燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊熱工性能數(shù)值模擬研究

張國(guó)永，王立，劉亞輝，游勁秋

（浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊熱工性能數(shù)值模擬研究

張國(guó)永，王立，劉亞輝，游勁秋

（浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

使用ABAQUS有限元軟件對(duì)燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊的熱工性能進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)分析模擬結(jié)果設(shè)計(jì)出合理的砌塊孔型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明：制備的燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊具有良好保溫性能，實(shí)測(cè)熱阻值達(dá)0.920（m2·K）/W；數(shù)值模擬結(jié)果具有較高準(zhǔn)確性，與實(shí)測(cè)值相差小于4%。

復(fù)合保溫砌塊；數(shù)值模擬；熱工性能

0 引言

隨著墻材革新與建筑節(jié)能研究的日益深入和現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展，墻體自保溫砌塊的生產(chǎn)與推廣應(yīng)用取得了顯著發(fā)展。與其它墻體保溫形式相比，墻體自保溫系統(tǒng)有明顯優(yōu)勢(shì)[1]：（1）顯著提高砌體的保溫隔熱性能；（2）一次性成型，施工便捷，工程造價(jià)較低；（3）墻體保溫系統(tǒng)的整體性和耐候性有保障，使用壽命與建筑主體結(jié)構(gòu)一致。目前，夏熱冬冷地區(qū)常用的墻體自保溫砌塊主要為蒸壓加氣混凝土砌塊及其衍生產(chǎn)品。該類產(chǎn)品還存在力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低，干燥收縮率較大等問(wèn)題，由此引發(fā)的工程質(zhì)量問(wèn)題正困擾著各方[2-6]。為解決上述問(wèn)題，筆者提出研制一種新型的墻體自保溫砌塊——燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊。

燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊以燒結(jié)空心砌塊為基體，空腔內(nèi)填充保溫材料，保溫材料優(yōu)選泡沫混凝土等無(wú)機(jī)防火保溫材料。這種砌塊復(fù)合了燒結(jié)空心砌塊高強(qiáng)度、低收縮率的特點(diǎn)和泡沫混凝土保溫性能好的優(yōu)點(diǎn)。因此，除了具有傳統(tǒng)墻體自保溫砌塊的優(yōu)點(diǎn)外，燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊還具有干燥收縮率低，可減少了墻體開(kāi)裂等工程質(zhì)量通?。黄鰤K力學(xué)強(qiáng)度高，與水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度高，其外墻飾面施工簡(jiǎn)單、穩(wěn)固等優(yōu)點(diǎn)，將具有廣闊的應(yīng)用前景。本文通過(guò)數(shù)值模擬研究燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊的熱工性能，設(shè)計(jì)出孔型合理的燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。

1 熱工性能的數(shù)值模擬與測(cè)試方法

表征砌塊熱工性能的參數(shù)很多，如傳熱系數(shù)、熱阻、傳熱阻、當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)等。熱阻代表砌塊抵抗導(dǎo)熱的能力，在穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，它可以作為砌塊保溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文以熱阻為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用數(shù)值模擬方法和實(shí)測(cè)方法對(duì)燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊的熱工性能進(jìn)行研究。

1.1 數(shù)值模擬方法

使用有限元軟件ABAQUS對(duì)燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊的穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，在計(jì)算結(jié)果精度滿足工程要求的前提下，做出如下假設(shè)[7]：

（1）不考慮空氣升溫及降溫過(guò)程，直接以30℃和-10℃恒溫加載在砌塊內(nèi)外兩側(cè)，即穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程來(lái)進(jìn)行分析；

（2）忽略燒結(jié)空心砌塊基體與泡沫混凝土芯材的接觸熱阻；

（3）空氣層等效成勻質(zhì)保溫層，其熱工性能按GB 50176—93《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》附表2.4取值。

使用ABAQUS對(duì)燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊熱工性能數(shù)值模擬時(shí)，材料的基本參數(shù)如表1所示。

