我国自保温混凝土砌块的发展现状及研究方向
张磊蕾
(中国建筑材料科学研究总院，绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024)
摘要：按提高和改善混凝土空心砌块热工性能的技术措施，自保温混凝土砌块可分为四类：轻集料混凝土自保温砌块、不同孔结构的自保温砌块、填充高效保温材料的自保温砌块及复合结构保温砌块，各地可根据当地的气候、资源、经济条件选用相应品种。其中复合结构保温砌块是一类新型多功能墙体材料，保温性能优越，耐久性好，具有广阔的市场前景。提出进一步优选自保温砌块基材、研发高效填充保温材料和保温砌筑砂浆、研制自保温混凝土砌块专用生产装备、编制自保温混凝土砌块设计图集和技术规程是我国自保温混凝土砌块领域今后的主要研究方向。
关键词：自保温混凝土砌块；发展现状；研究方向
The Development Status and Research Direction of
Self-Thermal Insulating Concrete Block of China
ZHANG Leilei
(China Building Materials Academy, Beijing 100024, China)
Abstract: According to the technical measures to improve the thermal performance of concrete block, the thermal-insulating concrete block can be divided into four types: insulation concrete block produced from lightweight aggregate, insulation concrete block with different pore structure, insulation concrete block filled in the holes with high-performance insulation materials and thermal insulation composite block. The appropriate insulation block can be selected according to the local climate, resources and economy. Thermal insulation composite block, a new kind of multi-purpose wall material, with wonderful thermal insulation performance and excellent durability, has extremely wide market prospect. This paper raise that the matrix material of thermal-insulating concrete block should be further optimized, high-performance thermal insulation filling materials and thermal insulation mortar should be researched, the special production equipment should be developed, the designs and technical specifications of concrete block should be prepared, which are the main research directions of thermal insulation concrete block in China.
Keywords: thermal-insulating concrete block, development status, research direction
基金项目：国家科技支撑计划子课题(2006BAJ05B01).
作者简介：张磊蕾，中国建筑材料科学研究总院在读硕士，主要从事新型墙体材料和保温材料的研究，E-mail：
1 前言
21世纪人类共同的主题是可持续发展，树立全面、协调、可持续的科学发展观已成为我国的基本国策。随着能源问题的日益突出，国家对建筑节能越来越重视。建筑能效的高低直接影响我国的能源安全战略，也会影响到我国的可持续发展。目前建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列为我国
能源消耗的三大“耗能大户”。尤其是建筑耗能伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提高，呈急剧上扬趋势。建筑能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖空调等)约占全社会总能耗的30%，其中最主要的是采暖和空调，占到20%，约为2.6亿吨标准煤。推进建筑节能工作，不仅可以节约能源、缓解环境污染，对社会经济的可持续发展具有十分积极的作用。
