姚久星,王付根,周宝木,毕士琪,徐学东

山东农业大学 水利土木工程学院;山东省村镇住宅工程技术研究中心,山东 泰安 271018

秸秆菱镁混凝土保温板在农房保温改造中的应用研究

姚久星,王付根,周宝木,毕士琪,徐学东*

山东农业大学 水利土木工程学院;山东省村镇住宅工程技术研究中心,山东 泰安 271018

秸秆菱镁混凝土保温板是一种自主研发的环保节能板材，通过混凝土空心砌块房的改造，研究了秸秆菱镁混凝土保温板的制作工艺和保温改造技术，测试了房屋的保温性能，并与普通砖房的保温性能进行了对比分析。通过对混凝土空心砌块房屋的保温改造，形成了较为成熟的保温改造施工工艺；对改造房进行热工分析，秸秆菱镁混凝土保温板表现出良好的保温性能，房屋保温改造效果明显。

农房改造;秸秆菱镁混凝土;保温板;保温性能

我国碳减排工作已经迈入总量控制阶段，建筑节能将是我国实现2030年碳减排目标的关键领域。有数据显示，公共建筑、城镇居住建筑、北方采暖地区单位面积能耗出现下降趋势；但农村建筑节能工作明显滞后，农村居住建筑单位面积能耗稳步上升，单位面积电耗上升速度较快。与此同时，农村农作物秸秆被大量废弃和焚烧，造成很大的资源浪费和环境污染。欧美等西方国家很早就已将秸秆用于建筑材料，因此将可循环利用的地方材料替代现有的工业化的建筑材料是一个不错的发展方向，为农业废弃物的资源化利用提供新途径。

秸秆菱镁混凝土保温板是一种是以菱镁水泥作为胶结材料，以小麦、玉米等秸秆纤维为加筋材料，另加少量矿物填料和添加剂，经一定工艺制成的具有一定强度、保温性能的环保节能板材。采用的农作物秸秆是地方可再生材料，实现农业废弃物资源化利用，较好地解决秸秆焚烧和环境污染问题。秸秆菱镁混凝土保温板具有保温、防火、防霉、吸声、易加工等特点，是一种性能良好的保温板材，可用于农村新型住房建设或既有农房节能改造。我国菱镁矿的储量丰富，菱镁水泥的碱度（pH值=9～10）比普通硅酸盐水泥低，对纤维腐蚀性小，能与有机植物纤维很好地粘接，被广泛用于秸秆基建筑材料的生产。

1 外保温体系

1.1 外墙保温技术

外墙保温按其保温层所在位置分类，目前主要有：外保温、内保温、单一保温和夹芯保温四种类型。无论是外保温还是内保温，都能有效降低墙体传热耗热量并使墙内表面温度提高，使室内气候得到改善。但是，采用外保温的效果更加良好，这主要是因为：a.常规的内保温对楼板、梁柱等处均无法处理，在冬季形成热桥现象，使热量损失和外墙内表面潮湿、发霉；b.外保温内侧的实墙蓄热性能好，热容量大，室内能蓄存更多的热量，使诸如太阳能或间接采暖造成的室内温度变化减缓，室温较稳定；c.外保温有利于提高建筑结构的耐久性；d.外保温可以减少墙体内部冷凝现象。外保温工程每平米造价比内保温相对高一些，不占用使用面积，综合效益较为显著。

目前，市场上比较成熟的保温构造主要有：EPS板薄抹灰系统、胶粉EPS颗粒保温浆料系统、EPS板现浇砼系统、预制外挂保温板、水泥聚苯板外保温、XPS保温板及聚氨酯硬泡(PU)板等。不同外保温体系，其材料、构造和施工工艺各有差异，采用的固定保温板的方法各不相同，粘结或钉固在基层上，或者两者结合。保温层永久固定的机械件，一般采用钢制膨胀螺栓，并作相应的防锈处理。保温板的面层具有防护和装饰作用，其做法各不相同，薄面层一般为聚合物水泥砂浆抹面，厚面层仍采用普通水泥砂浆抹面，有的则在龙骨上吊挂板材或瓷砖覆面。

