燒結(jié)煤矸石頁巖多孔保溫砌塊熱工性能數(shù)值模擬

崔志玉

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，天津 300308)

隨著碳達(dá)峰、碳中和相關(guān)政策的陸續(xù)出臺(tái)，建筑節(jié)能將會(huì)再次引起高度重視，研發(fā)和推廣集結(jié)構(gòu)和保溫于一體的自保溫砌塊，對于建筑節(jié)能事業(yè)的發(fā)展有非常積極的意義[1-2]。GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》明確指出圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能在夏熱冬暖地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、寒冷地區(qū)、嚴(yán)寒C區(qū)和嚴(yán)寒A/B區(qū)的外墻傳熱系數(shù)應(yīng)分別小于或等于1.5，1.0，0.60，0.50，0.45 W·m-2·K-1[3]。四川、江西、山東、新疆、貴州和浙江等地陸續(xù)有自保溫砌塊生產(chǎn)的報(bào)道。張旭等[4]深入研究了火山渣混凝土復(fù)合自保溫砌塊的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)摻入適量硅灰和聚丙烯纖維可提高芯材發(fā)泡水泥的抗壓強(qiáng)度。方光秀等[5]提出以30%再生骨料取代天然火山渣、雙摻10%的粉煤灰和3%的煅燒硅藻土取代部分水泥的混凝土最佳配合比，制作火山渣輕骨料混凝土自保溫砌塊，并驗(yàn)證了該砌塊的抗壓強(qiáng)度。周學(xué)軍等[6]對蒸壓瓷粉加氣混凝土自保溫墻板的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明了蒸壓瓷粉加氣混凝土自保溫墻板的受力性能符合蒸壓加氣混凝土配筋板材的受力特征。李軍等[7]以造紙污泥輕質(zhì)陶粒混凝土制備輕質(zhì)自保溫墻體砌塊，符合JGJ 26—2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。煤矸石和頁巖作為一種常用的建材原料，遺憾的是，通過燒結(jié)工藝制備的自保溫砌塊未見報(bào)道。如能開發(fā)出燒結(jié)煤矸石頁巖自保溫砌塊，顯然將有力促進(jìn)自保溫砌塊的大力推廣。

多孔保溫砌塊傳熱系數(shù)(平均傳熱系數(shù))測定較為復(fù)雜，周期長，成本高。雖然有相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)，也有學(xué)者提出混凝土自保溫砌塊墻體的平均傳熱系數(shù)的計(jì)算思路和計(jì)算方法[8]，但顯然數(shù)值模擬是一種有效的手段。雷艷等[9]就對以輕集料混凝土小型空心砌塊與保溫材料組合形成的復(fù)合自保溫砌塊進(jìn)行了熱工性能數(shù)值模擬研究。張國永等[10]使用ABAQUS軟件對燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊熱工性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測值相差小于4%。本文以江西某企業(yè)生產(chǎn)的燒結(jié)煤矸石頁巖多孔保溫砌塊為研究對象，進(jìn)行了詳細(xì)的熱工數(shù)值分析，并設(shè)計(jì)一款適用于夏熱冬暖地區(qū)的寬厚多孔自保溫砌塊。

1 數(shù)值模型

1.1 物理模型

以江西某企業(yè)生產(chǎn)的燒結(jié)煤矸石頁巖多孔保溫砌塊為研究對象，該多孔保溫砌塊主要由煤矸石和頁巖燒結(jié)而成，實(shí)測摻加量為53.21%，孔洞率η為39%，磚型尺寸為240 mm(L)×190 mm(W)×180 mm(H)，如圖1所示。此多孔保溫砌塊有49孔，其中正中間有一個(gè)手抓孔，磚型上下左右對稱。利用商用軟件ANSYS進(jìn)行傳熱數(shù)值模擬,采用六面體網(wǎng)格，共有97 020個(gè)單元體，481 559個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 多孔保溫砌塊尺寸(單位：mm)

