加气混凝土单一保温节能墙体体系研究

     在二次世界大战后，加气混凝土制品在世界各国大规模发展起来。用这种制品最早修建的建筑是于20世纪30年代初建于瑞典斯德哥尔摩远郊的1栋2层住宅，迄今已有70多年的历史。自20世纪70年代开始，北京大量推行这种节能墙体，应用建筑有北京加气厂办公楼、白家庄建材局的家属宿舍楼（这2栋建筑内外墙、屋面板、楼板都是加气混凝土制品），以及一大批高层住宅和公共建筑，如安定门小区、东大桥10＃楼等；20世纪80年代修建了著名的建筑面积达25000 m2的国际展览中心，该建筑为一体化外墙，20世纪90年代，北京正式执行节能30%的标准，北京市建筑设计院与北京市加气混凝土三厂（后改名为北京现代建筑材料有限责任公司）合作，在北京市科委、建委的支持下，由过去的仅使用加气构件发展成建筑体系。在该厂修建了1栋3300m2的6层“抗震、节能新体系住宅”：外墙采用B06级墙厚300mm的加气混凝土砌块、屋顶采用加气混凝土屋面板、承重墙采用粉煤灰砖，该建筑的节能指标超过50％，至今已使用16年有余，效果良好。
     近20年来，加气混凝土行业在我国得到了很大发展。近10年来，各种外墙保温体系发展迅速。充分认识加气混凝土单一墙体保温体系在建筑节能中的作用和发挥其独特的优势是具有现实和长远意义的。
其优势表现为：
    1、我国大部分加气混凝土企业原材料主要是工业废料——粉煤灰。粉煤灰资源丰富，分布面广。
     2、制造工业化程度高，产品质量有保证。
     3、施工简便、工序少且效率高。
     4、在造价方面比外保温复合体系有很大优势。
      5、耐久性好。
      6、产品可一材多用：既可以做成板材（用作外墙、隔墙、屋面甚至于楼板），又可做砌块（用作外墙、内墙和隔墙），还可制造保温材料（用作屋面、地面以及复合外墙，尤其是近年研发出的B03、B04级轻质制品，保温特性更优化），最近又开发出的钢结构防火板，使其应用的领域更加广泛。

不同气候区使用可行
     我国现行节能规范从建筑类型上分为“公共建筑”和“居住建筑”；按不同气候区来分，目前已发布的规范有章可循的分作4个地区：即夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、寒冷地区和严寒地区（又分A区和B区）；从节能率来看，可分为节能50%和个别城市节能65%地区，详见表1～3。可以看出，外墙传热系数K要求最高的是严寒地区A类公共建筑和居住建筑，要求K ≤0.4 W/(m2·K)；要求最低的是夏热冬暖地区的居住建筑，当热惰性指标D ≥3.0时，其传热系数K仅要求为2.0W/(m2·K)。当然这些数值也不是绝对的，最终以单位面积耗能量判定，各部位可以调整，但为便于对问题的探讨，暂以此指标为界定值。由此再来审视各类级别、各种厚度的加气混凝土砌块墙的热工指标，能否满足上述要求。加气混凝土砌块制品的级别可分为B04、B05、B06、B07级；墙厚可分为200～500 mm，级别与厚度叠加品种繁多选择余地多样；墙体砌筑灰缝厚度可分为15 mm和3 mm共2种，详见表4～5。可以看出，墙厚400mm，灰缝3 mm的B04级砌块，其传热系数K就能达到0.37 W/(m2·K)，满足严寒地区公共建筑和居居住建筑现行节能标准的传热系数指标（0.4 W/(m2·K)）要求，此种砌块应用在其它地区当然更没有问题。
      由此分析可知，加气混凝土墙作为单一保温墙体能满足当前全国各个地区的节能标准，那怕是最寒冷的严寒地区A的各类建筑，致于墙厚应为400 mm。按传统而言，在我国严寒地区墙厚通常为370 mm或490 mm，但当时是小砖砌筑，在技术上没有问题。而加气混凝土砌块体积大、份量重是否会给施工带来困难？这一问题也不难解决，砌筑时可分2层砌筑，如250 mm+150 mm或200 mm+200 mm，或用简单的机具吊装，在技术上也应该没有问题。与保温复合墙比，其缺点是，相对减薄墙厚、减少建筑面积、增大使用面积等方面有优势，而从单方造价来看，单一墙体占绝对优势。如何取舍还需要分析：损失使用面积（或加大建筑面积）合算？还是降低造价合算？这取决于投资者的决策。当然在技术上还有别的选择，即将加气混凝土墙也可做成复合墙，尤其做内复合墙，优点十分明显，当然也可做成夹心保温墙。

