殊的功能性,如承重、防火、防潮、隔音、隔热等。复合墙板一般由结构层和绝热层复合经由工厂预制所成。目前中国生产和使用的预制复合墙板主要有岩棉复合外墙板、金属面聚苯乙烯(或岩棉)复合外墙板以及钢丝网架水泥夹芯板,其他类型的复合墙板,还包括使岩棉板或水泥膨胀珍珠岩包覆于GRC外壳中预制的GRC复合墙板、由钢筋混凝土结构层、岩棉保温层和混凝土饰面层所组成的薄壁混凝土岩棉复合外墙板等。此类轻质复合墙板绝热保温性能的主要影响因素即为生产厂家所选用的绝热保温材料,以及相应的结构层、保温层匹配结合方式。近年来我国保温技术水平已有很大提高,保温材料的品种及生产能力不断扩大,但整体保温节能效益较发达国家还有相当大的差距。1绝热材料绝热保温材料是具有较低的导热系数,对冷、热流具有显著阻抗性能的材料或材料复合体,其显著特点是轻质、多孔、保温、绝热和吸声。绝热保温材料,按材质分为无机绝热材料、有机绝热材料和复合型绝热材料三大类;按形态可分为纤维状、微孔状、气泡状、膏(浆)状、粒状、复合型、板状、块状等。由于新型保温材料仍在不断发展中,有些产品没有常规界限只能用常规、有代表性产品大体划分,为便于直观了解,因而通常按保温材料的形态进行大体分类。1.1矿渣棉、岩棉纤维类绝热材料主要包括矿棉、岩棉、玻璃棉、天然石棉及人造泡沫石棉、废纸纤维绝热材料和耐火纤维绝热材料等。矿棉是以工业矿渣如高炉矿渣、磷矿渣、粉煤灰等为主原料,经过重熔、纤维化而制成的一种无机质纤维。岩棉是以天然岩石如玄武岩、辉绿岩、安山岩等为基本原料,经熔化、纤维化而制成的一种无机质纤维。玻璃棉是采用天然矿石如石英砂、白云石、蜡石等,配以其他化工原料,如纯碱、硼酸等熔制成玻璃,在熔融状态下借助外力拉制、吹制或甩成极细的纤维状材料。矿渣棉和岩棉制品的特点是原料易得,可就地取材化害为利,生产能耗少,成本低,耐高温,廉价,长效保温,隔热,吸声性能好。玻璃棉具有密度小、热导率低、保温绝热和吸声性能好、不燃、耐热、抗冻、耐腐蚀、防虫蛀,具备良好的化学稳定性等特性。石棉是具有可纺性的天然纤维状矿物集合体的总称,主要包括纤维蛇纹石石棉(温石棉)、水镁石石棉和角闪石石棉。人工泡沫石棉是用表面化学方法将石棉纤维制备成胶体糊状浆料,经充气发泡、定型干燥及后处理等工序,可以制成柔软、连续类似棉毡的泡沫石棉,具有表观密度小、保温性能好、隔热、防冻、防震、吸声、不老化、柔软、挠度大等特点,且施工成本低,施工简便,可任意裁剪,制造和使用过程无粉尘,不刺激皮肤,手感好,可重复使用。废纸纤维绝热材料是以旧报纸、废纸板等含有木质纤维的废纸作为主要原料,经研磨成为直径细小的纤维,再经硼砂与硼酸防火、防霉处理得到的绝热材料。其意义在于节能环保、变废为宝,生产过程中一般不产生有害物质,所得绝热材料的绝热保温性能较好。耐火纤维是一种纤维状的轻质耐火材料,具有密度小、耐高温、热稳定性好、热导率低、热容小及耐机械振动等优点,分为非晶质(玻璃态)纤维、结晶质纤维、混配(纺)纤维三类,其中非晶质纤维又称陶瓷纤维。1.2膨胀r/双组分纤维绝热材料无机多孔状保温材料是指具有保温性能的低密度非金属颗粒状、粉末或短纤维状材料为基料制成的硬质或柔性保温材料,主要包括膨胀蛭石及其制品、膨胀珍珠岩及其制品、泡沫混凝土制品、轻质烧结黏土制品、微孔硅酸钙制品、焙烧硅藻土制品等。蛭石是由云母和黑云母等矿物变化而形成的变质层状矿物,膨胀后的蛭石,叠片构成许多间隔层,层间充满空气,具有很小的密度和热导率,是一种良好的保温隔热材料。