1.2 内保温体系

内保温外墙的保温结构一般是由保温板和空气层组成，加设空气层一是解决保温材料侵潮问题，二是提高外墙的保温能力。可用于外墙内保温的板材有：充气石膏板、水泥聚苯板、纸面石膏聚苯复合板、无纸石膏聚苯板[1]。张德研究了GRC复合保温板外墙内保温的结构与应用，GRC是一种玻璃纤维增强水泥为面层，以聚苯乙烯泡沫塑料板为夹层的夹心复合保温板[2]。目前常见GRC内保温板尺寸，板长900～2700 mm，板宽600 mm，厚有50、60 mm两种。该复合保温板安装于外墙有点结构和条基结构两种（见图1），采用P砂浆粘贴，板与外墙间设置20～30 mm的空气层；该墙体经不同季节的干湿循环，墙面平整，无裂纹，未出现热桥和冷桥现象，满足民用建筑节能设计标准的要求。P砂浆是由低碱度早强水泥、细河沙、滑石粉、707胶液调制成浆体，用于板和墙体的连接和接缝。

图1 点结构、条基结构安装示意图Fig.1 Schematic diagram of point structure and strip structure

1.3 质量控制

秸秆菱镁混凝土保温板比一般板材更易加工，可锯、可钻、可钉，使用一般木工工具即可加工，保温板与菱镁水泥砂浆有较好胶结性能，施工较为方便。采用秸秆菱镁混凝土保温板来代替聚苯乙烯泡沫板对传统农房进行节能改造，不仅施工工序简单，缩短工期，而且强度高、抗冲击能力好、稳定性良好、阻燃、无毒环保。在施工过程中要注意以下几个要点：

（1）基层处理，应检查墙面抹灰的平整度、垂直度、厚度、强度，以保证墙面与保温板贴合度；

（2）木龙骨安装过程中，为防止凿入过多的钉子而开裂，先用电锤钻孔，再用螺栓或钢钉固定；

（3）保温板在运输、装卸和存放时要采取相应操作措施，损坏的板不能用于工程。安装保温板在打孔时要注意孔径尺寸，应略小于塑料膨胀钉在膨胀之前的直径，防止影响墙面的咬合强度甚至脱钉，安装完成要检查其牢固性，发现问题，及时修正；

（4）玻璃纤维布必须压贴紧密，不应有折皱、翘边等现象。对施工衔接缝隙、阴阳角和门窗洞口边缘等复杂的施工位置要加强保温层的抗裂防护处理，避免产生裂缝而造成保温质量的丧失，可加强玻纤网格布的使用以及局部位置应用抗裂砂浆等。

2 在农房保温改造中的应用

2.1 案例介绍

为了通过实践检验此种材料的实际保温效果，在莱芜市华山村用秸秆混凝土制成保温板改造了一处使用面积为12 m2的普通住房进行实践性研究。该住房为坡屋顶的砖木结构，毛石基础，墙体一面为石墙，其它三面为混凝土空心砌块砌墙，屋顶由木屋架木檩条承重。图2为住房平面现状图。

2.2 改造方式

本文的农房改造采用内保温，保温板机械固定于基层，面层抹灰并用玻纤布防开裂，图3为外墙内保温构造示意图。秸秆菱镁混凝土保温板制品有墙板和吊顶板两种，保温墙板尺寸为1200 mm×500 mm×40 mm，吊顶板尺寸为390 mm×240 mm×10 mm，在施工图设计中要充分考虑保温板的尺寸，吊顶采用轻钢龙骨和烤漆T型龙骨。

图2 住房平面现状图Fig.2 Housing plane status map

图3 外墙内保温构造图Fig.3 Internal thermal insulation construction of external wall

2.3 施工过程

首先要进行施工准备：秸秆菱镁混凝土保温板、吊顶板、金属龙骨、木方、吊筋、膨胀螺栓、钢钉、塑料膨胀钉等材料以及电锤、电锯等机具。然后，进入施工阶段，施工过程示意见图4。