经济可行分析
     笔者对全国建筑造价材料价格不太了解，仅就北京地区做过分析。将北京地区经常使用的4种墙体与保温板(EPS板)复合后的墙厚、热工性能和造价3方面与密度为B04、B05、B06级和砌筑灰缝不大于15 mm和不大于3 mm的不同加气混凝土墙厚作比较，发现同样墙厚、同样热工性能的单一墙体材料较为突出的是B05、B06级产品比复合墙体材料的造价要低45%左右，如当轻骨料混凝土和混凝土空心砌块复合墙的墙体厚度分别为275和288 mm、传热系数K ≤ 0.58 W/(m2·K)时，造价分别为142.90和147.59元/m2（其中防护层做法已包括人工）。同样传热系数K ≤ 0.58 W/(m2·K)，采用B05、B06级产品灰缝不大于3 mm，墙厚为325 mm的单一墙体造价分别为65.90和75.90元/m2，如采用B04级产品，灰缝不大于3 mm，墙厚为225 mm和275 mm的单一墙体，造价分别为75.90和89.10元/m2（其中材料费虽不包含人工费，但已包括砌筑砂浆和内外墙抹灰材料），详见表6。故在寒冷地区，如节能65%的北京地区，单一节能墙体在经济上占有绝对优势。

技术可行分析
     1、“热桥”问题
    “热桥”是保温体系普遍存在的问题，关键是什么样的“热桥”不允许？会产生结露的热桥是不允许的。与复合墙体相比，加气混凝土单一墙体的某些部位不存在“热桥”问题，如女儿墙、窗户外侧周边墙。当然，在梁、柱、构造柱等处，由于其外表面因两种不同材料处于同一表面所产生的“热桥”问题同样存在，若产生结露，也要解决。
    （1）对于会产生结露的地区，一般是粘贴聚苯乙稀泡沫保温板，为防止界面处开裂，还需要特殊处理，比较麻烦。当前国外的处理方法是在该部位采用复合配件，外部为低密度加气混凝土薄片，内贴聚苯乙稀保温板的配件，这样该部位的外表与墙体为同一材料。目前我国的生产水平已有可能生产这种配件。
    （2）加气混凝土的灰缝“热桥”问题应该注意。因为其热工性能好，所以墙身可以比较薄，但带来的问题是灰缝距离短，如用普通砂浆灰缝厚度，在该部位易产生“热桥”，解决方法有三种：一是采用具有一定保温性能的砌筑砂浆；二是采用密缝粘结砂浆，灰缝不大于3 mm，但前提是砌块尺寸必须精确；三是将墙加厚，但这要做各方面的分析。
    （3）还有的“热桥”部位是出挑构件（如阳台的楼板、挡板、分户墙板以及门头的雨罩、空调机搁板等），这也是保温体系的普遍问题。这一问题应从建筑设计的根本抓起，如有些可有可无的出挑构件能否取消？另外能否将构件与墙的面接触改成点接触以减少“热桥”面积？再一个方法是根据加气混凝土制品本身就是保温构件的特点，出挑的阳台楼板、挡板、雨罩等应该可以全部用加气混凝土板材解决。
     根据国外一些先进经验，把出挑部分作成一相对独立于建筑物之外，但又与主体结构拉结的构筑物，与主体结构“断桥”，如阳台、雨罩等，这不能不认为是一种较好的设计理念。
     2、墙厚问题
     从表1～6分析，加气混凝土墙作为单一保温节能墙体，在寒冷地区及其以南地区，在满足当地热工性能条件下，比复合墙体有优势，在严寒地区也有相当优势，但A区，其传热系数K要达到0.4 W/(m2·K)，如采用B04级加气混凝土单一材料则厚度要达到400 mm。而复合墙体最厚为340 mm(KP1多孔砖)，最薄的仅为295 mm（混凝土墙），具体见表7。虽然单一材料在造价方面占优势，但至今还没有对严寒地区墙厚的限制规定。这里涉及的因素较多，只有通过一段实践以后才能做出定论。