基本假設(shè)：

(1)三維、穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源、不可壓縮、恒定物性。

(2)多孔保溫砌塊傳熱沿著X(L)方向進(jìn)行。冷熱端設(shè)定為第三類邊界條件，冷端TL=280 K，hL=23 W·m-2·K-1；熱端TH=304 K，hH=8.7 W·m-2·K-1。其余4個(gè)面設(shè)為絕熱q=0。

(3)孔內(nèi)空氣傳熱屬于封閉空間內(nèi)的自然對流耦合換熱，基于Boussinesq近似處理空氣密度。輻射傳熱選擇適用范圍廣的DO模型，黏性計(jì)算選擇層流模型，沿Z(H)方向重力加速度g=9.8 m·s-2。

(4)砌塊基材(砌塊實(shí)體部分材料)ρjc=2 600 kg·m-3，cjc=1 050 J·kg-1·K-1，λjc=0.68～1.41 W·m-1·K-1；聚苯板ρjbb=100 kg·m-3，cjbb=1 380 J·kg-1·K-1，λjbb=0.041 W·m-1·K-1。

1.2 數(shù)學(xué)模型

質(zhì)量守恒方程：

(1)

能量守恒方程：

(2)

動(dòng)量守恒方程：

(3)

傳熱控制方程：

(4)

2 結(jié)果和分析

2.1 基材導(dǎo)熱系數(shù)的影響及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖2為基材導(dǎo)熱系數(shù)對燒結(jié)煤矸石頁巖多孔保溫砌塊傳熱系數(shù)的影響。為進(jìn)一步降低多孔保溫砌塊的傳熱系數(shù)，本文也數(shù)值調(diào)查了在孔內(nèi)插入聚苯板時(shí)復(fù)合保溫砌塊的傳熱系數(shù)。從圖2中可明顯看出：無論多孔保溫砌塊還是復(fù)合保溫砌塊，隨著保溫砌塊基材導(dǎo)熱系數(shù)的增大，傳熱系數(shù)也線性增大。復(fù)合保溫砌塊的傳熱系數(shù)顯著低于多孔保溫砌塊，平均下降了11.82%。要達(dá)到傳熱系數(shù)等級1.50和1.35時(shí)，對于此尺寸的多孔保溫砌塊的最大基材導(dǎo)熱系數(shù)分別不應(yīng)超過0.87 W·m-1·K-1和0.76 W·m-1·K-1，對于此尺寸的復(fù)合保溫砌塊的最大基材導(dǎo)熱系數(shù)分別不應(yīng)超過1.04 W·m-1·K-1和0.91 W·m-1·K-1。

λjc/(W·m-1·K-1)

切割多孔保溫砌塊無孔部分，經(jīng)處理后，實(shí)測獲得燒結(jié)煤矸石頁巖多孔保溫砌塊基材的導(dǎo)熱系數(shù)為1.26 W·m-1·K-1。依據(jù)GB 26538—2011《燒結(jié)保溫磚和保溫砌塊》和GB/T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》[11-12]實(shí)測獲得多孔保溫砌塊的傳熱系數(shù)為1.92 W·m-2·K-1。當(dāng)砌塊基材導(dǎo)熱系數(shù)為1.26 W·m-1·K-1時(shí)，數(shù)值模擬獲得的多孔保溫砌塊的傳熱系數(shù)為1.98 W·m-2·K-1，與實(shí)驗(yàn)測得的1.92 W·m-2·K-1非常接近，相差僅3.65%，表明數(shù)值模擬具有相當(dāng)高的精度。這微小的誤差是由于實(shí)測保溫砌塊基材導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)的溫濕度與采用GB 26538—2011《燒結(jié)保溫磚和保溫砌塊》測量保溫砌塊傳熱系數(shù)時(shí)的溫濕度略有不同導(dǎo)致的。

