基于ANSYS軟件秸稈生態(tài)夾芯復(fù)合外掛墻板熱工性能研究

肖力光，李紀良

（吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

0 引 言

外墻板作為裝配式鋼結(jié)構(gòu)的外圍護結(jié)構(gòu)，是建筑熱量傳導(dǎo)的第1道防線[1]，在建筑能耗中，外圍護結(jié)構(gòu)的傳熱損失占建筑物總能耗的57%~77%[2]。夾芯墻體作為一種復(fù)合墻體，自身的保溫性能與保溫層及內(nèi)外葉墻板的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。秸稈、粉煤灰作為農(nóng)業(yè)廢棄物及燃燒煤炭的排放物，將秸稈和粉煤灰摻加到混凝土中，隨著秸稈和粉煤灰摻量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)減小，保溫隔熱性能變好[3-4]。硅藻土作為藻類遺骸沉積形成的一種非金屬礦產(chǎn)品，將其用于水泥基材料對于提高力學(xué)性能具有良好的效果[5]。本文在水泥和細骨料中摻加秸稈纖維、粉煤灰及硅藻土制備內(nèi)外葉墻板，按GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》計算保溫層厚度，通過ANSYS有限元分析軟件對秸稈生態(tài)夾芯復(fù)合外掛墻板（以下簡稱復(fù)合墻板）的熱工性能進行數(shù)值模擬，分析不同內(nèi)外葉墻板厚度、EPS保溫板厚度對復(fù)合墻板熱工性能的影響，為復(fù)合墻板的進一步試驗研究提供參考。

1 秸稈水泥基內(nèi)外葉墻板的制備

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，“鼎鹿”牌，吉林亞泰集團生產(chǎn)；秸稈纖維：將玉米秸稈用粉碎機破碎，纖維直徑為0.5～1.0 mm，長度5～10 mm；粉煤灰：Ⅱ級，球磨機粉磨后使用；硅藻土：吉林省長白縣三級低品位硅藻土，粉磨、煅燒后使用；細骨料：級配良好的中砂；減水劑：粉末狀高效聚羧酸減水劑；水：自來水。

1.2 試驗過程

采用10%粉煤灰和4%硅藻土等質(zhì)量替代水泥，測試空白組及摻加活性摻合料組的導(dǎo)熱系數(shù)。取5～10 mm秸稈纖維去塵后在80℃烘箱中烘干5 h，置于坩堝中，放入真空爐內(nèi)，抽真空后充入氮氣以使秸稈纖維在高溫狀態(tài)下不燃燒。設(shè)置180、200、220、240、260℃不同的碳化溫度，每個溫度下分別保持10、15、20、25 min不同的碳化時間，碳化結(jié)束后，降低爐內(nèi)氣壓及爐內(nèi)溫度，溫度下降后取出秸稈纖維備用，通過碳化后秸稈水泥基材料強度對比及質(zhì)量損失確定最佳的處理方式。研究秸稈纖維摻量對秸稈水泥基材料導(dǎo)熱性能的影響，導(dǎo)熱系數(shù)參照GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護熱板法》進行測試。

2 試驗結(jié)果與分析

硅藻土原土及硅藻土在650℃煅燒15 min后的SEM照片見圖1。

圖1 硅藻土高溫煅燒前后的SEM照片

由圖1可以看出，硅藻土原土雜質(zhì)較多，表面空隙被嚴重覆蓋，經(jīng)高溫煅燒后大量微孔裸露在表面，可清晰地看到孔隙有規(guī)律的排列在硅藻圓盤上，這也是高溫煅燒后相比未煅燒時粒徑變小及分布較好的原因。粉煤灰及硅藻土研磨及煅燒后粒徑分布見圖2，可見粉煤灰及硅藻土經(jīng)研磨后粒徑變小，比表面積增大。

圖2 粉煤灰及硅藻土研磨及煅燒后粒徑分布

經(jīng)測試，空白組及摻加活性摻合料組的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.4221、0.4367 W/（m·K），可見摻加活性摻合料后導(dǎo)熱系數(shù)稍有增大，這主要是因為粉煤灰和硅藻土在小摻量下，經(jīng)研磨后粒徑變小，硅藻土經(jīng)高溫煅燒后，自身含有的動植物殘體及其雜質(zhì)被分解，轉(zhuǎn)變成小分子物質(zhì)揮發(fā)掉，導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部非常致密，空隙率減小，導(dǎo)熱系數(shù)增大。

采用摻10%粉煤灰+4%硅藻土試驗組，固定秸稈纖維摻量為5%時，秸稈表面碳化時間和碳化溫度對抗壓強度及質(zhì)量損失率的影響分別見圖3、圖4。

由圖3可以看出，隨著秸稈纖維碳化時間的延長，在180～220℃時抗壓強度逐漸提高，但碳化時間超過20 min時抗壓強度增幅已較??；240℃在25 min時抗壓強度稍微下降；260℃時抗壓強度呈明顯下降趨勢，只有碳化時間10 min時抗壓強度比未碳化的初始強度高0.77 MPa。