在一般性建筑中，以住宅为例，通过围护结构的传热量约为建筑使用能耗的72%，而在围护结构传热量中，外墙传热占24%。因此，近十年来我国推广和采用了多种节能新技术、新材料、新产品，对建筑物墙体实施节能措施，使建筑节能率从30%、50%向65%目标推进，促进了建筑节能工作稳步发展。现阶段我国主要采用外墙外保温技术来提高建筑物墙体的保温隔热性能，如胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统、膨胀聚苯板(EPS/XPS)薄抹灰外墙外保温系统、无机保温砂浆外墙外保温系统、发泡聚氨酯外墙外保温系统等，这些技术的广泛应用全面推进了我国的建筑节能工作。但调研表明，各种外墙外保温系统在技术、质量和施工上分别存在局限性，最突出的是使用寿命问题。国家和地方相关技术规程通常规定使用寿命为25年，存在着外保温系统与建筑物使用寿命不同步问题。因此外墙外保温技术受到多方质疑。
随着建筑节能工作的全面推进和不断深化，对不同形式保温体系提出了迫切需求，节能与结构一体化成为结构体系发展和应用的重要方向。节能与结构一体化不仅丰富了建筑结构体系，也较好地解决了保温体系与建筑的同寿命问题，在抗震、安全等性能方面得到了加强，也推动了墙体材料的革新。自保温混凝土砌块(以下简称自保温砌块)作为节能与结构一体化结构体系的主要墙体材料，近年来发展很快。通过采用相应的技术措施来提高普通混凝土砌块的热工性能，使普通混凝土砌块由单一的结构材料转变为结构和节能一体化保温砌块，用其砌筑的建筑墙体热工指标可满足我国不同气候地区的建筑节能标准。研制、推广和应用自保温砌块将会推进我国建筑节能工作健康发展，具有显著的社会和技术经济优势。自保温砌块作为一种新型多功能墙体材料，耐久性好，防火，施工方便，综合成本低，与建筑物同寿命，因此具有广阔的推广应用前景，是我国建筑砌块领域今后重点发展方向之一。
2 自保温砌块种类
2.1 轻集料混凝土保温砌块
研究表明[1]，混凝土基材的导热系数对砌块保温性能具有显著影响。随基材导热系数降低，砌块热阻值同步提高，不同孔洞排数均表现出相同趋势。与普通混凝土相比，轻集料混凝土通常干密度小、导热系数低，因此轻集料混凝土小型空心砌块通常具有良好的热工性能。制备轻集料混凝土保温砌块通常选用堆积密度位于300kg/m3~500kg/m3范围内的超轻集料，包括各种天然轻集料、煤渣、黏土陶粒、页岩陶粒等。轻集料混凝土保温砌块被广泛应用于建筑结构的内外墙体材料，尤其是热工性能要求较高的围护结构上。
赵强[2]等研究了陶粒混凝土砌块的热工性能和应用效果。结果表明，在建筑结构形式完全相同的情况下，使用500级陶粒混凝土空心砌块比普通烧结实心砖的建筑，节能30%左右。厚度190mm的陶粒混凝土空心砌块砌体热阻值大于厚度370mm的普通烧结实心砖砌体的热阻值。黑龙江省研制的无砂页岩陶粒混凝土空心砌块，砌块块体密度为700kg/ m3，300mm厚陶粒混凝土空心砌块墙体的保温效果优于490mm厚黏土砖墙。卢玫裙[3]采用干密度为1600kg/m3、导热系数为0.556W/(m·K)的煤渣混凝土制备煤渣混凝土空心砌块，砌块块体密度约为720kg/m3。与使用干密度1800kg/m3、导热系数为0.93W/(m·K)的普通混凝土制备的混凝土空心砌块相比，煤渣混凝土空心砌块的热工性能大大优于同结构的普通混凝土空心砌块。王武祥[1]研究表明，直接使用轻集料制备190mm厚单排孔砌块，再在孔洞中填充水泥基复合保温材料，用
其砌筑的外墙热工性能可满足我国夏热冬冷和夏热冬暖地区节能要求。
2.2 不同孔结构的自保温砌块
2.2.1 不同孔排数自保温砌块
混凝土小型空心砌块按孔洞排数可以为单排孔、双排孔和多排孔。随着砌块孔洞排数增减，砌块中空气间层厚度随之变化，因而砌块热工性能差异较大。砌块中空气间层厚度超过20mm后，进一步增加空气间层厚度，空气间层热阻增量越来越小。当空气间层厚度超过40mm后，空气间层热阻趋于固定。因此，靠提高空气间层厚度来增加砌块热阻效果有限[4]。若增加孔洞排数，则可显著提高砌块热阻[5]。为研究孔洞排数对砌块热阻的影响，张芳等[6]测定了190 mm厚不同孔洞排数的混凝土砌块的热阻值(见表1)，结果表明双排孔混凝土砌块比单排孔混凝土砌块的热阻值明显提高。华南理工大学亚热带建筑研究室李建成[5]采用有限元法对不同规格、孔型的混凝土空心砌块的热阻值进行了大量计算，提出孔洞排数对砌块热阻值的影响最大，并提出“多排孔、薄孔壁”可作为隔热空心砌块热工设计的准则。因此，就热工方面进行块型设计时，对于厚度相同的砌块，宜采用多排孔。
表1 不同孔排数砌块的墙体热阻值
砌块规格 孔洞尺寸(mm) 墙体热阻
(m2·K)/W 总墙体热阻 (m2·K)/W
190mm厚、单排孔 150×130，150×130 190 mm厚、双排孔 190×50，115×50；115×50，190×50
190 mm厚、三排孔 75×25，130×25，75×25；150×30，150×30；
75×25，130×25，75×25 0.317 0.467 0.614 0.764 0.631 0.781
2.2.2 不同孔型自保温砌块
混凝土空心砌块的孔型多为长条矩形或方形，不同孔型对砌块砌体传热性能也有一定影响。王沁芳等
[7]测定了孔洞率相同、孔型不同的单排孔空心砌块砌体的平均传热系数。研究表明：矩形孔砌块砌体的平均传热系数最小，菱形孔、正方形孔砌块砌体次之，圆形孔砌块砌体最大。原因是矩形孔砌块中的空气容易形成长路对流，而菱形、方形、圆形孔中的空气依次不易形成长路对流。所以，自保温砌块的孔形设计应优先考虑采用矩形。
2.3 填充高效保温材料的自保温砌块