2.2 溫度場和流場分布

燒結(jié)煤矸石頁巖多孔保溫砌塊中心X-Z和X-Z兩截面溫度分布如圖3(a)和(b)所示。圖3(a)表現(xiàn)了較為平穩(wěn)的逐層漸變趨勢，溫度逐層從熱端向冷端下降；圖3(b)中可看出在孔洞處有明顯的波動(dòng)。至于圖3(a)圖，由于此方向?qū)?yīng)于孔洞短邊，空氣表現(xiàn)得更多層流性質(zhì)，且通過孔洞內(nèi)空氣的傳熱熱阻與熱橋的熱阻相當(dāng)。而至于圖3(b)圖，對應(yīng)于孔洞長邊，空氣表現(xiàn)得更多的湍流性質(zhì)，此時(shí)孔洞內(nèi)對流換熱明顯，傳熱熱阻就顯著小于熱橋熱阻。圖3(c)X-Y截面流場圖證實(shí)了這一結(jié)論。故小孔洞能降低對流傳熱，有利于降低整個(gè)砌塊的傳熱系數(shù)。

圖3 溫度場和流場分布圖

2.3 孔洞率的影響

由于保溫砌塊基材的導(dǎo)熱系數(shù)的變化需要涉及到原材料配方，實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化較為困難。為此依據(jù)現(xiàn)場可實(shí)施條件，且鑒于現(xiàn)生產(chǎn)的多孔保溫砌塊孔洞排布較為合理，本文在不改變孔洞排布規(guī)律的前提下，主要從增加孔洞率、減少熱橋熱量損失和增強(qiáng)保溫效果出發(fā)，調(diào)查圖4所示的不同孔洞率、熱橋厚度和外壁厚度時(shí)保溫砌塊的傳熱性能。模擬獲得的保溫砌塊傳熱系數(shù)隨孔洞率的增加而減少，如圖5所示。對于多孔保溫砌塊，孔洞率49.4%是傳熱系數(shù)等級2.00和1.50的分界點(diǎn)；對于復(fù)合保溫砌塊，孔洞率43.8%是傳熱系數(shù)等級2.00和1.50的分界點(diǎn)，孔洞率47.9%是傳熱系數(shù)等級1.50和1.35的分界點(diǎn)。也表明聚苯板的插入避免了空氣的對流傳熱，從而大幅度降低保溫砌塊的傳熱系數(shù)。

圖4 不同孔洞率多孔保溫砌塊孔洞布置示意圖

η/%

2.4 寬厚多孔保溫砌塊

借鑒英國Wienerberger公司，設(shè)計(jì)和制造了一款寬厚多孔保溫砌塊，砌塊尺寸240 mm(L)×360 mm(W)×180 mm(H)，孔洞率為46.6%，有88個(gè)內(nèi)孔，如圖6所示。

圖6(a)(b)和(c)分別為寬厚燒結(jié)煤矸石頁巖多孔保溫砌塊實(shí)物、應(yīng)用場景(借鑒中國商飛江西生產(chǎn)試飛中心的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu))和傳熱數(shù)值模擬獲得的溫度云圖。此多孔保溫砌塊孔排數(shù)更多，孔洞率更大，孔相對較小。這3個(gè)特性均有利于降低砌塊的傳熱系數(shù)。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)寬厚砌塊的溫度分布與240 mm(L)×190 mm(W)×180 mm(H)類似，不過孔內(nèi)空氣的對流傳熱因?yàn)榭椎某叽绺?，不明顯。經(jīng)計(jì)算寬厚多孔保溫砌塊和復(fù)合保溫砌塊的傳熱系數(shù)分別為1.34 W·m-2·K-1和1.16 W·m-2·K-1，傳熱系數(shù)等級均提高了2個(gè)等級。

