張國永 ，陳氏鳳 ，張玲 ，董澤 ，岑如軍

（1.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231；3.浙江省發(fā)展新型墻體材料辦公室，浙江 杭州 310005）

0 引言

墻體保溫是建筑節(jié)能的重要一環(huán)，目前外墻保溫技術(shù)主要有外墻內(nèi)保溫、外墻外保溫和墻體自保溫，其中墻體自保溫系統(tǒng)因施工便捷、綜合造價低、耐久性能好等倍受人們關(guān)注[1]。近年來，多種新型墻體自保溫砌塊如陶粒增強(qiáng)加氣混凝土砌塊、燒結(jié)保溫砌塊、填充型復(fù)合保溫砌塊等不斷被開發(fā)出來并推向市場，為墻體自保溫系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)[2-5]。本文以燒結(jié)保溫砌塊為例，通過數(shù)值模擬分析各種因素對墻體自保溫系統(tǒng)熱工性能的影響情況，為自保溫系統(tǒng)在墻體節(jié)能工程中的應(yīng)用提供一些建議。

1 研究對象及方法

燒結(jié)保溫砌塊是由黏土、頁巖、煤矸石等為主要原材料，摻入適量木屑、粉煤灰漂珠、石灰石等成孔材料，經(jīng)擠出成型、焙燒而制成。燒結(jié)保溫砌塊具有較高的力學(xué)性能和良好的體積穩(wěn)定性，以及與水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度高等特點，經(jīng)合理的孔型設(shè)計和配合比設(shè)計，燒結(jié)保溫砌塊具有較好的保溫性能和隔熱性能。因此燒結(jié)保溫砌塊是一種具有良好應(yīng)用前景的自保溫墻體材料。

以自主設(shè)計的燒結(jié)保溫砌塊（見圖1）為例，使用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行熱工性能模擬計算[6]，研究砌塊的砌筑方式、砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)及灰縫寬度、抹灰砂漿導(dǎo)熱系數(shù)及厚度等因素對燒結(jié)保溫砌塊墻體自保溫系統(tǒng)熱工性能的影響。

圖1 燒結(jié)保溫砌塊示意

模擬計算時，將砌塊或砌體的內(nèi)、外側(cè)分別設(shè)定為高溫區(qū)和低溫區(qū)，在溫差作用下達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱，再通過計算得到砌塊或砌體的熱工性能。砌塊或砌體的邊界條件為第Ⅲ類邊界條件，即高溫側(cè)環(huán)境溫度為303.15K，表面換熱系數(shù)為8.7W/（m2·K），低溫側(cè)環(huán)境溫度為263.15K，表面換熱系數(shù)為23.0W/（m2·K）。材料熱工參數(shù)：燒結(jié)保溫砌塊本體材料導(dǎo)熱系數(shù)取0.75W/（m·K），比熱容取1050 J/（kg·K）；空氣間層熱阻值引用GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》，比熱容取1005 J/（kg·K）；普通抹灰、砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)取0.93 W/（m·K），比熱容取1050 J/（kg·K）；保溫砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)為0.20W/（m·K），專用保溫抹灰砂漿導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/（m·K），比熱容取1050 J/（kg·K）。

2 影響因素分析

2.1 砌塊砌筑方式對砌塊熱工性能的影響

為提高砌體的力學(xué)性能，砌塊孔洞方向應(yīng)平行于砌體高度方向，砌塊的砌筑方式有2種，方式一：以190 mm×190 mm的面為砌體內(nèi)（外）面，砌體厚度為240 mm（見圖2），用這種方式砌筑時，墻體穩(wěn)態(tài)傳熱時貫通熱橋少；方式二：以240mm×190 mm的面為砌體內(nèi)（外）面，砌體厚度為190 mm（見圖3），用這種方式砌筑時，墻體穩(wěn)態(tài)傳熱時貫通熱橋較多。不同砌筑方式對砌塊熱工性能的影響見表1。

圖2 砌筑方式一示意

圖3 砌筑方式二示意

表1 不同砌筑方式對砌塊熱工性能的影響

由表1可見，方式一的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)僅為方式二的67.3%，保溫性能明顯優(yōu)于后者，可見砌筑方式對燒結(jié)保溫砌塊墻體的熱工性能起決定性作用。在實際工程中砌筑方式對墻體熱工性能的影響并沒有引起足夠的重視，常用的節(jié)能多孔磚KP1磚，外觀尺寸為240 mm×115 mm×90 mm，常采用“一順一丁”和“梅花丁”的砌筑方式砌筑，砌體中有50%的磚塊采用對墻體熱工性能不利的砌筑方式砌筑，嚴(yán)重?fù)p害了墻體的保溫性能。墻體自保溫系統(tǒng)的推廣應(yīng)用中應(yīng)避免出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

2.2 砌筑砂漿對墻體熱阻的影響

GB 50411—2007《建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》明確規(guī)定：“保溫砌塊砌筑的墻體，應(yīng)采用具有保溫功能的砂漿砌筑”。以下通過模擬計算，分析砌筑砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)及厚度對燒結(jié)保溫砌塊墻體熱阻的影響程度。

墻體主體模型采用圖1所示的燒結(jié)保溫砌塊，采用不同導(dǎo)熱系數(shù)的砌筑砂漿，砌筑方式采用方式一，砌筑砂漿厚度為10 mm，砌體內(nèi)、外表面各抹20 mm厚的普通抹灰砂漿。模擬計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)對墻體熱阻的影響