圖3 秸稈表面碳化時間和碳化溫度對抗壓強度的影響

由圖4可以看出，隨著秸稈纖維碳化溫度及碳化時間的增加，其質(zhì)量損失率也在逐漸增大，在低于220℃時，碳化10 min和15 min其質(zhì)量損失不大，質(zhì)量損失率比較接近；當(dāng)溫度超過220℃時，秸稈纖維質(zhì)量損失率才有些差距，特別是碳化時間超過20 min，其差距更加明顯；在180～200℃時，隨碳化時間的延長，特別是在20 min及25 min時，質(zhì)量損失發(fā)生了急劇增大的過程；超過240℃時，各個碳化溫度下質(zhì)量損失變化已不明顯。在整個溫度區(qū)間內(nèi)，碳化時間10 min及15 min質(zhì)量損失比較接近，20 min及25 min質(zhì)量損失較大。

圖4 秸稈表面碳化時間和碳化溫度對質(zhì)量損失率的影響

圖5為秸稈纖維碳化處理前后秸稈纖維摻量對復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

圖5 秸稈纖維碳化處理對復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖5可以看出，原秸稈與表面碳化秸稈對復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響趨勢一致，隨著秸稈纖維摻量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，這是因為秸稈纖維摻量較少時，板內(nèi)氣孔較多與外界形成空氣對流，空氣的換熱系數(shù)大于秸稈纖維的傳熱系數(shù)，所以導(dǎo)熱系數(shù)較大。當(dāng)秸稈纖維摻量較多時，板內(nèi)由于攪拌引入的空氣氣泡被秸稈纖維分割成小氣泡，形成封閉的氣孔，封閉的孔隙率增高，導(dǎo)致與外界形成不了對流，導(dǎo)熱系數(shù)減小。秸稈纖維經(jīng)過碳化處理后導(dǎo)熱系數(shù)會比未處理的低，但摻量達到7%時差距已不是很明顯。這是因為秸稈纖維經(jīng)過碳化后孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

秸稈纖維在碳化溫度240℃下分別碳化20、25 min的掃描電鏡照片見圖6。

圖6 秸稈纖維碳化后的SEM照片

由圖6可以看出，秸稈纖維碳化后表面不再光滑，暴露出許多小的孔隙，摻加到水泥基復(fù)合材料中孔隙內(nèi)充有流動性氣體，形成不良導(dǎo)體，使導(dǎo)熱系數(shù)減小。

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 墻板模型

本文中秸稈生態(tài)夾芯復(fù)合外掛墻板主要用于城鎮(zhèn)低層（1~2層）的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中，作為非承重墻板，抗壓強度為21 MPa，外掛墻板的尺寸見表1。

表1 模型復(fù)合墻板的尺寸

保溫材料采用EPS聚苯乙烯泡沫苯板，其厚度根據(jù)GB 50176—2016確定；鋼絲網(wǎng)片及斜向鋼絲均采用HPB300，其屈服強度fy=270 N/mm2，直徑為2 mm，鋼絲網(wǎng)片間距為200 mm，斜向鋼絲跨度400 mm，分雙排布置；斜向鋼絲與內(nèi)外葉墻板內(nèi)的鋼絲網(wǎng)片連接成外掛墻板的鋼絲骨架，生態(tài)外掛墻板的內(nèi)、外葉墻板及鋼絲骨架模型見圖7。

圖7 復(fù)合墻板的內(nèi)、外葉墻板及鋼絲骨架模型

3.2 計算模型描述與計算模型加載

采用ANSYS三維穩(wěn)態(tài)熱分析模式，以避免二維熱分析模式的局限性，更有效地模擬墻體真實條件下的傳熱過程。根據(jù)熱傳導(dǎo)的特性，選擇軟件中熱傳導(dǎo)實體單元，其中內(nèi)外葉墻板和EPS保溫層板采用三維八節(jié)點SOLID70單元，鋼絲采用三維二節(jié)點LINK33單元，網(wǎng)絡(luò)劃分中采用共用節(jié)點的方式進行SOLID70單元和LINK33單元的劃分，內(nèi)外葉墻板及保溫層單元尺寸設(shè)置為30 mm，鋼絲的單元尺寸設(shè)置為20 mm。

傳熱分析的邊界條件通常有3類[6]：第1類邊界條件，規(guī)定了物體的邊界溫度；第2類邊界條件，規(guī)定了物體的邊界熱流量；第3類邊界條件，規(guī)定了物體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和對應(yīng)溫度。本文根據(jù)墻體的傳熱過程及已知條件采用第3類邊界條件，根據(jù)GB/T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定標定和防護熱箱法》規(guī)定及《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》，墻板兩側(cè)的溫度不應(yīng)小于20℃，墻板的初始溫度統(tǒng)一取20℃，墻體內(nèi)、外表面對流換熱系數(shù)分別為8.7、23.0 W/（m2·K）。長春地區(qū)冬季室內(nèi)外計算參數(shù)為：室內(nèi)空氣溫度22℃，室外空氣溫度-15℃。ANSYS建模計算過程中各組成材料內(nèi)外葉墻板、EPS保溫層、鋼絲的導(dǎo)熱系數(shù)取值分別為0.2704、0.033、46.52 W/（m·K）。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 不同EPS保溫層厚度對復(fù)合墻板熱工性能的影響