表1 材料基本參數(shù)

1.2 測(cè)試方法

采用GB/T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測(cè)定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》規(guī)定的防護(hù)熱箱法測(cè)試燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊砌體的熱阻值。該方法是在試件兩側(cè)的箱體（熱箱和冷箱）內(nèi)分別構(gòu)造第三類邊界條件，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，測(cè)量空氣溫度、試件和箱體內(nèi)壁的表面溫度及輸入熱箱的功率，計(jì)算試件的熱工性能。

2 熱工性能數(shù)值模型

2.1 初始模型熱工性能分析

燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊外觀尺寸為290 mm×240 mm×190 mm（長(zhǎng)×厚×高），初始孔型如圖1所示，孔洞內(nèi)填充泡沫混凝土作為保溫材料。

圖1 初始模型截面

利用ABAQUS軟件對(duì)圖1所示的模型進(jìn)行熱工性能的數(shù)值模擬計(jì)算，砌塊的熱阻值為0.857（m2·K）/W，其熱流密度云圖如圖2所示，顏色由暗至亮表示熱流密度不斷增加，即導(dǎo)熱性能提高，對(duì)砌塊的保溫性能不利。

圖2 初始模型熱流密度云圖

從圖2可以看到，連接內(nèi)外壁的3條縱肋上的熱流密度遠(yuǎn)大于其周邊的泡沫混凝土部位，這是因?yàn)闊Y(jié)空心砌塊基體的導(dǎo)熱系數(shù)比泡沫混凝土高，因此熱流易在3條縱肋上集中。3條縱肋直接貫通內(nèi)外壁，成為內(nèi)外壁傳熱的熱橋，是影響砌塊熱工性能的主要因素。

常用的提高復(fù)合保溫砌塊熱工性能的方法是斷開(kāi)縱肋形成夾芯型的復(fù)合保溫砌塊[8-10]。筆者認(rèn)為，完成斷開(kāi)縱肋形成夾芯型復(fù)合保溫砌塊，僅靠保溫層或少量連接件連接砌塊的內(nèi)外壁，砌塊的整體性得不到保障，并且在施工、應(yīng)用過(guò)程中存在一定安全隱患。為進(jìn)一步提高燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊熱工性能，可嘗試以下方案：（1）增加保溫層厚度；（2）利用空氣層隔斷，延長(zhǎng)傳熱路徑。本研究通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)2種方案進(jìn)行比較。

2.2 孔型優(yōu)化設(shè)計(jì)

在燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊初始模型基礎(chǔ)上，保溫層厚度由120 mm增加至140 mm得到模型2，截面如圖3所示；保溫層兩側(cè)各增加1排10 mm厚的空氣層得到模型3，截面如圖4所示。2種模型的孔洞率基本一致，熱阻值經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算分別為0.941（m2·K）/W和0.995（m2·K）/W，熱流矢量圖分別如圖5和圖6所示。

與初始模型相比，模型2的熱阻值增大了9.8%，模型3的熱阻值增加幅度更明顯，為16.1%。這是因?yàn)槟Ｐ?在穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，熱流方向基本沿砌塊厚度方向傳導(dǎo)，傳熱路徑相對(duì)較短；而在模型3中，在3條縱肋與空氣層交叉處增加了沿垂直厚度方向的橫向熱流，使熱流傳導(dǎo)路徑延長(zhǎng)，有利于增加砌塊的熱阻。

圖3 模型2的截面

圖4 模型3的截面

圖5 模型2的熱流矢量圖

圖6 模型3的熱流矢量圖

模型2和模型3的數(shù)值模擬結(jié)果，說(shuō)明在保持燒結(jié)空心砌塊孔洞率相同的前提下，延長(zhǎng)傳熱路徑比增加保溫層厚度具有更明顯的改善砌塊熱工性能的效果。為更進(jìn)一步提高燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊熱工性能，在模型3的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加2排空氣層得到模型4，孔型尺寸如圖7所示。模型4的熱阻值經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算為1.114（m2·K）/W，數(shù)值模擬得到的熱流矢量圖如圖8所示。