（1）基层处理。内墙面水泥砂浆抹灰找平，用水平尺检查平整度、垂直度，阴角剔凿顺直。为控制保温板的安装精度，安装前应使用激光水平仪，整平靠近墙根5 cm范围内的地面使之在同一水平面上，先夯实地面再用砌砖等方式调整至水平，砖施工前半小时喷水润湿。

（2）龙骨安装。案例中房屋的后墙为石墙，表面极不平整，故考虑安装木龙骨进行墙面调平，用膨胀螺栓将竖向主龙骨固定在墙上，用螺栓或钢钉将副龙骨水平固定在竖向龙骨上，并边固定边用水平尺调整至竖直。为增加木龙骨的稳定性，应减小固定点的间距。

（3）保温板安装。根据设计好的施工图纸，秸秆菱镁混凝土保温板竖向放置，调平后用电锤沿着保温板中心线打孔，穿透保温板并深入墙面一定深度，并用塑料膨胀钉固定，每块板至少固定三个位置。按块安装，并边安装边固定。

（4）吊顶板安装。安装流程为：确定吊筋位置、布置吊筋、连接主龙骨、安装面龙骨、安装吊顶面板。吊筋间距不超过1 m，主龙骨应保持相互平行，吊顶板的两对边应垂直或平行于面龙骨，每一排的最后一块应根据实际尺寸切割后放置。

（5）面层修饰。秸秆混凝土板表面抹灰或贴瓷砖时，应做好基层处理，表面洒水湿润，挂玻纤网格布，防止墙面出现裂缝。如在墙面保温板表面固定玻璃纤维布，用一层5 mm左右的菱镁水泥浆粘贴，搭接处不小于100 mm。2 h初凝后，再抹一层菱镁水泥浆并找平，以备再刮腻子、刷涂料或乳胶漆。

图4 保温改造过程示意图Fig.4 Schematic diagram of insulation reform

2.4 热工性能分析

2.4.1 室内外温度采集 为了测试改造房的墙体保温性能，并实测墙体的总传热系数，进行保温性能分析。在冬季有取暖设施条件下，观测室内、外温度变化情况，测试时房屋无人居住、门窗关闭，热能主要来自一台连续工作的功率为2000 W取暖器。在室内外各设置2个温度测试节点，测点离地面高度0.8～1.5 m，应离开墙壁和热源不小于0.5 m。采用BES-Aa建筑围护结构现场检测仪，每5 min自动记录1次数据。记录结果如图3室内外温度随时间变化曲线。

图5 室内外温度24 h随时间变化曲线Fig.5 Curves of temperatures indoor and outdoor in 24 h

图6 试验房外墙断面图Fig.6 Test house external wall sectional drawing

由图5可以看出，当室外气温昼夜变化时，白天受太阳辐射的影响，室内温度逐渐升高，下午4点左右达到最高并逐渐减低，到晚上8点室内温度开始保持相对稳定，整体温差在3.2℃以内，而室外气温变化差在5.2℃。这说明冬季室内温度在一天的变化很小，改造房具有较好的保温性能。室内平均温度为15.6℃，基本达到国家冬季采暖标准（《室内空气质量标准》GB/T18883-2002规定冬季采暖标准为16～24℃），符合这个标准的室内温度就是舒适的室内温度。但用取暖器费用过高，可以采用传统的火炉取暖，提高使用者的舒适度。

2.4.2 外墙热工理论计算 改造后的外墙从内到外的构造为42 mm(实测平均厚度)秸秆菱镁混凝土保温板—5 mm空气间层—20 mm水泥砂浆抹灰—240 mm混凝土空心砌块，见图6。

