轻骨料混凝土预制隔热构件的安全与节能技术

针对现浇混凝土内置保温体系中挑板处热桥较大的问题，展开技术研究，提出用轻骨料混凝土预制隔热构件代替部分层间挑板的方法，并首先设计实验进行安全性验证，在保证安全性前提下对其热工性能进行模拟研究。1 层间结构挑板断热桥措施研究1.1 能耗模拟以石家庄某典型高层居住建筑为例，采用DEST能耗模拟软件，寒冷B区气象条件，室内环境参数、采暖制冷时间、人员在室率、电气设备使用率、照明开启率、换气次数等均按照DB13（J）/T 8359—2020《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》相关要求进行设置，并以该标准中的能效指标为评判标准。该建筑地上共17层，层高3.1 m，地下两层，采暖面积6 716.7 ㎡，外墙面积为5 783.85 ㎡，每层4户，结构形式为剪力墙结构。由表1可见，当外墙总传热系数为0.3 W/（㎡·K）时，供暖年耗热量及供冷年耗冷量均满足标准限值，但供暖年耗热量紧贴标准限值。DEST中设置的外墙总传热系数为考虑了建筑结构的点热桥、线热桥对外墙平面的影响，外墙总传热系数=外墙平均传热系数+建筑其他部位热桥附加传热系数+结构挑板热桥附加传热系数。DB 13（J）/T 8359—2020《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》条文8.2.3中提到，点热桥，线热桥在能耗计算部分进行考虑。建筑的点热桥和线热桥对外墙的影响按民用建筑热工设计规范条文3.4.6公式计算。此外，该建筑其他部位线性热桥产生附加传热系数为0.074 W/（㎡·K）。表1 寒冷B区建筑供暖年耗热量及供冷年耗冷量计算

结果关于外墙平均传热系数，DB13 J/T8359—2020《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》（2021年版）提到，由于保温层厚度增加，连接件、斜腹丝的规格，数量均有所增加，且增加受力承托结构，对外墙整体传热影响更为显著，系统修正系数应根据实验结合热工计算综合确定；JGJ/T 451—2018《内置保温现浇混凝土复合剪力墙技术标准》提到，“复合剪力墙的保温层材料的导热系数及蓄热系数的综合修正系数宜取1.3”。文中所提到综合修正系数和系统修正系数，两者都是对保温材料导热系数的修正，综合修正系数包含材料修正系数和系统修正系数，系统修正系数则是将连接件、斜腹丝的规格数量，连接方式对保温层的影响，以系统修正的形式考虑保温材料的修正中。根据河北省已发布实施内置保温系统被动式超低能耗建筑构造模型的4套图集中综合修正系数取1.1，保温材料石墨聚苯板厚度取250 mm。1.2 层间结构挑板常见断热桥措施内置夹心体系的结构组成及材料的导热系数如表格2所示，挑板宽度与楼板同宽为100 mm。当室内温度20 ℃、相对湿度60 ％时，计算的露点温度为11.9 ℃，考虑实际项目的使用性，要计算该热桥部位室内温度是否低于露点温度。表2 各材料厚度及导热系数本次仿真计算模型为三维无内热源稳态传热模型、第三类边界条件，传热模型中室内温度为20 ℃，室外温度按石家庄季冬季空调计算温度–8.8 ℃，室内外空气对流换热系数分别取8.7 W/（㎡·k）、23 W/（㎡·k），传热过程进行相关假设如下：（1）围护结构每种材料为均质，各材料导热系数各项同性；（2）无内热源；（3）忽略围护结构内水蒸气相变引起传热；（4）忽略内表面的辐射传热。由于4号文规定，为保证防护层安全性，需要在层间混凝土设置挑板并伸至防护层厚度的4/5处，末端做隔热设计，该结构性热桥处造成的热损失较大，需要专项设计。以下是工程上两种常见层间挑板断热桥措施，在其端部采取喷涂保温砂浆或粘贴真空绝热板削弱热桥，结构示意如图1所示。砂浆封堵高度L分别为300 mm、1 100 mm、2 100 mm、3 100 mm，真空板封堵高度L分别为300 mm、500 mm、700 mm、900 mm、1 000 mm，计算结果见表3和表4。图1 挑板端部断热桥处理结构示意表3 保温砂浆封堵对应的外墙总传热系数及内表面

