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作为世界上最古老的建筑材料之一,有“秦砖汉瓦”之称的实心粘土砖传承了中华民族几千年的建筑文明史。至今,它仍是国人衷爱的建筑材料。然而,其使用存在着毁耕地、耗能高的问题。面对这一情况,我国政府做出了2003年6月30日前禁止使用实心粘土砖的要求,并鼓励发展绿色建材作为建筑物的围护结构。
目前,我国新型建筑围护结构材料主要有三大类:建筑板材类、建筑砌砖类、非粘土砖类。其中,板材类材料在某些方面可以反映出一个国家的建材工业水平和房屋建筑水平。我国目前板材产量仅占墙材总产量的3%,建筑业对板材有相当大的需求量,前景十分广阔。常见的建筑板材有:玻璃纤维增强水泥板(GRC)、纸面石膏板、植物纤维纤维(包括稻草板、麦秸板、蔗渣板等)、水泥刨花板、胶合板、复合墙体板等。
本研究的木塑外墙挂板属于一种新型的环保建筑板材,通过更换挤出模具及在配方中添加不同色料就可获得不同的截面形状及多变的色彩,可用做建筑内外装饰性围护结构,取代高能耗建材(如水泥、沙子、石灰),起到覆盖、防护和装饰的作用。作者希望通过该研究吸引建筑商的眼球,扩大木塑外墙挂板在建筑围护结构上的应用。
1 木塑外墙挂板
在美国,木塑复合材料已经生产了几十年,其运用最广泛的是在建筑产品方面,且早期的建筑应用通常仅限于窗户部件。目前,研究人员和工业界一直在研制能显示独特结构性能特点的配方,许多曾经用木材建造的设施都正在被木塑复合材料所替代,现已在各领域得以应用,如铺板、栏杆、围栏、窗户框架、外墙挂板等。其中,铺板是木塑产品中应用得最早也是最多的产品之一,占木塑市场份额的75%。而木塑外墙挂板应用得相对晚些,现也随着木塑产品应用领域的扩大逐步发展起来,预计,木塑外墙挂板将成为未来建筑外墙装饰材料的新宠。
1.1 木塑外墙挂板的生产
木塑复合材料是将木质纤维(主要是木粉、稻糠)、塑料粒子(主要是PE、PP、PVC)、助剂(如润滑剂、着色剂、抗老化剂、偶联剂等)等按一定的比例混合后通过双螺杆造粒机造粒,再经挤出机挤出成各种截面形状的产品。
1.1.1 稻壳/PE复合外墙挂板的生产
⑴ 混炼造粒阶段:
将表面改性处理过的稻壳粉与聚乙烯塑料(PE)、助剂(包括硬脂酸润滑剂、酞青蓝、酞青绿、抗紫外线吸收剂等)按照60%:38%:2%的比例及先后顺序加入到高速混合机内进行混合,混合时间控制在5~8min。
将经上述过程混合的原料加入到造粒机料斗中,然后进行喂料造粒,加料段到出料段的温度控制在180℃~200℃之间。另外,在造粒过程中通过观察物料的塑化程度来进行工艺的调节,使物料能够在很好塑化的同时也能将造出来的物料水分含量控制在一定的比例之下,从而使挤出成型过程能够更好地进行。
⑵ 挤出成型阶段:
在进行挤出生产前,将挤出木塑外墙挂板的模具安装完毕。安装完成后进行加温,达到设定温度后保温1~1.5个小时,然后开机。
开机后,将造好的粒料加入到挤出机料斗中,通过双螺杆挤出机塑化挤出。一般机筒温度为110~150℃,成型模具的温度为150~170℃。温度一般不要超过200℃,因为大多数木质纤维的降解温度在200℃以下,超过此温度,木质纤维的强度将因热降解而下降。在挤出过程中通过调节冷却水、温度等工艺使产品的质量达到生产要求。特别是对外观要求高的产品要避免其在生产过程中出现的各种伤害。
最后,将挤出的材料按照不同的要求进行切割,并将一部分木塑外墙挂板进行打磨处理,以适应不同的应用要求。处理完后进行包装。
1.1.2 回收牛奶盒(尿不湿边角料)/木粉复合外墙挂板
具体工艺情况跟1.1.1相似。仅是多了将回收回来的牛奶盒(尿不湿边角料)进行破碎处理,然后清洗,干燥处理等工序。