取水泥砂浆的导热系数λ=0.93 W/(m·K)，秸秆菱镁混凝土保温板的导热系数λ=0.054 W/(m·K)[3]，5 mm空气间层热阻值取0.1 m2·K/W，[1]该空心砌块为单排三孔普通混凝土空心砌块，尺寸为390×240×180 mm（长×宽×高）。该空心砌块的热阻经试验测定为R=0.476 m2·K/W。计算墙体材料的热阻（R）为：

根据《民用建筑热工设计规范》GB50176—93[4]附录2.4，内表面换热阻Ri=0.11 m2·K/W，外表面换热阻Re=0.04 m2·K/W，则外墙总的热阻R0：R0=Ri+R+Re=0.11+1.375+0.04=1.525 m2·K/W

由理论计算可知，秸秆菱镁混凝土保温板热阻占该墙体总热阻的54%，其对混凝土空心砌块墙体保温性能的改造效果明显。

2.4.3 外墙传热系数的现场测试 采用BES-Aa围护结构传热系数现场检测仪测量外墙的热阻和传热系数，在房屋山墙距地面1.5 m高的墙面处，内外对应布置2个热偶计和热流计，测试设备每5 min采集记录一次数值。在室内放置一台连续工作的功率为2000 W取暖器，根据记录的结果显示，室内温度在14 h后达到稳定状态，并继续保持加热状态24 h保证墙体温度达到稳态。故试验数据取自加热开始后38 h，即选自2017年1月17日凌晨00:40至05:25这一温度均衡的285 min时间段。图7为内外墙面温度随时间变化曲线，图8为墙体传热系数随时间变化曲线。

图7 内外墙面温度随时间变化曲线Fig.7 Curves of inner and outer walls temperature changes with time

图8 墙体传热系数随时间变化曲线Fig.8 Curves of wall heat transfer coefficient with time

从图7、图8可以看出，在这一时间段室内、外墙面温度近于一条直线，保持稳定状态；计算得出的传热系数的变异系数（标准差与均值的比率）为3.3%，处于稳定状态。由测试结果得出，该墙体的平均传热系数为0.636W/(m2·K)。

2.4.4 墙体传热系数计算值和实测值的对比 改造房外墙的传热系数计算值为0.656 W/(m2·K)，实测值为0.636 W/(m2·K)，误差为3%，出现偏差的原因主要有两个方面：①试件的实际情况与计算参数方面并不完全一致，比如，保温板个体差异、砌筑灰缝的影响及抹灰厚度的误差等。②仪器设备本身有一定的测试误差。

表1 改造前后墙体热工对比Table 1 Comparison of wall thermal performance before and after reform

从表1中可以看出，秸秆菱镁混凝土保温板加在普通混凝土空心砌块墙体一侧，与改造前的墙体相比，墙体总热阻提高135%，墙体传热系数减小57%，即改造后的墙体比原来的混凝土空心砌块墙体节能57%。

2.4.5 红外热成像技术检测 利用德国红外热成像仪testo 890在同一时间、地点及阳光照射条件下对保温改造的住房和同面积普通房屋进行红外热像拍照，利用testo IRSoft软件进行分析，比较外墙面温度差异，进行保温性能分析[5]。拍摄时间选在冬季，2017年1月17日早上7:00对改造房进行拍摄，并对拍摄结果进行分析。分析结果见图6～8。

图9 房屋外墙热像图Fig.9 Thermal image of external wall of house

图10 外墙温度剖面图Fig.10 Section graphs of exterior wall temperature

图11 外墙温度直方图Fig.11 Histogram of exterior wall temperature

经过testo IR Soft软件图像分析，在图9中，房屋外墙热像图中可以看出改造房外墙混凝土空心砌块缝隙处的温度达到1.7℃，存在明显的热工缺陷，主要是因为外墙没有抹灰，混凝土空心砌块无法阻挡缝隙处的热流。

