一種新型全斷橋自保溫砌塊性能分析與試驗研究

許乃之 馬廣興*,,2 孫煜光 巴特爾

1.內蒙古工業(yè)大學土木工程學院；2.內蒙古自治區(qū)土木工程結構與力學重點實驗室；3.內蒙古自治區(qū)建筑科學研究所有限責任公司

1 引言

目前，我國能源消耗問題依然嚴峻，建筑能耗居高不下，嚴寒地區(qū)建筑能耗問題尤為突出。提高建筑外墻的保溫性能、成為建筑節(jié)能的關鍵問題[1,2]。目前，建筑外墻的保溫體系分為：外墻外保溫體系、外墻內保溫體系及自保溫體系。相對于傳統(tǒng)外保溫體系存在的成本高、施工復雜、耐火性差、保溫材料使用壽命短以及內保溫體系存在的占用室內空間、影響美觀等問題，自保溫體系可以實現(xiàn)與建筑同壽命、造價低、防火性能好等特點而得到日益重視[3,4,5,6,7]。本文針對一種新型全斷橋自保溫砌塊進行傳熱系數(shù)計算，并測試其傳熱性能和力學性能，將其與傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊進行比較分析，為新型全斷橋自保溫砌塊在實際應用中提供依據(jù)。

2 新型全斷橋自保溫砌塊

2.1 新型全斷橋自保溫砌塊

（1）EPS保溫磚芯設計。傳統(tǒng)自保溫砌塊中，通常將混凝土骨架成型后，分塊填充保溫材料，較為復雜。新型自保溫砌塊中，各部分保溫材料連接在一起，可一次成型，便于制備。

將EPS顆粒、膠凝劑、水按一定比例混合后放入模具中進行成型，得到EPS保溫磚芯成品。

圖1 EPS保溫磚芯成品圖

（2）新型全斷橋自保溫砌塊制備。將水泥、粉煤灰作為膠結材料，爐渣、浮石、煤矸石、工業(yè)廢渣、輕質再生混凝土、陶粒等為粗骨料，摻和適量外加劑和水攪拌而成混凝土，再將混凝土注入到插入EPS保溫磚芯的模具中，經(jīng)振搗后一次成型。

圖2 成型后砌塊砌塊簡圖

2.2 新型全斷橋自保溫砌塊與傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊對比

相對于傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊只在砌塊中心采用EPS保溫材料，新型全斷橋自保溫砌塊使用EPS材料替代空氣間層，保溫性能進一步提升。

圖3 傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊簡圖

3 新型全斷橋自保溫砌塊性能分析

3.1 新型全斷橋自保溫砌塊傳熱性能分析

3.1.1 新型全斷橋自保溫砌塊的傳熱系數(shù)計算

（1）根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》中熱工設計計算方法：

式中：

Rˉ——非均質復合圍護結構的熱阻（m2·K/W）；

Rou——兩側外層傳熱面為等溫面時熱阻，按式（2）計算；

Rol——內層各傳熱面為等溫面時熱阻，按式（3）計算；

Ri——內表面換熱阻（m2·K/W），取Ri= 0.11（m2·K/W）；

Re——外表面換熱阻（m2·K/W），取Rj= 0.04（m2·K/W）；

fi——與熱流平行方向各部分面積占總面積的百分比；

Roui——與熱流平行方向各部分的傳熱阻（m2·K/W）；

Rj——應按式（4）計算；

Rij——與熱流垂直方向第j層各部分熱阻（m2·K/W）；

K——傳熱系數(shù)（W/m2·K）。

（2）參數(shù)確定

根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》表B.1 選取聚苯乙烯泡沫塑料的導熱系數(shù)：