1.2 木塑外墙挂板的安装
在查阅国内外相关木塑生产公司产品的基础上,此处总结归纳了一下市场上现有的几种常见木塑外墙挂板形状。
木塑外墙挂板截面结构示意图
木塑外墙挂板的安装方法:
首先,采用不锈钢螺钉将第一层木塑外墙挂板固定在事先安装好的龙骨(龙骨间距在400mm~600mm之间)上,并使其紧紧地咬合住。再按照由下而上的安装顺序将第二层挂板插接扣合到第一层挂板上,以保证雨水沿着挂板流下,而不进入到挂板内部。注意:两挂板之间留出6~10 mm的空隙,使其能自由伸缩,以防止热胀(夏天)冷缩(冬天)引起挂板翘曲变形。以带引导槽的外墙挂板为例,如下图所示。
带引导槽的木塑外墙挂板安装细节
1.3 木塑外墙挂板的性能
1.3.1 力学性能
主要测试了4 种木塑外墙挂板的力学性能,分别是稻壳/PE 复合外墙挂板(分表面打磨和未打磨,以表面打磨为主)、尿不湿边角料/木粉复合挂板和回收牛奶盒/木粉复合挂板。
采用深圳新三思微型控制电子万能力学实验机(CMT 4204)进行小板条试样试验。三点加载,试验机横梁加载速度设为10mm/min,跨高比设为16:1,即跨距为120mm。结果见表1。
表1 木塑外墙挂板的力学性能
从表1中可看出4 种木塑外墙挂板的抗弯强度、抗冲击韧性相对稍低。建议将其作为隔墙类装饰材料,用于非承重一些场合。
1.3.2 表面防水性能
用于围护结构的木塑挂板,经常会受到雨水、露水、雾水等的侵袭,如果表面防水能力差的话,会引起建筑围护结构(含保温层)的受潮、失效,甚至会导致室内物件发生霉变及滋生细菌,从而影响建筑的耐久性和室内卫生环境,因此要求其具有一定的防水能力。接触角是判断防水性能优劣的主要衡量指标。
采用德国 DSA100 表面接触角测量仪对 4种木塑外墙挂板的表面接触角进行测试,结果见表2。表2中还列出了几种木材的接触角数值。
表2 几种材料的平衡接触角
通过与木材接触角相比,发现木塑复合材料整体的润湿性获得了改善,防水性能也得到提高。因为木材中木纤维含有大量的极性羟基、酚羟基等官能团,因而表现出较强的亲水性,故其接触角远低于90°;而塑料属于非极性的,具有疏水性,其接触角一般超过90°。
从该表上可以看出,四种材料的接触角均接近或超过90°,即其表层具有一定的防水能力。
4种木塑外墙挂板接触角实拍图
上图是4种木塑挂板材料接触角实拍图。可以看出图(a)的结果最为清晰,其次是(d),(a)中材料表层较为粗糙。
1.3.3 热物理性能
建筑材料的热物理参数是建筑围护结构热工设计中十分重要的指标。了解和掌握材料的热物理特性,有助于设计师选择合适的材料,最大限度地降低建筑能耗,获得最佳的室内居住环境。
由于该类木塑活动房内部无温湿度调节系统,因此其内部温湿度、热辐射等主要由木塑复合材料的热工特性来决定。目前国内外木塑复合材料的研究主要集中在生产配方与工艺设备、界面相容性及改性、耐老化性能、物理力学性能、发泡等方面。而关于木塑复合材料热物性参数的研究几乎是空白,无法为以木塑作为围护结构的活动房其热工计算提供依据,因此有必要对木塑材料的热物理参数进行测试。
采用ISOMET model 2104热特性分析仪[导热性量程为0.3~2.0 W/(m·K)]进行热工参数测定,试验期间温度波动范围控制在±2 ℃,测试结果见表 3。
表3 木塑外墙挂板及几种常用建筑材料的热物理性能参数
比较发现,四种木塑外墙挂板材料热物理参数值相近,且其导热系数随密度的增加而增加。另外,回收牛奶盒/木粉复合材料中因含有少量铝箔而使其导热系数比其它三种材料偏大一些。