在砌块孔洞内填入导热系数较小的高效保温材料可显著提高混凝土空心砌块的热工性能。常用填充材料主要有模塑聚苯板(简称EPS板)、挤塑聚苯板(简称XPS板)、水泥聚苯颗粒浆料、发泡聚氨酯、泡沫混凝土、玻璃棉、岩棉、矿棉等。聚苯板内部具有无数封闭微孔，具有质量轻、保温性能好、价格低廉等特点，其厚度可根据砌块孔洞空气间层厚度和保温性能要求调整。目前填充聚苯板多为手工方式，生产效率较低。泡沫混凝土为无机保温材料，物理性能稳定，通过灌注成型，与砌块结合密实，与砌块同时养护，生产工艺简便，但热工性能不如聚苯板。发泡聚氨酯保温性能最佳，但成本较高；玻璃棉、岩棉、矿棉等同样具有良好的保温性能，但存在手工填充工效低、刺手和硬挺性较差等问题。王武祥[1]以回收的膨胀聚苯乙烯泡沫塑料再生颗粒为超轻骨料和保温主体，以水泥为主要胶凝材料，制备热工性能和物理力学性能俱佳的水泥基复合保温材料，兼有聚苯板和无机泡沫混凝土的优点。
张芳[6]等研究了采用不同填充措施的砌块砌体热阻。结果表明(见表2)，混凝土空心砌块在采用不同高效保温材料填充后，砌块热工性均有明显提高。在厚度和孔洞排数相同的情况下，240mm双排孔空心砌块，利用保温材料灌注两排孔的砌块保温效果优于只灌注单排孔的砌块；内插聚苯板的砌块热阻比灌注泡沫混凝土的砌块热阻高，尤其是三排孔均插聚苯板时，砌块热阻明显高于灌注泡沫混凝土的砌块热阻。
广西建筑科学研究设计院在三排孔混凝土小型空心砌块两侧孔内填充高效隔热材料，大大提高了混凝
土砌块的热阻值。研究发现，填第一排孔时砌块热阻增加0.05(m2·K)/W；填第二排孔时，砌块热阻值则增加0.14(m2·K)/W，是第一排孔的2.8倍。冷、热两侧均填聚苯板时的热阻增加值比仅在热侧填聚苯板时的热阻增加值的增幅要大，说明冷、热两侧均填聚苯板时的隔热保温效果更佳。
表2 填充保温材料后的的砌块墙体热阻(m2·K)/W
砌块规格(mm)
390×190×190
390×190×190
390×240×190
390×240×190
390×240×190 孔排数 双排孔 三排孔 双排孔 三排孔 双排孔 孔内不灌注 仅外排孔内灌注泡沫混凝土 0.144① 0.129① 0.100① ⎯ ⎯ ⎯ 内插聚苯板 (0.030①) 0.701 0.614 0.582 0.593 0.617 0.714 0.631 0.491 0.604 0.618 0.649 0.766 0.642 0.754 0.770 0.831 1.130 0.491 两排孔灌注
0.716 0.743 0.805 ⎯
注：①导热系数，W/(m·K)。
2.4 复合结构保温砌块
2.4.1 结构特征
复合结构是采用高效保温材料作为基层和面层的联结键，同时又作为绝热层，可消除砌块存在的冷桥，
应用较多的复合保温砌块由三个部分组成(见图1)：① 承基层和面层可使用普通混凝土或轻集料混凝土[8]。
受荷载部分，块型与普通混凝土小型空心砌块基本相同，块体可以是实心、单排或多排等不同孔型。② 保温层，起保温作用并连接砌块主体和保护面板。保温层一般采用聚苯板或泡沫混凝土，采用燕尾槽连接方式。③ 保护层，增强墙体耐久性能，也可以做外墙的饰面层。
图1 复合结构保温砌块的外形
目前复合保温砌块的结构层、保温层、保护层的结合方式均以榫形结构连接，直接复合，一次成型或者在砌块内部层体之间设金属拉结筋。由于材性和密度差异，保温层与混凝土界面常脱开，出现缝隙；金属拉结筋导热系数是聚苯板的1600余倍，易形成“热桥”降低聚苯板保温性能。目前我国已研究出复合保温砌块用的非金属材料高强拉结带[9]，采用非金属材料制成，具有抗腐蚀、寿命长、强度高、导热系数低等特点。横穿保温层两端不会形成冷桥，克服了现有金属拉结筋存在冷桥及强度差的缺点。
2.4.2 复合不同保温材料的保温砌块
复合聚苯板的自保温砌块密度低、保温性能优越，通过调整保温层厚度可达到相应的热工性能指标。泡沫混凝土与混凝土砌块复合的自保温砌块最大的优点为：泡沫混凝土采用水泥、砂、粉煤灰和外加剂制成，与混凝土砌块属同一材质，因此墙体保温层与结构层完全是同寿命，具有耐火性好和使用寿命长等优点。不但适用于填充外墙，也可用于承重外墙。由于泡沫混凝土强度比较低，在搬运过程中易破损，所以泡沫混凝土保温层厚度不宜过度增大，保温性能受到一定程度的制约[10]。
2.5 自保温砌块的适用地区
四类自保温砌块在保温性能及应用上各有千秋，各地可因地制宜生产和选用合适类型的自保温砌块。在东北、西北等严寒地区，宜选用复合聚苯板的复合结构保温砌块；在寒冷的华北地区，宜选用填充保温材料的自保温砌块或者复合泡沫混凝土的复合结构保温砌块；在夏热冬暖的长江中下游地区可以选择多排孔轻集料混凝土砌块或填充保温材料的自保温砌块；在夏热冬暖地区，多排孔自保温砌块即可满足当地的节能要求。除了考虑气候条件以外，还需充分利用当地的资源(包括利用工业废渣)、经济条件来生产和选用自保温砌块种类。
3 典型自保温砌块专利
3.1 轻集料保温砌块
图2为由北京建筑砌体材料专业委员会研制的轻质保温砌块[11]，采用轻集料制作并利用孔形与端槽特点阻断和延长了墙体内外层之间的热桥，提高了墙体隔热保温效果。测试表明：三排孔填充聚苯板的砌块砌体热阻为1.6(m2·K)/W，传热系数为0.57W/(m2·K)；两排孔填充聚苯板的砌块砌体热阻为1.7(m2·K)/W，传热系数为0.54W/(m2·K)。在夏热冬冷和夏热冬暖地区，采用此结构，190mm厚的轻集料自保温砌块，能够满足当地的建筑节能要求。
图2 轻集料保温砌块
3.2 多排孔保温砌块
