李正涛 李洲旭 罗淮 刘哲 张邦烨 杨海娇

（1.河北水利电力学院土木工程系，河北沧州061000；2.河北省岩土工程安全与变形控制重点实验室(河北水利电力学院)，河北沧州061000；3.沧州市岩土及地下工程安全与变形控制技术创新中心（河北水利电力学院），河北沧州061000）

1 研究背景

中国经济经过三十多年的高速增长，已经进入以“中高速、新动力和优结构”为主要特征的发展阶段。随着“2030年前碳达峰，2060年前碳中和”目标的提出，“减排”再度成为社会关注的热点，而建筑节能是实现“减排”目标的有效途径之一。

就我国目前建筑现状而言，尤其是乡村民居建筑，节能效果较差，能源浪费严重。调查发现，我国乡村既有民居砖混结构居多，构造形式简单，围护结构保温隔热性能差，再加上传统院落冷源多，屋顶、地面散热快，门窗气密性差等因素，导致我国现有的农村住宅保暖消暑效果不佳。夏季空调制冷消暑，但由于建筑热环境差，设备频繁制冷，浪费大量能耗。北方地区冬季依旧以燃煤供暖为主，部分地区还在使用火炕，采暖材料多为普通煤炭、秸秆、木头等，产生的热量有限，对环境污染较大，不利于可持续发展。深刻意识到节能减排、减碳的重要性后，全国各大省份开始陆续实施“煤改气，煤改电”和建筑节能改造计划。在此背景下，被动式建筑逐渐突显，并成为建筑创新发展的必然趋势。

被动式建筑，也称“被动房”，可以通过建筑自身的结构，实现温度调控，进而降低建筑能耗，实现建筑节能的目的。研究发现，建筑物的总失热包括围护结构的传热耗热量（约占70%~80%）和通过门窗缝隙的空气渗透耗热量（约占20%~30%）。建筑物的总得热和总失热达到平衡时,室温得以保持[1]。所以“被动房”建设可从占主体结构80%以上的围护结构入手，减少建筑内部的热量损失,降低采暖消暑能耗，贯彻节能环保的绿色建筑理念。

本从被动式建筑围护结构的材料选择入手，论述了保温隔热性能良好的泡沫混凝土和具有储热控温作用的相变混凝土在墙体结构中的应用现状，分析了泡沫混凝土和相变混凝土在被动式建筑节能性能改善方面的应用前景。

2 泡沫混凝土及其在被动式建筑中的应用

建筑围护结构的保温隔热性能是实现被动式建筑的关键，而材料的保温隔热性能的实现，则主要由材料的孔隙特点决定。研究表明，材料中所含的孔隙越多，且以封闭的小孔为主时，材料的保温隔热性能越好。因此，将含有大量封闭小孔的建筑材料应用到建筑围护结构中，可提高结构的保温隔热性能，进而实现建筑的节能减排。泡沫混凝土就是一种良好的保温隔热材料。

泡沫混凝土是通过机械发泡的方式制备出致密的泡沫，通过搅拌使泡沫均匀的分散在水泥浆中，随着水泥硬化，最终形成含大量封闭小孔的水泥硬化体，也称为“泡沫水泥”。图1为机械发泡后的泡沫混入水泥浆中制备出的泡沫混凝土。泡沫混凝土的基本原料为水泥、水和发泡剂，但由于泡沫混凝土中含有大量的孔隙，所以，泡沫混凝土的强度很低，且容易开裂。泡沫混凝土干密度越小，其强度越低。为改善泡沫混凝土的性能，通常会掺如一定量的矿物掺合料、骨料、早强剂、增强剂、抗裂纤维、减水剂等[2]。常用的矿物掺合料包括粉煤灰、矿粉、硅灰等，可缓解泡沫混凝土开裂，降低成本。泡沫混凝土中使用的骨料以细砂和轻骨料为主，如陶粒、聚苯颗粒、膨胀珍珠岩等，但实验研究表明，当泡沫混凝土干密度较小时，骨料的加入反而会使泡沫混凝土强度进一步降低。此外，早强、增强剂以硬脂酸钙、甲酸钙为主；PP纤维的加入，可使泡沫混凝土的抗裂性能明显增加；憎水剂可充填到毛细孔中，也可与水泥反应生成憎水性成分以减少泡沫混凝土的吸水性。

图1 (a)泡沫(b)水泥浆(c)新拌泡沫混凝土

泡沫混凝土在墙体中的应用，主要包括现浇墙体和预制墙体，其中，现浇墙体又包括拆模板和复合式墙体结构两种方式，由于泡沫混凝土强度较低，施工难度较大，因此，复合式墙体结构在实际工程中应用较多[3]。目前，复合式墙体主要有“轻钢龙骨+水泥纤维板+泡沫混凝土”结构和“有筋扩张网+泡沫混凝土”两种。前者以轻钢龙骨为骨架，增加了泡沫混凝土墙体的承重能力，水泥纤维板不仅作为免拆模板便于施工，还省去了墙体的砂浆层施工，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，且对其流动性要求较高。后者则是以有筋扩张网为免拆模板和支撑材料，由于有筋扩张网的筋条之间存在较多空隙，因此，此种结构的泡沫混凝土流动性要小，可加入聚苯颗粒、膨胀珍珠岩等轻质骨料，干密度一般控制在400kg/m3～800kg/m3。拆模板结构对泡沫混凝土的性能要求更高，干密度一般控制在600～1000kg/m3，需在墙体中预先架设钢丝网，减少墙体开裂的几率，此方法施工相对复杂，对泡沫混凝土的强度、抗裂性等性能要求较高，因而在实际工程中应用相对较少。除现浇墙体外，预制泡沫混凝土墙体因性能优良，质量易控，且可以与装配式建筑匹配使用，而成为泡沫混凝土墙体的主要形式。预制过程中，通过降低泡沫混凝土的水胶比、对泡沫混凝土墙体进行蒸汽养护等措施，墙体的保温隔热性能和力学性能都可以得到明显的改善。