根據(jù)表B.2選取嚴寒地區(qū)修正系數(shù)a=1.05進行修正，修正后EPS保溫磚芯導熱系數(shù)：

對于自保溫砌塊骨料導熱系數(shù)，采用熱箱法進行實際測量。測得墻體傳熱系數(shù)：

計算得到導熱系數(shù)：

工程塑料拉結件選取導熱系數(shù)：

（3）計算Rou、Rol。

將砌塊與熱流平行方向劃分5個區(qū)域，通過式（2）計算得：

將砌塊與熱流垂直方向劃分9個區(qū)域，通過式（3）計算得：

（4）計算傳熱系數(shù)。

由式（1）計算砌塊熱阻得：

由式（5）計算砌塊傳熱系數(shù)，砌塊傳熱系數(shù)計算值為：

3.1.2 新型全斷橋自保溫砌塊墻體傳熱系數(shù)測試與計算

（1）新型全斷橋自保溫砌塊墻體傳熱系數(shù)檢測。

根據(jù)GB/T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性能性質的測定標定和防護熱箱法》進行檢測。得出檢測結果，砌筑墻體的傳熱系數(shù)實測值為：

（2）新型全斷橋自保溫砌塊墻體傳熱系數(shù)計算。

考慮墻體灰縫厚度為10mm，無內外表面抹灰，由式（2）（3）計算得，自保溫砌塊墻體的傳熱系數(shù)計算值為：

3.2 新型全斷橋自保溫砌塊力學性能分析

將養(yǎng)護齡期為28天的試件進行抗壓強度及抗凍性檢測，采用GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》進行檢測。檢測結果為新型全斷橋砌塊平均抗壓強度為：

凍融后砌塊抗壓強度損失18%，砌塊質量損失1.2%。滿足JG/T 407—2013《自保溫混凝土復合砌塊》國家現(xiàn)行規(guī)范標準。

4 新型全斷橋自保溫砌塊與傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊比較

4.1 傳熱性能比較

羅新宇[8]對傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊進行了性能分析，傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊傳熱系數(shù)：

抗壓強度為：

新型全斷橋自保溫砌塊厚度為290mm，傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊厚度為220mm。因此，直接通過傳熱系數(shù)進行比較無法準確說明二者保溫性能的差異。

為比較同等厚度條件下全斷橋自保溫砌塊和傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊保溫性能。現(xiàn)將砌塊視為單一材料，類似地利用熱阻計算公式R=δ/λ，定義表觀導熱系數(shù)，

式中：

λ*——表觀導熱系數(shù)W/(m·K)；

δ——砌塊厚度m；

R——砌塊熱阻（m2·K）/W。

新型全斷橋自保溫砌塊熱阻：

由式（5）計算傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊熱阻：

由式（7）計算得，新型全斷橋自保溫砌塊表觀導熱系數(shù)為0.0682W/(m·K)，傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊表觀導熱系數(shù)為0.0886W/(m·K)，新型全斷橋自保溫砌塊保溫性能提升23.0%

4.2 力學性能比較

新型全斷橋自保溫砌塊平均抗壓強度為5.1MPa，傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊平均抗壓強度為5.23MPa，抗壓強度降低2.5%。

5 結束語

以最新熱工規(guī)范為依據(jù)計算了新型全斷橋自保溫砌塊的傳熱系數(shù)，測試了該自保溫砌塊的傳熱系數(shù)、抗壓強度及抗凍性，對新型全斷橋自保溫砌塊進行了性能分析，并與傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊進行對比，得出如下結論。

（1）新型全斷橋自保溫砌塊傳熱系數(shù)為0.227 W/（m2·K），平均抗壓強度為5.1MPa。在施工時，可直接使用該砌塊進行砌筑，便可滿足嚴寒地區(qū)外圍護結構保溫以及節(jié)能需求，可大量減少施工成本。

（2）與傳統(tǒng)全斷橋自保溫砌塊相比，保溫性能提高了23.0%，抗壓強度降低了2.5%。在保溫性能大幅度提高的同時，保證力學性能基本不變，性能優(yōu)異。

（3）新型全斷橋自保溫砌塊一次成型，制作簡單，便于推廣，是一種很好的外墻保溫材料。