图3所示的一种多排孔保温砌块[12]，其结构特征为：包括一块矩形空心砌块，矩形空心砌块上设有三排条形通孔，条形通孔的排列为错位排列，在矩形空心砌块上的条形通孔内都可填充聚苯乙烯材料，在矩形空心砌块两端开口槽内也都可填充聚苯乙烯材料，开口槽内填充的聚苯乙烯材料的端面与矩形空心砌块两端的最外端面平齐。中间一排孔两端进行“无壁”处理，填充聚苯板，彻底阻断了砌块之间的结合点，墙体内侧不产生建筑“热桥”，与现有的空心砌块比较，热工性能得到成倍提高。
3.3 复合保温砌块
金立虎[13]开发出一种复合保温砌块(见图4)，其结构由保护面板、保温板和砌块主体三部分组成。
图3 多排孔混凝土砌块 图4 新型复合保温砌块
保温板中有两个小孔径的通孔，以便使砌块主体与面板相连接；保温板的两个侧面均匀加工有“井”字形网格状的沟槽，以便与面板和砌块主体粘结牢固；保温板的上下、左右四个小面上设有凹槽，保温砌块
中保温板之间通过断面为“十”字形状的保温条来连接。有效地解决了砌体内的砌筑砂浆形成的砂浆冷桥问题。使砌筑的墙体具有高效的保温性能。通过骨料的调整，该复合保温砌块可用于承重结构或非承重结构。
3.4 特殊块型的保温砌块
由辽宁丹东科创墙体材料开发有限公司研发生产的阶梯型混凝土复合保温砌块[14]，采用轻骨料混凝土或普通混凝土制作，其孔洞内填充高效保温材料，主规格的侧立面呈阶梯型，独特的外形和特殊的砌筑方式(见图5)使砌体的水平灰缝和竖向灰缝不能贯通，阻断了水平和竖向的砌筑灰缝，而且砌筑后的墙体内的孔洞是封闭的，墙体有温差时孔洞内的空气不会流动因而不会产生空气对流传热，使墙体具有很好的隔热保温效果。是集建筑围护与保温为一体的新型墙体材料。
(a) 主要形状规格 (b) 砌筑方法
图5 阶梯型混凝土保温砌块
3.5 组合式保温砌块
图6所示的一种相互咬合的保温砌块[15]，由主块、左直角弯块和右直角弯块组成，主块呈“S”形砖块，左直角弯块和右直角弯块分别与主块左右两边咬合连接；主块和主块之间，可连续相互扣合。使所砌的墙体，不易错位。保温砌块之间的竖向通孔上下贯通，可用钢筋或麦秸相互串连加固，增强它们之间的咬合连接，使墙体更加牢固。
3.6 多功能保温砌块
一种防水保温砌块[16]，包括防水层和保温体，其中保温体是由保温轻质材料压制成型体，外周包覆防腐阻燃层，再以无纺布包覆构成的块状体，保温体上端面有顺序涂布防水油膏层、无纺布层、防水油膏层、玻璃丝布层、防水油膏层组成的整体防水层。它显著提高保温防水效果和施工质量，防腐、阻燃、坚固、使用寿命长。
(a) 主块 (b) 左直角弯块 (c) 右直角弯块
图6 相互咬合的保温砌块
图7所示的一种用于建筑墙体的节能型抗震砌块[17]，呈Z字型，砌块壳体内设有2个错位空腔，空腔没有下底面，有半封闭的顶面。其壳体内填充有保温材料芯块，该芯块下底面的外侧各有一个长条形的空缺，形成2条下凹槽。在使用时，还包括一可部分镶嵌在砌块顶面1cm左右深的L形凹槽内的长条形保温块，该保温块的上表面与砌墙时上一层的砌块底端面直接接触。采用本实用新型砌块砌墙后，解决了墙体中纵向灰缝和横向灰缝产生的热桥(冷桥)效应，抗震性能好，且不需要再对外墙作外保温，节约成本，施工方便。
图7 Z型节能型抗震砌块
4 今后的研究方向
自保温砌块作为节能与结构一体化结构体系的主要墙体材料，在我国节能建筑中将会得到广泛应用。尽管已取得显著进展，但许多技术问题尚有待完善，需要继续研究。
4.1 砌块基材和高效填充保温材料的优选与研发
基材热工性能直接决定自保温砌块的保温效果。在保证砌块物理力学性能的前提下，应优选导热系数低的混凝土及其原材料，轻集料混凝土和超集料混凝土是首选。要注重超轻集料的优选和研制，如淤(污)泥制备轻集料。自保温砌块应注重各种固体废弃物的利用。包括建筑垃圾、工业尾矿、粉煤灰、炉渣、矿渣等，贯彻我国发展循环经济和节能减排政策。研制保温性能和耐久性好、性价比高、填充方便的高效填充保温材料，注重利用工农业废弃物。
4.2 自保温砌块专用生产装备的研制
自保温砌块品种繁多，结构多样。若没有专用生产装备，生产效率很低，影响企业经济效益，必须加快研制专用生产设备。例如在线填充高效保温材料自保温砌块成型机、在线复合高效保温材料的复合结构保温砌块成型机等。
4.3 自保温砌块专用保温砌筑砂浆的研究
由墙体砌筑材料砌筑而成的墙体，其保温性能主要取决于砌筑材料的热工性能，砌筑砂浆热工性能也是非常重要的因素，尤其是砌筑砂浆导热系数和灰缝宽度。自保温砌块通过砌筑形成节能建筑自保温墙体，砌筑砂浆则是砌块建筑实施建筑节能的重要配套材料，也是影响建筑物墙体保温性能的关键因素，必须提高砌筑砂浆的保温性能，研制专用保温型砌筑砂浆。
4.4 编制自保温砌块设计图集和技术规程
我国地域辽阔，按照气候条件被划分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区以及温和地区五个分区。建筑围护结构设计时，严寒和寒冷地区基本是三北地区(东北、华北和西北)，主要考虑冬季保温；夏热冬冷地区大体上是长江中下游地区，冬季保温与夏季隔热兼顾；夏热冬暖地区大体上是华南
地区，主要考虑夏季隔热；温和地区一般不考虑夏季隔热，部分地区注意冬季保温。为更好地推广应用自保温砌块，必须编制相应的设计图集。为更好地指导自保温砌块生产与应用，还应制定产品技术标准和应用技术规程。
参考文献
[1] 王武祥．节能砌块填充用水泥基复合保温材料的研究[J]．建筑砌块与砌块建筑，2009(3)：8-12．
[2] 赵强．轻型陶粒混凝土空心砌块在节能降耗中的应用[J]．山东建材，2007(4)：45-47．
[3] 卢玫裙．轻集料浪凝士空心砌块热工性能分析及改善[J]．新型建筑材料，2006(4)：39-41．
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[14] 李善斌．阶梯型混凝土复合保温砌块．中国：2608590[P]．2004-03-31．