从理论上讲，根据严寒地区的传统习惯，墙厚在400 mm左右应该可以接受（据说某些严寒地区墙厚可放宽到不大于500 mm），这样，灰缝不大于15 mm的 B05级产品其传热系数K就能达到0.38 W/(m2·K)，灰缝不大于15 mm和不大于3 mm的B04级产品分别就能达到0.31～0.25 W/(m2·K)。如果一定要减薄，加气混凝土也能做复合墙，尤其做内复合，不仅可以减薄墙厚，提高热工性能，还可以克服大部分“热桥”。如果墙体本身是保温材料，有些传统墙体材料的内外保温复合体系存在的“热桥”问题就不存在。内复合不但可以克服其它体系的各种缺点（如部分出挑构件以及灰缝的“热桥”），还可以带来其它的优点，如采用内复合后，在建筑外立面可以自由做各种附墙装饰（如线条、柱式、窗套、饰面砖等）且造价比外复合低得多，施工也简便得多。
     在南方地区主要是解决隔热问题，虽然加气混凝土既有良好的保温性能又有良好的隔热性能，但同时满足传热系数K和热惰性指标D的要求是必要条件，因此在应用时，需要对加气混凝土的密度作适当的调整。当然在南方地区除对围护结构要充分满足其热工性能外，还得在设计中考虑其它问题，如窗墙比、遮阳和通风等。
     3、墙面裂缝问题
    （1）产品质量：如收缩和强度，根据东北建筑设计研究院冯土育生等同志的研究，粉煤灰制品自出釜含水率40%到平衡含水率5%，其收缩值仅为0.12 mm/m，经计算制品拉应力δ＝εE＝0.12×10-3×1.75×104＝2.1 kg/cm2（式中，δ为制品拉应力，ε为制品变形值，E为制品弹性模量），而制品抗拉强度为2.5 kg/cm2（随着生产技术的发展有些产品均高于此值），不会由于收缩使制品拉裂，除非是不合格产品。尤其在应用技术规范上将上房含水率作了限制，这就更减小了由材性收缩引起的墙体开裂的风险。
    （2）建筑构造失当：如薄弱部位没有加强（如窗口下部、墙体角部）、两种不同材料的界面未作处理、墙身偏高过长以及结构变形对墙身的影响等。
    （3）施工工艺：如上房含水率偏高、砌筑灰缝不够饱满（尤其是竖缝）、抹灰未按规程顺序及成品缺乏养护等。
    （4）抹灰材料和砌筑砂浆、界面处理和缺损填补等所用材料的材性与加气混凝土材性不太相容等。
     经过几十年的研究，加气混凝土的应用技术几乎都有章可循。如北京建材院生产的外墙干粉料砂浆，其强度控制在4.0～7.0 MPa，压折比不大于3.0，弹性模量为1600～2000 N/mm2，与加气混凝土强度为2.0～4.0 MPa，干燥收缩值为不大于5×10-4相匹配，且这种砂浆具有较好的保水性，符合加气混凝土的性能。在软件方面，相关标准、规程、图集均已陆续出版或正在报批、修订，已出版的有砌块标准、砌块国家标准图以及公共建筑国家标准图。各种配套材料和零部件有不少已投入工业化生产，如内外墙抹灰材料、锚固件、施工工具等都已投入市场。设计施工只要按规程、图集进行，按加气混凝土特性选用配套材料，墙体开裂是不难解决的近年来这些问题都在逐渐克服。
    4、严寒地区应用问题
加气混凝土的发展在我国寒冷及严寒地区发展的较早，如沈阳、长春、哈尔滨和齐齐哈尔等城市。但随着时间的推移，逐渐形成南盛北衰的局面，其主要原因之一是在发展材料生产技术的同时，忽视了对材料应用技术的研究。严寒地区较突出的问题是冻害，20世纪80年代笔者曾对东北地区进行过考察，建筑某些部位的破坏比较严重，如窗坎墙、檐口、凸出于外墙的装饰线脚、面砖等。但在同样处于严寒地区的北欧，笔者在考察中并没有见到这种情况，同样在日本北海道，此种材料应用广泛，主要是两个问题：一是构造不合理；二是构配件不配套，产品本身抗冻应该没有问题。就加气材性而言，其饱水时抗冻性能良好。最近北京现代公司开发的B04级产品的检测报告，强度为2.2 MPa，干密度为417 kg/m3的产品经抗冻试验，其质量损失仅为2%（标准值为5%），冻融后强度为1.9 MPa（标准值为不小于1.6 MPa），证明了它是较好的抗冻产品，存在的问题是这一产品受局部冻融易破坏。20世纪80年代，在我国寒冷及严寒地区对这一问题可能认识不足，如当时在东北地区，因无防水措施，窗台和窗坎墙受局部冻融严重冻坏。