泡沫混凝土的水胶比、对泡沫混凝土墙体进行蒸汽养护等措施，墙体的保温隔热性能和力学性能都可以得到明显的改善。

泡沫混凝土除了可以用在墙体结构中外，还可以用来降低建筑地面和屋面的散热。对于农村民居而言，通过在地板下浇筑10mm~20mm的泡沫混凝土层，可以大大减少室内热量通过地面传热而散失，如果在泡沫混凝土层上铺贴反射膜后，铺设地暖管，则冬季采暖效果更佳。同理，泡沫混凝土用作屋面保温层，可以集保温、找平、找坡为一体，不仅施工方便，而且经济成本低，节能效果良好。

3 多孔相变混凝土及其在被动式建筑中的应用

泡沫混凝土虽具有良好的保温隔热性能，但其只能通过增加孔隙率提高节能效果，而孔隙率的增加，又必然会带来强度的降低，这成为制约泡沫混凝土在被动式建筑中推广应用的主要问题之一。相变混凝土将相变材料加入到混凝土中，利用相变材料在相变过程中的吸热、放热，实现热量的储存，进而改变材料周围的环境温度，起到调温控温的效果。因此，将泡沫混凝土良好的保温隔热性能与相变混凝土的储热控温性能相结合的多孔相变混凝土，是被动式建筑理想的节能材料选择。

相变材料根据其化学成分不同，可分为无机相变材料和有机相变材料。无机相变材料具有储能密度大、成本低、不可燃、导热率较高、相变过程体积变化率较小、相变潜热较大等优点，但存在过冷度较大和严重的相分离现象。有机相变材料的优点是性能稳定，腐蚀性小，热可靠性强，过冷度低，无相分离，但其缺点是易燃，热导率较小，相变过程体积变化率较大[4]。石蜡是一种典型的有机相变材料。无论有机还是无机相变材料，都普遍存在液漏问题，因此，必须对相变材料进行封装处理[5]。

多孔相变混凝土的制备首先通过多孔材料吸附相变材料，之后进行封装制成相变单元，再通过不同方式加入到混凝土中，制得相变混凝土。封装可以有效解决相变材料的泄露问题，对于提高多孔相变混凝土的性能至关重要。由于多孔相变混凝土在多孔材料良好的保温隔热性能的基础上，增加了相变储热功能，具有更好的节能效果，可以应用在被动式建筑的墙体、屋面、地面等结构中。

目前，国内外对相变混凝土在建筑节能领域的应用研究较多。Lv Shilei[6]将相变材料加入到水泥基复合材料中制备成储热水泥面板，并以此构建模拟房的屋顶结构。结果表明，在满足机械性能要求的前提下，储热水泥面板表现出比普通水泥面板更大的热惯性。Telkes[7]提出了将相变材料做成储热单元后再与墙体相结合，提高墙体的储热能力。Feldman[8]通过实验发现，掺入了硬脂酸丁酯的储热墙板不仅具有与标准石膏板相当的物理机械性能，还具有比普通石膏板大十倍的储热容量。任海洋等[9]将脂肪酸混合物和粉煤灰的混合物与混凝土板结合，运用Fluent模拟软件对该相变混凝土板和普通混凝土板的传热特性进行对比分析。结果表明，相变混凝土板表现出更小的表面温度波动，当相变层的厚度为6mm且放置于墙体内侧时，相变材料具有更好的控温效果。随着对相变混凝土的研究越来越深入，相变混凝土用于建筑节能，被动式建筑的节能效果方面的应用会越来越广泛。

然而，多孔相变混凝土还存在很多问题需要进一步研究改进。首先，相变材料的选择，要想真正提高多孔相变混凝土建筑结构的节能效果，相变材料的相变温度、储能效果以及燃烧性等性能必须复合建筑环境需要。其次，相变材料在混凝土中的添加方式，研究表明，相变材料无论以何种方式加入，都会使混凝土性能出现不同程度的劣化，如何改善相变材料的添加方法，增强相变材料与混凝土之间的界面强度，提高多孔相变混凝土的力学性能，是需要继续研究的重点。

4 结语

在全球节能减排的大背景下，被动式建筑一定会成为建筑发展的趋势，而建筑节能材料的研究开发，是实现被动式建筑的重要因素。基于泡沫混凝土和相变材料的多孔相变混凝土，不仅因其内部封闭小孔多，保温隔热性能好，而且可以借助相变材料的相变过程实现热量的储存，起到调节控温的作用。对比传统的建筑材料，多孔相变混凝土可大大降低建筑能耗。随着建筑节能材料的发展以及被动房建筑的日益增多，多孔相变混凝土的应用将越来越广泛。而改善多孔相变混凝土的节能效果、力学性能、耐久性等研究需要不断的深入，更多的新型节能建筑材料将在“被动房”建筑建设中发挥出更大的作用。