[15] 茅金生．相互咬合的保温砌块．中国：2703811[P]．2005-06-08．
[16] 张怀丰．防水保温砌块．中国：2380627[P]．2000-05-31．
[17] 石正．节能型抗震砌块．中国：201092696[P]．2008-07-30． [4] [5] [6] [7]
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摘要：按提高和改善混凝土空心砌块热工性能的技术措施，自保温混凝土砌块可分为四类：轻集料混凝土自保温砌块、不同孔结构的自保温砌块、填充高效保温材料的自保温砌块及复合结构保温砌块，各地可根据当地的气候、资源、经济条件选用相应品种。其中复合结构保温砌块是一类新型多功能墙体材料，保温性能优越，耐久性好，具有广阔的市场前景。提出进一步优选自保温砌块基材、研发高效填充保温材料和保温砌筑砂浆、研制自保温混凝土砌块专用生产装备、编制自保温混凝土砌块设计图集和技术规程是我国自保温混凝土砌块领域今后的主要研究方向。
关键词：自保温混凝土砌块；发展现状；研究方向
The Development Status and Research Direction of
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ZHANG Leilei
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Abstract: According to the technical measures to improve the thermal performance of concrete block, the thermal-insulating concrete block can be divided into four types: insulation concrete block produced from lightweight aggregate, insulation concrete block with different pore structure, insulation concrete block filled in the holes with high-performance insulation materials and thermal insulation composite block. The appropriate insulation block can be selected according to the local climate, resources and economy. Thermal insulation composite block, a new kind of multi-purpose wall material, with wonderful thermal insulation performance and excellent durability, has extremely wide market prospect. This paper raise that the matrix material of thermal-insulating concrete block should be further optimized, high-performance thermal insulation filling materials and thermal insulation mortar should be researched, the special production equipment should be developed, the designs and technical specifications of concrete block should be prepared, which are the main research directions of thermal insulation concrete block in China.
Keywords: thermal-insulating concrete block, development status, research direction
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作者简介：张磊蕾，中国建筑材料科学研究总院在读硕士，主要从事新型墙体材料和保温材料的研究，E-mail：
1 前言
21世纪人类共同的主题是可持续发展，树立全面、协调、可持续的科学发展观已成为我国的基本国策。随着能源问题的日益突出，国家对建筑节能越来越重视。建筑能效的高低直接影响我国的能源安全战略，也会影响到我国的可持续发展。目前建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列为我国
能源消耗的三大“耗能大户”。尤其是建筑耗能伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提高，呈急剧上扬趋势。建筑能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖空调等)约占全社会总能耗的30%，其中最主要的是采暖和空调，占到20%，约为2.6亿吨标准煤。推进建筑节能工作，不仅可以节约能源、缓解环境污染，对社会经济的可持续发展具有十分积极的作用。