表2 外墙温度对比表Table 2 Comparison of exterior wall temperature

从图10和图11的分析可以得出外墙温度的对比表2，由表中数据可以看出，相同环境条件下改造房外墙平均温度为-3.9℃，而普通砖房外墙平均温度为-3.1℃，两者相差0.8℃。因此，在相同供热条件下，普通砖墙的传热比改造墙的传热要快，改造墙的保温隔热性能要优于普通砖墙，同样改造房的保温性能优于普通砖房。

2.5 成本分析

本小节对秸秆菱镁混凝土保温板在农房保温改造的成本进行分析，成本分析是在本试验现有条件下进行的，半手工加工，与机械化生产相比，得到的成本会偏高。表3对本章的农房保温改造进行了成本分析，对类似开间4米、进深3米农房保温改造起到一定借鉴作用。通过成本分析可以看出，总成本为1852.7元，均摊于墙面面积，约65元/m2，是一个比较合理的单价。因此，秸秆菱镁混凝土保温板不但具有明显的经济效益，而且避免了块材墙体易出现开裂、冷(热)桥等质量通病，具有很好的经济效益和环保效益。

表3 农房保温改造成本分析Table 3 Cost analysis of the house insulation reform

3 结论

（1）通过对混凝土空心砌块房屋改造，保温板可锯、可钻、可钉，使用一般木工工具即可加工，易施工，且强度高、抗冲击，避免了块材墙体易出现开裂、冷(热)桥等质量通病，形成了较为成熟的新型建筑材料秸秆混凝土用于墙体和屋面保温的施工工艺，提供了可借鉴的节能改造施工方案。

（2）现场测定改造后墙体的传热系数为0.636 W/(m2·K)，秸秆菱镁混凝土保温板热阻占墙体总热阻的54%，比改造前的混凝土空心砌块墙体保温性能提高了57%，保温性能的明显提高。

（3）对改造房进行热工分析，经改造后的房屋保温性优于普通砖房，秸秆菱镁混凝土保温板显示了很好的保温性能。总而言之，由秸秆混凝土制成的墙体保温板，轻质、成型快、保温隔热效果好，为建筑保温材料发展提供新的方向，具有良好的发展前景。

[1]王立雄.建筑节能[M].第二版.北京:中国建筑工业出版社,2009

[2]张 德.GRC复合保温板外墙内保温的结构与应用[J].新型建筑材料,1998(1):28-30

[3]姚久星,周宝木,等.秸秆混凝土保温性能试验研究[J].新型建筑材料,2017.

[4]中华人民共和国建设部.民用建筑热工设计规范GB50176-93[S].1993

[5]杨青松,徐学东.玉米秸秆改造住房建造技术及保温性能研究[J].新型建筑材料,2015,5.61-63

Study on Application of Straw Concrete Insulation Board in the Rural House Insulation Reform

YAO Jiu-xing,WANG Fu-gen,ZHOU Bao-mu,BI Shi-qi,XU Xue-dong*
College of Water Conservancy and Civil Engineering;Shandong Province Rural Residential Engineering Technology Research Center/Shandong Agricultural University,Tai‘an271018,China

Straw MOC concrete insulation board is a kind of independent research and development of environmental protection and energy saving plate.Through the reform of the concrete hollow block house,the production process and insulation reform technology of straw MOC concrete insulation board were studied;the thermal insulation performance of the reform house were tested;And the thermal insulation performance of ordinary brick house was compared and analyzed.Through the reform of the insulation performance of the house,mature insulation transformation technology was formed.Engineering thermal analysis of the house shows straw MOC concrete insulation board has good thermal insulation performance and the effect of thermal insulation housing reform is obvious.

Rural house reconstruction;straw MOC concrete;insulation board;thermal insulation properties

TU582.572

A

1000-2324(2017)05-0730-06

2016-10-23

2016-11-08

“十二五”国家科技支撑计划课题:低成本村镇基础设施与环境建设技术研究与示范(2014BAL04B05)

姚久星(1991-),男,硕士研究生,研究方向为设施技术与项目管理.E-mail:jxyao2013@163.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:xdxu2007@163.com