圖6 寬厚多孔保溫砌塊實(shí)物及溫度云圖

最后，為了驗(yàn)證優(yōu)化后的多孔保溫砌塊也能滿足力學(xué)性能指標(biāo)。同時(shí)，采用ANSYS靜力學(xué)分析模塊對兩種多孔保溫砌塊進(jìn)行了力學(xué)特性數(shù)值模擬。經(jīng)計(jì)算，圖4(a)(b)(c)及圖6所示的4種保溫砌塊的抗壓強(qiáng)度值分別為5.20，5.12，5.04，6.31 MPa，均為強(qiáng)度等級MU5.0。

3 結(jié)論

(1)多孔保溫砌塊的基材導(dǎo)熱系數(shù)至關(guān)重要，燒結(jié)煤矸石頁巖多孔保溫砌塊傳熱系數(shù)隨基材導(dǎo)熱系數(shù)線性增大，因此降低基材導(dǎo)熱系數(shù)是最為直接有效的手段。當(dāng)基材導(dǎo)熱系數(shù)足夠低時(shí)，保溫砌塊能達(dá)到自保溫要求，但對于燒結(jié)煤矸石頁巖多孔保溫砌塊要實(shí)現(xiàn)此目的挑戰(zhàn)也非常大。本文研究的240 mm(L)×190 mm(W)×180 mm(H)多孔保溫砌塊(49孔)的傳熱系數(shù)為1.92 W·m-2·K-1，處于傳熱系數(shù)等級2.0，其基材導(dǎo)熱系數(shù)為1.26 W·m-1·K-1。孔內(nèi)聚苯板的插入，能有效降低保溫砌塊的傳熱系數(shù)，平均下降幅度為11.82%。

(2)雖然空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于基材的導(dǎo)熱系數(shù)，但由于對流傳熱存在，多孔保溫砌塊孔內(nèi)短邊的傳熱熱阻與熱橋熱阻相當(dāng)，因此溫度從熱端到冷端溫度逐層降低；然而孔內(nèi)長邊由于空氣對流換熱相對更強(qiáng)，表現(xiàn)出來的傳熱熱阻顯著低于熱橋熱阻。這是一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)。故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在工藝允許范圍內(nèi)盡量選擇小孔。

(3)孔數(shù)目的增加且孔洞率的提高，意味著孔的尺寸也有所減少，由此有利于提高多孔保溫砌塊的保溫性能。本文研究的240 mm(L)×190 mm(W)×180 mm(H)多孔保溫砌塊當(dāng)孔洞率由38.5%提高到49.4%時(shí)，傳熱系數(shù)等級能提高1個(gè)等級。

(4)240 mm(L)×360 mm(W)×180 mm(H)寬厚燒結(jié)煤矸石頁巖多孔保溫砌塊雖然溫度云圖類似，但顯然具有更優(yōu)良的保溫性能，在傳熱系數(shù)等級方面比240 mm(L)×190 mm(W)×180 mm(H)多孔保溫砌塊提高了2個(gè)等級，由1.92 W·m-2·K-1變化為1.34 W·m-2·K-1，達(dá)到夏熱冬暖地區(qū)外墻自保溫要求(≤1.5 W·m-2·K-1)。在寬厚燒結(jié)煤矸石多孔保溫砌塊的基礎(chǔ)上，只要采用相對簡單的措施，比如孔內(nèi)插入聚苯板的同時(shí)略微降低基材導(dǎo)熱系數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)夏熱冬冷地區(qū)的外墻自保溫要求(≤1.0 W·m-2·K-1)。降低基材導(dǎo)熱系數(shù)的方法有添加導(dǎo)熱系數(shù)更低的原材料，添加成孔劑在基材中形成微孔等等。另外，雖然寬厚多孔保溫砌塊有較好的熱工性能，且也能滿足力學(xué)性能要求。然而，作為集結(jié)構(gòu)和自保溫一體的功能性構(gòu)建，其力學(xué)性能和熱工性能之間的耦合關(guān)系，及其優(yōu)化也值得進(jìn)一步研究。