木塑外墙挂板的热物理性能参数远远优于建筑钢材,后者的导热系数、导温系数分别是前者的 130~193 倍、53~76倍。一般而言,材料的导热系数、导温系数越小越好(导温系数小的材料对热环境的改变反应缓慢,有助于建筑内温度的稳定);与钢筋混凝土、夯实黏土这些传统建材相比,木塑外墙挂板的导热系数、导温系数稍小;与常用墙体覆盖面板(石膏板、水泥刨花板)相比,其密度、导热系数、导温系数都很接近。说明从热工性能方面考虑,采用木塑外墙挂板做建筑围护结构是可行的。
2 木塑复合保温墙体
2.1 木塑复合保温墙体的安装与构造
搭建一个钢结构框架,在钢结构框架上采用六角头自钻自攻螺钉安装木塑条作为龙骨(龙骨间距为 600 mm),然后安装木塑挂板作为外墙围护结构。安装完外墙的木塑挂板后,在方钢结构间填充EPS 保温材料,并在 EPS保温材料拼接处采用建筑密封胶粘剂,以最大程度的实现该木塑复合墙体的保温隔热性能。填充完 EPS 后,再在内部安装木塑挂板作为内墙的围护结构。墙体结构如下图所示。
木塑复合保温墙体构造示意图
该墙体共五层结构。主要承重体是钢结构,木塑复合挂板不参与承重。其中,内外木塑复合挂板的名义厚度均为:8mm;空气层厚度为:15mm;EPS保温层的名义厚度为:50mm,则总墙体厚度为:96mm,远小于厚度为240mm实心砖砌筑的墙体。
2.2 木塑复合保温墙体的理想理论传热阻
热量从围护结构的一侧空间传至另一侧空间所受到的总阻力称为传热阻,用R0表示。传热阻R0越大,则通过围护结构的热量越少。它是表征围护结构保温性能的一个重要参数,建筑节能检测的一个重要指标是要确定建筑围护结构的传热阻。精确地测定热阻有助于准确估算通过建筑围护结构的热量,从而有助于确定整个空间的空调负荷,为热舒适性设计、节能设计以及空调系统的选择提供可靠的依据。
理论计算时,围护结构传热阻R0按如下公式来计算:
式中,R0 —围护结构的传热阻((m2·K) /W);
Ri—内表面换热阻((m2·K) /W),通常取0.11;
Re—外表面换热阻((m2·K) /W),通常取0.04;
∑R—围护结构各层材料热阻之和;
dm—材料层厚度(mm);
λm—材料层导热系数(W/m·K)。
该木塑活动房的内外墙体覆面材料有4种,实际上以两种为主,分别是表面打磨稻壳/PE复合挂板、尿不湿边角料/木粉复合挂板,其它2种作为装饰。因此计算该复合保温墙体的传热阻时,将这两种主要材料的导热系数值代入公式中计算,同时忽略了钢结构的影响,所得结果为理想理论传热阻。结果见表4。
表4 木塑复合保温墙体的理论传热阻
注:空气间层热阻摘自《民用建筑热工设计规范》(GB50176-93)[5]。由于规范只有10mm、20mm空气间层的热阻值[按冬季标准:(0.14m2·K /W)、(0.16m2·K /W)],没有15mm空气间层的热阻值,实际计算时按最小热阻值选取,为0.14(m2·K) /W。
表5 不同构造墙体的传热阻比较
将该木塑复合保温墙体与传统民居建筑外墙传热阻相比,说明该木塑复合保温墙体不论是墙体厚度,还是理论传热阻都具有一定的优势。因此,采用木塑复合材料作为建筑外墙围护结构在理论上是可行的。
3 结语
(1)木塑外墙挂板可作为隔墙类装饰材料,用于非承重的一些场合;其表面具有一定的防水能力;与常用建筑墙体面板(石膏板、水泥刨花板等)相比,这几种木塑外墙挂板的热物理性能与其相近。
(2)采用木塑复合材料(中间填充 EPS 板)作为内外墙体围护结构所获得的复合保温墙体厚度为 96 mm,远小于厚度为 240 mm 实心砖砌筑的墙体。与传统民居建筑外墙相比,该木塑复合保温墙体的厚度、理论传热阻具有优势。说明从热工性能方面考虑,采用木塑外墙挂板材料做建筑围护结构是可行的。
保护有限的森林资源,保护我们赖以生存的自然环境……