在一般性建筑中，以住宅为例，通过围护结构的传热量约为建筑使用能耗的72%，而在围护结构传热量中，外墙传热占24%。因此，近十年来我国推广和采用了多种节能新技术、新材料、新产品，对建筑物墙体实施节能措施，使建筑节能率从30%、50%向65%目标推进，促进了建筑节能工作稳步发展。现阶段我国主要采用外墙外保温技术来提高建筑物墙体的保温隔热性能，如胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统、膨胀聚苯板(EPS/XPS)薄抹灰外墙外保温系统、无机保温砂浆外墙外保温系统、发泡聚氨酯外墙外保温系统等，这些技术的广泛应用全面推进了我国的建筑节能工作。但调研表明，各种外墙外保温系统在技术、质量和施工上分别存在局限性，最突出的是使用寿命问题。国家和地方相关技术规程通常规定使用寿命为25年，存在着外保温系统与建筑物使用寿命不同步问题。因此外墙外保温技术受到多方质疑。
随着建筑节能工作的全面推进和不断深化，对不同形式保温体系提出了迫切需求，节能与结构一体化成为结构体系发展和应用的重要方向。节能与结构一体化不仅丰富了建筑结构体系，也较好地解决了保温体系与建筑的同寿命问题，在抗震、安全等性能方面得到了加强，也推动了墙体材料的革新。自保温混凝土砌块(以下简称自保温砌块)作为节能与结构一体化结构体系的主要墙体材料，近年来发展很快。通过采用相应的技术措施来提高普通混凝土砌块的热工性能，使普通混凝土砌块由单一的结构材料转变为结构和节能一体化保温砌块，用其砌筑的建筑墙体热工指标可满足我国不同气候地区的建筑节能标准。研制、推广和应用自保温砌块将会推进我国建筑节能工作健康发展，具有显著的社会和技术经济优势。自保温砌块作为一种新型多功能墙体材料，耐久性好，防火，施工方便，综合成本低，与建筑物同寿命，因此具有广阔的推广应用前景，是我国建筑砌块领域今后重点发展方向之一。
2 自保温砌块种类
2.1 轻集料混凝土保温砌块
研究表明[1]，混凝土基材的导热系数对砌块保温性能具有显著影响。随基材导热系数降低，砌块热阻值同步提高，不同孔洞排数均表现出相同趋势。与普通混凝土相比，轻集料混凝土通常干密度小、导热系数低，因此轻集料混凝土小型空心砌块通常具有良好的热工性能。制备轻集料混凝土保温砌块通常选用堆积密度位于300kg/m3~500kg/m3范围内的超轻集料，包括各种天然轻集料、煤渣、黏土陶粒、页岩陶粒等。轻集料混凝土保温砌块被广泛应用于建筑结构的内外墙体材料，尤其是热工性能要求较高的围护结构上。
赵强[2]等研究了陶粒混凝土砌块的热工性能和应用效果。结果表明，在建筑结构形式完全相同的情况下，使用500级陶粒混凝土空心砌块比普通烧结实心砖的建筑，节能30%左右。厚度190mm的陶粒混凝土空心砌块砌体热阻值大于厚度370mm的普通烧结实心砖砌体的热阻值。黑龙江省研制的无砂页岩陶粒混凝土空心砌块，砌块块体密度为700kg/ m3，300mm厚陶粒混凝土空心砌块墙体的保温效果优于490mm厚黏土砖墙。卢玫裙[3]采用干密度为1600kg/m3、导热系数为0.556W/(m·K)的煤渣混凝土制备煤渣混凝土空心砌块，砌块块体密度约为720kg/m3。与使用干密度1800kg/m3、导热系数为0.93W/(m·K)的普通混凝土制备的混凝土空心砌块相比，煤渣混凝土空心砌块的热工性能大大优于同结构的普通混凝土空心砌块。王武祥[1]研究表明，直接使用轻集料制备190mm厚单排孔砌块，再在孔洞中填充水泥基复合保温材料，用
其砌筑的外墙热工性能可满足我国夏热冬冷和夏热冬暖地区节能要求。
2.2 不同孔结构的自保温砌块
2.2.1 不同孔排数自保温砌块
混凝土小型空心砌块按孔洞排数可以为单排孔、双排孔和多排孔。随着砌块孔洞排数增减，砌块中空气间层厚度随之变化，因而砌块热工性能差异较大。砌块中空气间层厚度超过20mm后，进一步增加空气间层厚度，空气间层热阻增量越来越小。当空气间层厚度超过40mm后，空气间层热阻趋于固定。因此，靠提高空气间层厚度来增加砌块热阻效果有限[4]。若增加孔洞排数，则可显著提高砌块热阻[5]。为研究孔洞排数对砌块热阻的影响，张芳等[6]测定了190 mm厚不同孔洞排数的混凝土砌块的热阻值(见表1)，结果表明双排孔混凝土砌块比单排孔混凝土砌块的热阻值明显提高。华南理工大学亚热带建筑研究室李建成[5]采用有限元法对不同规格、孔型的混凝土空心砌块的热阻值进行了大量计算，提出孔洞排数对砌块热阻值的影响最大，并提出“多排孔、薄孔壁”可作为隔热空心砌块热工设计的准则。因此，就热工方面进行块型设计时，对于厚度相同的砌块，宜采用多排孔。
表1 不同孔排数砌块的墙体热阻值
砌块规格 孔洞尺寸(mm) 墙体热阻
(m2·K)/W 总墙体热阻 (m2·K)/W
190mm厚、单排孔 150×130，150×130 190 mm厚、双排孔 190×50，115×50；115×50，190×50
190 mm厚、三排孔 75×25，130×25，75×25；150×30，150×30；
75×25，130×25，75×25 0.317 0.467 0.614 0.764 0.631 0.781
2.2.2 不同孔型自保温砌块
混凝土空心砌块的孔型多为长条矩形或方形，不同孔型对砌块砌体传热性能也有一定影响。王沁芳等
[7]测定了孔洞率相同、孔型不同的单排孔空心砌块砌体的平均传热系数。研究表明：矩形孔砌块砌体的平均传热系数最小，菱形孔、正方形孔砌块砌体次之，圆形孔砌块砌体最大。原因是矩形孔砌块中的空气容易形成长路对流，而菱形、方形、圆形孔中的空气依次不易形成长路对流。所以，自保温砌块的孔形设计应优先考虑采用矩形。