模擬夾芯保溫層厚度對墻板傳熱系數(shù)的影響，EPS保溫層厚度分別取120、100、80 mm，內(nèi)外葉墻板厚度為50 mm定值。不同EPS保溫層厚度的墻板溫度分布及熱流密度見圖8～圖10，EPS保溫層厚度對墻板傳熱系數(shù)的影響見圖11。

圖10 80 mm厚EPS復(fù)合墻板溫度云圖及熱流密度矢量圖

由圖8～圖11可知，隨著EPS保溫層厚度的增加，墻板的傳熱系數(shù)逐漸減小，且變化較明顯，均滿足吉林地區(qū)農(nóng)村居住建筑節(jié)能65%設(shè)計標準對圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的限值要求[≤0.50 W/（m2·K）]；當(dāng)EPS保溫層厚度為120 mm時，傳熱系數(shù)為0.264 W/（m2·K），滿足吉林地區(qū)農(nóng)村居住建筑節(jié)能75%設(shè)計標準對圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的限值要求[≤0.30 W/（m2·K）]。由于斜向鋼絲連接件的存在，連接件附近墻體產(chǎn)生熱橋效應(yīng)，使熱量在墻體中的傳遞呈現(xiàn)多維效應(yīng)，熱流密度變化明顯，在鋼絲位置的穿透處熱流密度最大；保溫層厚度80 mm時，熱流密度最大為18.5995 W/m2，熱流損失不大，且隨保溫層厚度的增加，熱流損失逐漸減小，厚度為120 mm時熱流密度僅為14.7581 W/m2。

圖8 120 mm厚EPS復(fù)合墻板溫度云圖及熱流密度矢量圖

圖9 100 mm厚EPS復(fù)合墻板溫度云圖及熱流密度矢量圖

圖11 EPS保溫層厚度對復(fù)合墻板傳熱系數(shù)的影響

4.2 不同內(nèi)外葉墻板厚度對復(fù)合墻板熱工性能的影響

模擬內(nèi)外葉墻板厚度對復(fù)合墻板傳熱系數(shù)的影響，內(nèi)外葉墻板厚度分別取30、40、50 mm，EPS保溫層厚度固定為100 mm。不同內(nèi)外葉墻板厚度的復(fù)合墻板溫度分布及熱流密度見圖12、圖13，內(nèi)外墻板厚度對墻板傳熱系數(shù)的影響見圖14。

圖12 30 mm厚內(nèi)外葉墻板的復(fù)合墻板溫度云圖及熱流密度矢量圖

圖13 40 mm厚內(nèi)外葉墻板的復(fù)合墻板溫度云圖及熱流密度矢量圖

圖14 內(nèi)外葉墻板厚度對復(fù)合墻板傳熱系數(shù)的影響

由圖12～圖14可以看出，隨著內(nèi)外葉墻板厚度的增加，傳熱系數(shù)有所減小，但減小幅度不明顯，這是因為內(nèi)外葉墻板的導(dǎo)熱系數(shù)遠大于EPS保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，其熱阻占墻板總熱阻比例較小，所以增加內(nèi)外葉墻板的厚度對傳熱系數(shù)的影響較小，但不同內(nèi)外葉墻板厚度的傳熱系數(shù)均滿足吉林地區(qū)農(nóng)村居住建筑節(jié)能65%設(shè)計標準對圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的限值要求[≤0.50 W/（m2·K）]，內(nèi)外葉墻板厚30 mm時熱流密度最大，其值為18.6438 W/m2，熱流損失不大。

5 結(jié)論

（1）秸稈纖維具有較好的保溫作用，隨著秸稈纖維摻量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，秸稈纖維碳化的最佳溫度為240℃，最佳碳化時間為20 min。

（2）內(nèi)外葉墻板厚度為50 mm時，隨著EPS保溫層厚度的增加，墻板的傳熱系數(shù)逐漸減小，當(dāng)EPS保溫層厚度為120 mm時，復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)為0.264 W/（m2·K），滿足吉林地區(qū)農(nóng)村居住建筑節(jié)能75%設(shè)計標準對圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的限值要求[≤0.30 W/（m2·K）]。

（3）當(dāng)EPS保溫層厚度為100 mm時，隨著內(nèi)外葉墻板厚度的增加，傳熱系數(shù)增大不明顯，內(nèi)外葉墻板厚30 mm時熱流密度最大，為18.6438 W/m2，熱流損失不大。