模型4的熱阻值較初始模型增大了30.0%，較模型3增大了12.0%，這是由于繼續(xù)增加2排空氣層后，傳熱路徑進(jìn)一步延長(zhǎng)，穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)砌塊中的橫向熱流進(jìn)一步增多，增加了傳熱難度，砌塊的熱阻值進(jìn)一步增加。因此，選擇模型4為燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊最終孔型。

圖7 模型4的截面

圖8 模型4的熱流矢量圖

2.3 灰縫對(duì)燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊熱工性能的影響

燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊應(yīng)用時(shí)采用普通水泥砂漿砌筑，砌筑灰縫寬度為10mm。對(duì)燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊砌體熱工性能進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，為減少計(jì)算量，取砌體的最小單元：1塊砌塊+上下左右各5mm砌筑砂漿+內(nèi)外側(cè)各20mm抹灰砂漿。在一定溫差作用下，傳熱達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，砌體單元的熱流密度云圖如圖9所示，經(jīng)計(jì)算其熱阻值為0.887（m2·K）/W，與模型4的數(shù)值模擬結(jié)果相比下降20.4%。因此，灰縫對(duì)燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊的熱工性能影響較大，減小灰縫影響是下一步研究工作的重點(diǎn)。

圖9 砌體單元的熱流密度云圖

3 熱工性能驗(yàn)證

使用普通砌筑砂漿將燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊（見(jiàn)圖10）按測(cè)試要求砌筑成1.5 m×1.5 m砌體，控制砌筑灰縫為10 mm，砌體內(nèi)外側(cè)各抹20 mm厚的抹灰砂漿，形成熱工性能測(cè)試用試件（見(jiàn)圖11）。試件經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)28 d后，使用防護(hù)熱箱熱傳遞性質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)（見(jiàn)圖12）進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試得到試件的熱阻值為0.920（m2·K）/W，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相差約為4%，可見(jiàn)數(shù)值模擬法計(jì)算結(jié)果具有很高的準(zhǔn)確性。

圖10 燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊

圖11 熱工性能測(cè)試用試件（未抹灰）

圖12 防護(hù)熱箱熱傳遞性質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)

4 結(jié)論

使用ABAQUS有限元軟件對(duì)燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊的熱工性能進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)分析模擬結(jié)果設(shè)計(jì)出合理的砌塊孔型，并對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）延長(zhǎng)傳熱路徑可有效提高燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊的保溫性能，模型4的理論熱阻值高達(dá)1.114（m2·K）/W；

（2）灰縫對(duì)燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊砌體的熱工性能影響較大，解決灰縫熱橋能夠顯著提高砌體的熱工性能；

（3）試驗(yàn)測(cè)試證明，數(shù)值模擬具有很高的準(zhǔn)確性，誤差在4%以內(nèi)。

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Numerical simulation on thermal property of fired composited insulation block

ZHANG Guoyong，WANG Li，LIU Yahui，YOU Jinqiu
（Zhejiang Academy of Building Research＆Design Co.Ltd.，Hangzhou 310012，China）

Thermal property of fired composited insulation block（FCIB）was simulated by ABAQUS.Based on numerical simulation study，an advisable block pass profile was designed.An experiment was carried out to verify the numerical simulation result. The experimental result showed that the FCIB has excellent thermal insulating properties，the value of thermal resistance was 0.920（m2·K）/W.Also，the result indicated that simulation result coincide well with experimental result，the difference between them was less than 4%.

composited insulation block，numerical simulation，thermal property

TU522.3

A

1001-702X（2016）11-0039-04

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014F50008）

2016－03－02；

2016-04-07

張國(guó)永，男，1983年生，福建莆田人，碩士，工程師。