最低温度表4 真空板封堵对应的外墙总传热系数及内表面最低温度由表3可知，保温砂浆封堵长度从300 mm到3 100 mm计算热损失均较大，并且改变砂浆封堵长度对挑板处的热损失影响并不大，外墙总传热系数不能满足小于0.3 W/（㎡·K）的要求，但该处理方法室内最低点的温度均高于露点温度，不会有结露风险。由表4可知，真空板上下封堵长度L大于700 mm时，外墙总传热系数能满足小于0.3 W/（㎡·K）要求，且该处理方法室内最低点温度均高于露点温度，不会有结露的风险。但真空板置于挑板端部断热桥处理存在施工难度大且耐久性较差问题，在实际项目开展时需谨慎考虑。提出新方法：使用轻骨料混凝土预制隔热构件代替部分层间挑板以达到断热桥效果。2 隔热构件的性能分析2.1 安全性分析轻骨料混凝土连接件与现浇混凝土的协同工作性能是组合构件充分发挥力学性能，保证结构安全性的重要前提。其协同工作性能主要受二者界面粘结以及筋材在二者之间的锚固情况等因素的影响。因此设计了组合挑板与普通现浇混凝土挑板在使用荷载作用下的对比试验。试验加载示意如图2所示，具体试验参数如图3所示。图2 试验加载示意（a）

（b）图3 具体试验参数设计（a）组合挑板；（b）现浇挑板该试验共3组，每组3个试件，分组情况见表5。表5 实验分组使用状态试验荷载值和挠度限值参考GB 50010—2022《混凝土结构设计规范》，分别为1 562.1 N和1.875 mm。实验加载及量测参考GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》。试验情况如图4所示，结果见表6。图4 轻骨料混凝土预制隔热构件与混凝土组合悬臂

构件加载实验表6 试验结果表6的实验结果表明在2倍的使用状态荷载下混凝土悬臂构件端部挠度为0.006 mm，轻骨料混凝土预制隔热构件与混凝土组合挑板端部挠度为0.01~0.02 mm，虽比现浇混凝土挑板挠度大，但也远小于挠度计算限值1.875 mm，且在以上荷载条件下，试件均未出现裂缝，满足适用性和安全性要求。因此，轻骨料混凝土预制隔热构件与混凝土组合挑板安全性和适用性均能满足要求。2.2 节能分析轻骨料混凝土预制隔热构件导热系数不大于0.35 W/(m·K)，远低于混凝土的导热系数；合理使用轻骨料混凝土预制隔热构件，可达到削弱热桥、降低建筑能耗的效果，结构示意如图5所示。图5 轻骨料混凝土预制隔热构件的结构示意使用不同长度轻骨料混凝土预制隔热构件代替部分混凝土挑板削弱热桥时，模型及温度云图如图6所示，计算结果见表7。（a）

（b）图6 轻骨料混凝土预制隔热构件代替部分混凝土挑板（a）结构模型；（b）温度云图表7 隔热构件的外墙传热系数及内表面最低温度由表7知，保温材料的厚度为250 mm，使用轻骨料混凝土预制隔热构件的长度大于150 mm时，且置于挑板中间位置，外墙的总传热系数均可满足不大于0.3 W/(㎡·K)的要求，该处理方法室内最低点的温度高于露点温度，不会有结露的风险。3 结论采用数值模拟和实验验证方法，针对现浇混凝土内置保温系结构受力挑板部位热损失过大，提出使用轻骨料混凝土预制隔热构件代替部分层间挑板方法，对其可行性从安全和节能两方面研究，得到如下结论。（1）对于层间结构挑板使用常规断热桥措施，保温材料石墨聚苯板的厚度为250 mm时，层间挑板端部使用高300~3 100 mm的砂浆封堵，挑板部位仍有很大热损失，无法满足河北省被动式超低能耗居住建筑节能设计标准规定的能效指标要求；当在挑板端部粘贴真空板，并上下延伸至少300 mm可使外墙总传热系数满足K≤0.3 W/（㎡·K），满足采暖和制冷能效指标限值要求。但在实际项目中应考虑粘贴真空板的施工难度和真空板的安全性、耐久性问题。（2）使用轻骨料混凝土预制隔热构件情况下