膨胀蛭石及其制品的特点有:原料丰富,价格低廉,加工工艺简单,导热系数小,化学性能稳定,无毒无味,防火防腐,因而应用广泛。膨胀珍珠岩是以珍珠岩为原料,经过破碎、分级、预热、高温焙烧瞬时急剧加热膨胀而成的一种轻质、多功能绝热材料。膨胀珍珠岩绝热制品是以膨胀珍珠岩为主要成分,掺加黏结剂,掺或不掺增强纤维而成的,特点主要有:价格低廉,具有较小的堆积密度和良好的保温隔热性能,化学性能稳定,无毒无味,不腐,吸湿性小,应用范围也很广泛。微孔硅酸钙保温材料是以二氧化硅粉状材料(石英砂粉、硅藻土等)、氧化钙(也有用消石灰、电渣等)和增强纤维材料(如玻璃纤维、石棉等)为主要原料,再加入水、助剂等材料,经搅拌、加热、凝胶、成型、蒸压硬化、干燥等工序制作而成。按矿物组成和使用温度分为托贝莫来石型、硬硅钙石型、混合型,具有轻而柔、强度高、导热系数低、使用温度高、热稳定性好、耐水、防腐、防火、表面可加工、安装方便等优点。1.3聚苯乙烯树脂泡沫主要分类泡沫塑料是以各种高分子聚合物为基体,经过加入适量的发泡剂、催化剂及其他添加剂,经发泡作用形成的一种具有细孔海绵状结构的物质。常用泡沫塑料有聚苯乙烯树脂泡沫、聚乙烯树脂泡沫、聚氯乙烯树脂泡沫、聚丙烯树脂泡沫、聚氨酯树脂泡沫、酚醛树脂泡沫、聚碳酸酯泡沫等,具有导热系数低、质轻、保温隔热、吸湿性小等特点。其分类方式按强度分,可分为硬质、半硬质、软质型等;按燃烧性能分,可分为普通型、阻燃性;按发泡率的高低分,可分为低发泡、中发泡和高发泡。聚苯乙烯树脂泡沫是以聚苯乙烯树脂为主题原料,添加发泡剂等辅助材料加热发泡而制成,分为模塑型聚苯乙烯树脂泡沫塑料和挤塑型聚苯乙烯树脂泡沫塑料两大类,后者内部为密闭的气泡式结构。聚苯乙烯树脂泡沫具有吸水性小、耐低温、耐腐蚀、导热系数低、性能稳定等优点。聚氨酯泡沫塑料是由二元或多元有机异氰酸酯与多元醇化合物,加其他助剂经相互作用发生反应而成的高分子聚合物,具有热导率低、耐酸、耐腐蚀、结构强度高、绝缘性好的性能,且对很多材料都有很强的黏结性,而不需要再进行重复黏结。其结构致密,施工中采用直接喷涂,与屋面基层结合性好,防水性能优于传统防水卷材。酚醛泡沫塑料的生产工艺与聚氨酯泡沫塑料类似,除具备较好的防潮、隔音性能外,与聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯泡沫塑料相比,其最大的优势是酚醛泡沫为难燃材料,离焰自熄,遇火灾时不会熔融,无滴落物,不会扩大火灾事故。酚醛泡沫塑料是目前市场上常用的几种泡沫塑料中使用率最高的一种,用于现场发泡时,对金属、木材、水泥等基体表面也具有很高的黏结力。1.4纳米基础设施材料其他类复合板材用绝热材料还包括金属反射型绝热材料、纳米孔硅质绝热材料、海绵橡胶、泡沫玻璃、空气层绝热材料和相变储能材料(phasechangematerial,PCM)等。2硅酸钙类绝热材料由表1中对各类绝热材料的特性分析,可知无机纤维类材料、无机多孔类材料在防火性能上与泡沫塑料相比,具备突出的优势,但其力学强度、耐水性能等则没有泡沫塑料好。而硅酸钙类绝热材料无论在强度、防水性、加工性方面,还是绝热保温、防火能力上都表现出较好的性能。在实际生产中,往往根据建筑体实际性能要求,并结合当地自然环境及建材成本等进行综合评定和分析,从而选择出适宜的绝热材料来设计墙板结构。