同时灰缝“热桥”也相当严重（当然有些产品质量也太差），有些采用加气混凝土板出挑的檐口因无滴水构造破坏很严重，这些部分主要发生在春季，白天化，晚上冻。当然还有一些加气混凝土应用中的普遍问题，如抹灰问题、门窗及物件固定问题等。这些问题从今天技术发展的水平上来看，都不应该是发展这一产品的障碍，不会影响在这些地区发展单一墙体节能体系。当然加气混凝土制品的应用除地区概念外，与建筑结构体系和经济观念都有关系，如有些南方沿海地区地耐力差，但高层多，且大部分为框架结构，为减轻建筑自重用加气混凝土作填充墙是较佳的选择。现在不少多层和低层民居也用框架，底层商用，上层居住，这也是南方加气混凝土的发展比北方迅速的原因之一。
5、强度问题
     为提高单一墙体的热工性能，减薄墙厚，在北方地区发展低密度加气混凝土制品是大势所趋。 目前北京B04级产品已能规模化生产，B03级产品也已开发成功。前年北京建材研究院修建了一座33 956 m2，高18 m的办公楼，外墙采用B04级产品，经检测该产品干密度为425 kg/m3，强度大于2.0 MPa，导热系数为0.09 W/(m·K)，指标均高于《蒸气加气混凝土砌块》（GB 11968-2006）中的规定。此建筑墙厚为250mm，经计算其传热系数K=0.605 W/(m2·K)，满足北京公共建筑甲类标准（不大于0.8）。问题的焦点可能是对强度的看法，即不小于2.0 MPa的产品能否做围护结构，有些地区提出要求3.5 MPa，甚至5.0 MPa，从国外实践经验看，几十年来瑞典均使用B05级强度为3.0 MPa的制品，在20世纪70年代我国也是采用B05级的产品，但根据大量试验数据来看，加气混凝土制品的特点是强度虽然不高，但其砌体强度较高。东北建筑设计研究院高连玉同志曾作了一篇关于A类加气混凝土砌体性能的研究报告，试验结果证明，制品强度虽然偏低，但砌体强度的利用率平均值高达70%，而砖砌体的利用率仅为30%左右。由此推论，强度为2.0 MPa的B04级加气混凝土砌块其砌体强度为1.4 MPa，接近MU5.0砖的砌体强度。因此对加气混凝土制品的强度，不仅应以其制品本身的强度来判断，而还应看到其构性特点，它不同于一般墙体材料，目前一些墙体材料如轻骨料砌块质量良莠不齐，对产品强度作强制性规定可以理解。因此在有些地方甚至提出加气混凝土强度指标一定要达到MU3.5或5.0才能使用，这是非常不公平的。当然制品强度偏低在安装运输和施工过程中易于破损，这就有待于完善包装运输，改进施工方法来解决，有人说对加气混凝土制品的施工不应把它以砌筑小砖叠墙的概念来对待，而应该把它看作像加工木材，应精雕细凿的由木工来“砌”墙。当然对墙体局部易于磕碰的部位，如首层外墙、阳角、门口等部位，应予以加强保护，一般部位如无特殊要求，可按传统做法进行。

适用规定范围
     1、加气混凝土制品作为单一墙体材料节能体系，运用不同密度和厚度的产品可以满足当前我国各个气候区规范对外墙的热工性能要求。
     2、目前几种典型的外保温复合墙体与单一加气混凝土墙体节能体系比较，在采用近似墙厚和热工性能的前提下，无论是社会效益和经济效益，单一墙体节能体系优势明显：具有利废、节能、施工简捷、工序少、工期短、产品工业化方法生产、产品质量有保证、制品耐久性好，单位面积墙体造价低于复合墙体等特点。
    3、加气混凝土生产技术已取得长足进步，低密度产品已能批量规模化生产，在应用技术方面配套构件以及有关产品标准、规程、规范、国家标准图集均已陆续出台，有的正在修订完善。因此大力推广应用加气混凝土单一墙体节能体系的条件已经成熟。
    4、应该清醒地认识到，加气混凝土单一墙体材料节能体系并不是万能的，它较适合应用于框架结构（包括部分短支剪力墙体系）以及低层和多层砖混结构的外墙；在严寒地区，特别是A区的应用虽有优势，但也不能简单地仅靠增加墙厚来解决所有问题，还应补充其它措施，随着我国节能标准不断提高，不少目前执行节能设计标准50%的地区，正准备提高标准，业内人士应面对由此带来的机遇与挑战。