2.3 填充高效保温材料的自保温砌块
在砌块孔洞内填入导热系数较小的高效保温材料可显著提高混凝土空心砌块的热工性能。常用填充材料主要有模塑聚苯板(简称EPS板)、挤塑聚苯板(简称XPS板)、水泥聚苯颗粒浆料、发泡聚氨酯、泡沫混凝土、玻璃棉、岩棉、矿棉等。聚苯板内部具有无数封闭微孔，具有质量轻、保温性能好、价格低廉等特点，其厚度可根据砌块孔洞空气间层厚度和保温性能要求调整。目前填充聚苯板多为手工方式，生产效率较低。泡沫混凝土为无机保温材料，物理性能稳定，通过灌注成型，与砌块结合密实，与砌块同时养护，生产工艺简便，但热工性能不如聚苯板。发泡聚氨酯保温性能最佳，但成本较高；玻璃棉、岩棉、矿棉等同样具有良好的保温性能，但存在手工填充工效低、刺手和硬挺性较差等问题。王武祥[1]以回收的膨胀聚苯乙烯泡沫塑料再生颗粒为超轻骨料和保温主体，以水泥为主要胶凝材料，制备热工性能和物理力学性能俱佳的水泥基复合保温材料，兼有聚苯板和无机泡沫混凝土的优点。
张芳[6]等研究了采用不同填充措施的砌块砌体热阻。结果表明(见表2)，混凝土空心砌块在采用不同高效保温材料填充后，砌块热工性均有明显提高。在厚度和孔洞排数相同的情况下，240mm双排孔空心砌块，利用保温材料灌注两排孔的砌块保温效果优于只灌注单排孔的砌块；内插聚苯板的砌块热阻比灌注泡沫混凝土的砌块热阻高，尤其是三排孔均插聚苯板时，砌块热阻明显高于灌注泡沫混凝土的砌块热阻。
广西建筑科学研究设计院在三排孔混凝土小型空心砌块两侧孔内填充高效隔热材料，大大提高了混凝
土砌块的热阻值。研究发现，填第一排孔时砌块热阻增加0.05(m2·K)/W；填第二排孔时，砌块热阻值则增加0.14(m2·K)/W，是第一排孔的2.8倍。冷、热两侧均填聚苯板时的热阻增加值比仅在热侧填聚苯板时的热阻增加值的增幅要大，说明冷、热两侧均填聚苯板时的隔热保温效果更佳。
表2 填充保温材料后的的砌块墙体热阻(m2·K)/W
砌块规格(mm)
390×190×190
390×190×190
390×240×190
390×240×190
390×240×190 孔排数 双排孔 三排孔 双排孔 三排孔 双排孔 孔内不灌注 仅外排孔内灌注泡沫混凝土 0.144① 0.129① 0.100① ⎯ ⎯ ⎯ 内插聚苯板 (0.030①) 0.701 0.614 0.582 0.593 0.617 0.714 0.631 0.491 0.604 0.618 0.649 0.766 0.642 0.754 0.770 0.831 1.130 0.491 两排孔灌注
0.716 0.743 0.805 ⎯
注：①导热系数，W/(m·K)。
2.4 复合结构保温砌块
2.4.1 结构特征
复合结构是采用高效保温材料作为基层和面层的联结键，同时又作为绝热层，可消除砌块存在的冷桥，
应用较多的复合保温砌块由三个部分组成(见图1)：① 承基层和面层可使用普通混凝土或轻集料混凝土[8]。
受荷载部分，块型与普通混凝土小型空心砌块基本相同，块体可以是实心、单排或多排等不同孔型。② 保温层，起保温作用并连接砌块主体和保护面板。保温层一般采用聚苯板或泡沫混凝土，采用燕尾槽连接方式。③ 保护层，增强墙体耐久性能，也可以做外墙的饰面层。
图1 复合结构保温砌块的外形
目前复合保温砌块的结构层、保温层、保护层的结合方式均以榫形结构连接，直接复合，一次成型或者在砌块内部层体之间设金属拉结筋。由于材性和密度差异，保温层与混凝土界面常脱开，出现缝隙；金属拉结筋导热系数是聚苯板的1600余倍，易形成“热桥”降低聚苯板保温性能。目前我国已研究出复合保温砌块用的非金属材料高强拉结带[9]，采用非金属材料制成，具有抗腐蚀、寿命长、强度高、导热系数低等特点。横穿保温层两端不会形成冷桥，克服了现有金属拉结筋存在冷桥及强度差的缺点。
2.4.2 复合不同保温材料的保温砌块
复合聚苯板的自保温砌块密度低、保温性能优越，通过调整保温层厚度可达到相应的热工性能指标。泡沫混凝土与混凝土砌块复合的自保温砌块最大的优点为：泡沫混凝土采用水泥、砂、粉煤灰和外加剂制成，与混凝土砌块属同一材质，因此墙体保温层与结构层完全是同寿命，具有耐火性好和使用寿命长等优点。不但适用于填充外墙，也可用于承重外墙。由于泡沫混凝土强度比较低，在搬运过程中易破损，所以泡沫混凝土保温层厚度不宜过度增大，保温性能受到一定程度的制约[10]。
2.5 自保温砌块的适用地区
四类自保温砌块在保温性能及应用上各有千秋，各地可因地制宜生产和选用合适类型的自保温砌块。在东北、西北等严寒地区，宜选用复合聚苯板的复合结构保温砌块；在寒冷的华北地区，宜选用填充保温材料的自保温砌块或者复合泡沫混凝土的复合结构保温砌块；在夏热冬暖的长江中下游地区可以选择多排孔轻集料混凝土砌块或填充保温材料的自保温砌块；在夏热冬暖地区，多排孔自保温砌块即可满足当地的节能要求。除了考虑气候条件以外，还需充分利用当地的资源(包括利用工业废渣)、经济条件来生产和选用自保温砌块种类。
3 典型自保温砌块专利
3.1 轻集料保温砌块
图2为由北京建筑砌体材料专业委员会研制的轻质保温砌块[11]，采用轻集料制作并利用孔形与端槽特点阻断和延长了墙体内外层之间的热桥，提高了墙体隔热保温效果。测试表明：三排孔填充聚苯板的砌块砌体热阻为1.6(m2·K)/W，传热系数为0.57W/(m2·K)；两排孔填充聚苯板的砌块砌体热阻为1.7(m2·K)/W，传热系数为0.54W/(m2·K)。在夏热冬冷和夏热冬暖地区，采用此结构，190mm厚的轻集料自保温砌块，能够满足当地的建筑节能要求。