3问题和讨论3.1复合绝热材料从上文的分析中可知,无机类绝热保温材料具有良好的耐火性和较大的使用温度范围,但其易吸水、强度低的特点往往降低了其应用效果。日常使用过程中,轻质墙板的湿度变形是与环境湿度保持平衡状态的,环境湿度的改变是导致轻质墙板干缩开裂的主要因素。因此控制绝热材料的吸水性很重要,为了提高无机类绝热保温材料的防水性能,通常对其添加疏水剂,进行疏水处理,但这往往会增加工程成本。泡沫塑料类绝热材料具有很好的化学稳定性、耐水性,且高密度的泡沫塑料墙板还具有较好的力学强度、韧性等特点,但其耐火性较差、长期使用安全温度低、有机泡沫材料难降解的致命缺点也使其不能成为一种理想的绝热保温材料。其耐热和阻燃性能上的不足,需经过特殊处理,但这往往是以牺牲某些性能和提高成本为代价,远不如无机保温材料。泡沫塑料的阻燃性是一项薄弱指标,一般的阻燃泡沫只能达到有氧指数28,经进一步特殊加工可以达到30甚至个别可达32,但是这种改进的阻燃硬泡成本高且有损许多其他性能,同样不及那些硅酸盐类保温材料,本身就不燃或难燃。在实际应用中,可考虑将不同类别绝热保温材料进行复合,从而优势互补,得到综合性能优良的绝热保温材料。刘效德发明的绝热材料,由A、B、C三种组合物,分别构成绝热层中的底固层、保温层和保护层,A组合物包括硅溶胶和水玻璃,B组合物包括水、海泡石、硅溶胶、硅酸铝棉、水玻璃、珍珠岩、石棉粉和快速渗透剂T,C组合物可以包括B组合物、海泡石、石棉粉和硅溶胶。该发明提供的绝热材料将现有技术中常用的保温材料如石棉、珍珠岩和硅酸铝棉等用几种特定的黏合剂和配料按一定的配比混合在一起,并通过特定的加工制备方法,获得了一种绝热性能好、机械强度高、不易开裂,不易脱落、不易粉化、抗老化、耐水耐腐蚀、无毒无味的绿色绝热保温材料。石璞等针对普通膨胀珍珠岩板材防火能力差、抗冲击能力不强等缺点,通过添加适量的耐高温粉和聚醋酸乙烯胶黏剂(白乳胶),制备了防火能力优异、抗冲击能力好的复合膨胀珍珠岩板材。通过电镜分析得知,该板材防火隔热性能优良的重要原因为灼烧时迎火面附近处形成的致密陶瓷结构阻止了火焰和热量的传递。3.2相变储能材料在开发新的绝热保温材料时,也不应再拘束地单一考虑只利用其物理隔热性能来实现墙体绝热保温,而应深入到微观结构中,综合考虑辐射、空气对流、热传导和相变四种传热方式的作用。周英才提出了一种建筑外墙节能新体系的概念。即“空腔反射绝热表皮构造”。该体系概念的提出,修正了长期以来单一的设计思路———仅仅用保温材料阻止固体热传导原理来构造外墙外保温体系。新体系紧紧抓住传递热量最多的辐射传热这个主要矛盾,利用热反射材料阻截辐射热的传递,并且充分发挥空腔中空气层的保温和隔热作用。希望能获得以简驭繁、四两拨千斤的效果。与储能密度低的显热储能不同,相变储能材料(PhaseChangeMaterials,PCM)可利用自身相变过程中对能量的循环吸收和释放,从而达到储能、节能的作用。对于常见的固-液相变型材料,当环境温度高于自身相变点温度时,PCM会发生融化,吸收热量从而使环境温度降低;当环境温度低于自身相变点温度时,PCM又会重新固化,放出热量从而使环境温度升高,达到储存热量,维持环境温度稳定的效果。由于PCM的熔点温度接近与人体舒适度相匹配的温度值,从而被使用在墙板、地板等建筑部件中。PCM用于墙体材料,可以增加墙体的绝热性而不增加墙壁厚度,使墙板在一个几乎恒定的温度范围内存储和释放热能。