图2 轻集料保温砌块
3.2 多排孔保温砌块
图3所示的一种多排孔保温砌块[12]，其结构特征为：包括一块矩形空心砌块，矩形空心砌块上设有三排条形通孔，条形通孔的排列为错位排列，在矩形空心砌块上的条形通孔内都可填充聚苯乙烯材料，在矩形空心砌块两端开口槽内也都可填充聚苯乙烯材料，开口槽内填充的聚苯乙烯材料的端面与矩形空心砌块两端的最外端面平齐。中间一排孔两端进行“无壁”处理，填充聚苯板，彻底阻断了砌块之间的结合点，墙体内侧不产生建筑“热桥”，与现有的空心砌块比较，热工性能得到成倍提高。
3.3 复合保温砌块
金立虎[13]开发出一种复合保温砌块(见图4)，其结构由保护面板、保温板和砌块主体三部分组成。
图3 多排孔混凝土砌块 图4 新型复合保温砌块
保温板中有两个小孔径的通孔，以便使砌块主体与面板相连接；保温板的两个侧面均匀加工有“井”字形网格状的沟槽，以便与面板和砌块主体粘结牢固；保温板的上下、左右四个小面上设有凹槽，保温砌块
中保温板之间通过断面为“十”字形状的保温条来连接。有效地解决了砌体内的砌筑砂浆形成的砂浆冷桥问题。使砌筑的墙体具有高效的保温性能。通过骨料的调整，该复合保温砌块可用于承重结构或非承重结构。
3.4 特殊块型的保温砌块
由辽宁丹东科创墙体材料开发有限公司研发生产的阶梯型混凝土复合保温砌块[14]，采用轻骨料混凝土或普通混凝土制作，其孔洞内填充高效保温材料，主规格的侧立面呈阶梯型，独特的外形和特殊的砌筑方式(见图5)使砌体的水平灰缝和竖向灰缝不能贯通，阻断了水平和竖向的砌筑灰缝，而且砌筑后的墙体内的孔洞是封闭的，墙体有温差时孔洞内的空气不会流动因而不会产生空气对流传热，使墙体具有很好的隔热保温效果。是集建筑围护与保温为一体的新型墙体材料。
(a) 主要形状规格 (b) 砌筑方法
图5 阶梯型混凝土保温砌块
3.5 组合式保温砌块
图6所示的一种相互咬合的保温砌块[15]，由主块、左直角弯块和右直角弯块组成，主块呈“S”形砖块，左直角弯块和右直角弯块分别与主块左右两边咬合连接；主块和主块之间，可连续相互扣合。使所砌的墙体，不易错位。保温砌块之间的竖向通孔上下贯通，可用钢筋或麦秸相互串连加固，增强它们之间的咬合连接，使墙体更加牢固。
3.6 多功能保温砌块
一种防水保温砌块[16]，包括防水层和保温体，其中保温体是由保温轻质材料压制成型体，外周包覆防腐阻燃层，再以无纺布包覆构成的块状体，保温体上端面有顺序涂布防水油膏层、无纺布层、防水油膏层、玻璃丝布层、防水油膏层组成的整体防水层。它显著提高保温防水效果和施工质量，防腐、阻燃、坚固、使用寿命长。
(a) 主块 (b) 左直角弯块 (c) 右直角弯块
图6 相互咬合的保温砌块
图7所示的一种用于建筑墙体的节能型抗震砌块[17]，呈Z字型，砌块壳体内设有2个错位空腔，空腔没有下底面，有半封闭的顶面。其壳体内填充有保温材料芯块，该芯块下底面的外侧各有一个长条形的空缺，形成2条下凹槽。在使用时，还包括一可部分镶嵌在砌块顶面1cm左右深的L形凹槽内的长条形保温块，该保温块的上表面与砌墙时上一层的砌块底端面直接接触。采用本实用新型砌块砌墙后，解决了墙体中纵向灰缝和横向灰缝产生的热桥(冷桥)效应，抗震性能好，且不需要再对外墙作外保温，节约成本，施工方便。
图7 Z型节能型抗震砌块
4 今后的研究方向
自保温砌块作为节能与结构一体化结构体系的主要墙体材料，在我国节能建筑中将会得到广泛应用。尽管已取得显著进展，但许多技术问题尚有待完善，需要继续研究。
4.1 砌块基材和高效填充保温材料的优选与研发
基材热工性能直接决定自保温砌块的保温效果。在保证砌块物理力学性能的前提下，应优选导热系数低的混凝土及其原材料，轻集料混凝土和超集料混凝土是首选。要注重超轻集料的优选和研制，如淤(污)泥制备轻集料。自保温砌块应注重各种固体废弃物的利用。包括建筑垃圾、工业尾矿、粉煤灰、炉渣、矿渣等，贯彻我国发展循环经济和节能减排政策。研制保温性能和耐久性好、性价比高、填充方便的高效填充保温材料，注重利用工农业废弃物。
4.2 自保温砌块专用生产装备的研制
自保温砌块品种繁多，结构多样。若没有专用生产装备，生产效率很低，影响企业经济效益，必须加快研制专用生产设备。例如在线填充高效保温材料自保温砌块成型机、在线复合高效保温材料的复合结构保温砌块成型机等。
4.3 自保温砌块专用保温砌筑砂浆的研究
由墙体砌筑材料砌筑而成的墙体，其保温性能主要取决于砌筑材料的热工性能，砌筑砂浆热工性能也是非常重要的因素，尤其是砌筑砂浆导热系数和灰缝宽度。自保温砌块通过砌筑形成节能建筑自保温墙体，砌筑砂浆则是砌块建筑实施建筑节能的重要配套材料，也是影响建筑物墙体保温性能的关键因素，必须提高砌筑砂浆的保温性能，研制专用保温型砌筑砂浆。
4.4 编制自保温砌块设计图集和技术规程
我国地域辽阔，按照气候条件被划分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区以及温和地区五个分区。建筑围护结构设计时，严寒和寒冷地区基本是三北地区(东北、华北和西北)，主要考虑冬季保温；夏热冬冷地区大体上是长江中下游地区，冬季保温与夏季隔热兼顾；夏热冬暖地区大体上是华南
地区，主要考虑夏季隔热；温和地区一般不考虑夏季隔热，部分地区注意冬季保温。为更好地推广应用自保温砌块，必须编制相应的设计图集。为更好地指导自保温砌块生产与应用，还应制定产品技术标准和应用技术规程。
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