BogdanM.Diaconu和MihaiCruceru研发出一种新型复合墙板体系,其新颖之处在于使用两块相变点温度值不同的PCM墙板夹覆绝热芯材板层所构成的“三文治”结构。相变点温度值不同的两块PCM墙板具备不同的功能:外层PCM墙板与室外环境接触,PCM熔点值较高,活跃于供冷季节,白天通过相变反应吸收热量,避免了聚苯板中间层的温度大幅度升高,从而阻绝热量向屋内传递,待夜晚再自行将储存的热能释放出来;内层墙板与室内环境接触,PCM的熔点值较低且接近于人体自感舒适温度值,活跃于供暖季节,以减少室内温度波动,故可将室内温度维持在适宜的范围内。3.3结构体系的安全设计除了对绝热保温材料的改进思考,对墙板结构进行改良和创新也是获得轻质高效绝热保温墙板的重要途径。无机绝热材料在作为绝热芯材时,虽然芯材部分不作为承重结构,但其与硬质泡沫塑料相比相对较低的强度仍然会降低复合墙板的综合使用性能。当采用无机类绝热保温材料作为芯材时,可借助轻钢龙骨、聚苯龙骨、钢丝网架等辅助结构材料来增强墙板强度,也可从改良墙板基本结构单元的设想点出发,以期开发出新型高强、耐用、高效绝热的复合墙板。由于墙体(板)并非主要承载构件,我国当前的设计方法是使钢框架承担全部竖向和水平荷载,墙体(板)构件不参与工作,实际上,钢框架受水平力作用时,墙体(板)会参与共同抵抗水平力。墙板的破坏主要集中在与钢框架连接的预埋件处,但整体性优于传统墙体。连接件的可靠是确保墙板与钢框架协同工作的重要前提,增加墙板的厚度、加强墙板与钢框架之间的连接,均可改善结构的抗震性能。臧人卓按结构不同部位受力状况的差异,设计了轻钢骨架轻集料混凝土夹芯墙板(简称型钢型墙板)和钢筋骨架轻集料混凝土夹芯墙板(简称钢筋型墙板)两种类型的墙板。钢筋型墙板具有较高的承受竖向荷载的能力,并可承受一定的水平荷载,适合于房屋中主要承受竖向荷载的部位,如结构墙体的中段。型钢型墙板承受各种荷载的能力明显强于钢筋型墙板,并具有良好的吸量性能,适用于需要承受竖向加水平荷载的结构部位,如结构墙体的端部和角部。李智通过有限元静力计算和热稳态分析,探讨了钢筋型复合墙板的肋宽和肋数对其承载力和保温隔热耦合性能的影响。得出结论:增加肋宽和肋的数量均可更充分地发挥钢筋型复合墙板的翼缘板承载能力,减小肋宽和肋的数量均可提高钢筋型复合墙板的保温隔热性能,且改变肋的数量比改变肋宽对承载力和保温隔热性能的影响更为明显。在构造钢筋型复合墙板截面时,相同保温隔热性能要求下应优先取较小的肋宽而适当增大肋数,以便更充分地发挥两侧翼缘板的承载能力。对于常见的聚苯复合板,影响其承载力的因素主要有墙板的跨度、墙板厚度、混凝土板内钢丝网的配置、斜钢丝的配置、聚苯板的厚度、钢丝的强度。张菲菲利用有限元软件ANSYS对保温复合墙版进行受力分析,对比苯板放置在两侧和放置在中间的承载能力大小,计算结果显示,苯板放置在两侧承载能力明显提高,裂缝发展较晚。张之晔以新型装配式预制夹芯保温墙板为典型算例,通过试验和数值模拟得出结论:龙骨大大降低了保温板的保温性能,而在保温板外贴保温材料,可防止龙骨散热过快,外贴保温层宽度采用1.5倍龙骨宽度时性价比最高;墙板若采用均匀的填充材料,可提高结构的整体力学性能,若采用更为惰性的填充材料,还可提高结构整体的热工性能。在复合墙板结构改造中,亦应向多元化发展,不拘泥于现有的复合墙板结构构造规律,从力学角度出发分析设计出更为合理的承重墙板结构。3.4稻壳保温砂浆有机质节能复合墙板随着节能环保,废物利用的思想在建筑业的广泛宣扬,越来越多的生产厂家及