由圖4可見，隨著砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)降低，墻體的熱阻逐步上升且上升趨勢加快。當(dāng)采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.93 W/（m·K）的普通砌筑砂漿砌筑時，墻體的熱阻為0.685（m2·K）/W，僅為砌塊熱阻的89.3%。普通砌筑砂漿對燒結(jié)保溫砌塊墻體熱工性能有較大負(fù)面作用，究其原因在于砌筑灰縫存在傳熱熱橋。隨著砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)降低，砌筑灰縫熱橋效應(yīng)變得越來越不明顯，當(dāng)采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.20 W/（m·K）的保溫砌筑砂漿砌筑時，墻體的熱阻為0.838（m2·K）/W，是砌塊熱阻的1.09倍，比用普通砌筑砂漿砌筑的墻體的熱阻增加22%，砌筑灰縫對墻體熱工性能的負(fù)面作用已經(jīng)消失。

在上述模型基礎(chǔ)上，通過改變砌筑砂漿厚度，探究砌筑砂漿厚度對墻體熱阻的影響情況。模擬計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 砌筑砂漿厚度對墻體熱阻的影響

由圖5可見，當(dāng)采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.93 W/（m·K）的普通砌筑砂漿砌筑時，砌筑灰縫是墻體熱工的薄弱環(huán)節(jié)，隨著砌筑砂漿厚度減小，墻體保溫性能逐步提高，砌筑砂漿厚度從15 mm減小到5 mm，墻體熱阻值增加了約16%；而采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.20 W/（m·K）的保溫砌筑砂漿砌筑時，由于砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)和砌塊當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)相近，砌筑灰縫不存在熱橋缺陷，因此砌筑砂漿厚度對墻體熱阻值的影響不明顯。

綜上分析，為提高自保溫墻體的熱阻，應(yīng)采用保溫砌筑砂漿砌筑自保溫砌塊，砌筑砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)與砌塊的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)相近。砌筑砂漿保溫性能較差時，應(yīng)采用薄縫砌筑方式砌筑，在一定程度上也可以提高墻體的熱阻值。

2.3 抹灰砂漿對墻體傳熱系數(shù)的影響

墻體結(jié)構(gòu)的熱橋是制約墻體自保溫系統(tǒng)保溫性能的1個主要因素。目前工程中常用保溫材料對墻體結(jié)構(gòu)的熱橋進(jìn)行保溫處理以降低熱橋效應(yīng)[7]，但存在工藝復(fù)雜、工程質(zhì)量不易控制等問題。采用保溫抹灰砂漿替代墻體外側(cè)的普通抹灰砂漿是解決墻體結(jié)構(gòu)熱橋的有效方法之一。為此，專門研制了一種保溫抹灰砂漿，抗壓強(qiáng)度等級達(dá)M5，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.15 W/（m·K），兼具良好的保溫性能和力學(xué)性能[8]。以下通過模擬計算，分析保溫抹灰砂漿對燒結(jié)保溫砌塊外墻平均傳熱系數(shù)的影響。

墻體主體模型采用圖1所示的燒結(jié)保溫砌塊，采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.20W/（m·K）的保溫砌筑砂漿，砌筑方式采用方式一，砌筑砂漿厚度為10 mm，砌體內(nèi)表面抹20 mm厚的普通抹灰砂漿，外側(cè)抹不同的抹灰砂漿。外墻結(jié)構(gòu)的熱橋模型為240 mm厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和內(nèi)外側(cè)抹灰砂漿組成，其中內(nèi)側(cè)表面為20 mm厚的普通抹灰砂漿，外側(cè)表面的砂漿類型及厚度與墻體主體模型保持一致。經(jīng)模擬計算，當(dāng)外墻面積中墻體主體占60%、結(jié)構(gòu)熱橋占40%時，抹灰砂漿對墻體傳熱系數(shù)的影響結(jié)果如圖6所示。

圖6 抹灰砂漿對墻體傳熱系數(shù)的影響

由圖6可見，當(dāng)墻體外側(cè)采用20 mm厚的保溫抹灰砂漿替代普通抹灰砂漿時，外墻平均傳熱系數(shù)降至1.43 W/（m2·K），降幅達(dá)20%，已滿足夏熱冬冷地區(qū)居住建筑對外墻熱工性能的要求。增加墻體外側(cè)保溫抹灰砂漿的厚度，外墻平均傳熱系數(shù)進(jìn)一步降低。保溫抹灰砂漿不僅可以提高墻體主體的保溫性能，還能對結(jié)構(gòu)熱橋部位進(jìn)行有效地保溫處理，從而顯著降低外墻平均傳熱系數(shù)，是提高墻體自保溫系統(tǒng)熱工性能的優(yōu)選配套材料。

3 結(jié)語

（1）燒結(jié)保溫砌塊的砌筑方式應(yīng)使砌塊空腔在沿墻體厚度方向上交錯排列，延長傳熱路徑，降低砌塊當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，反之砌塊的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)會增加近50%。

（2）保溫砌筑砂漿能有效提高墻體主體的熱阻，采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.20 W/（m·K）的保溫砌筑砂漿替代導(dǎo)熱系數(shù)為0.93 W/（m·K）的普通砌筑砂漿，墻體熱阻增加22%。

（3）保溫抹灰砂漿不僅可以提高墻體主體的保溫性能，還能對結(jié)構(gòu)熱橋部位進(jìn)行有效地保溫處理，從而顯著降低外墻平均傳熱系數(shù)，采用20 mm厚、導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/（m·K）、強(qiáng)度等級為M5的保溫抹灰砂漿替代普通抹灰砂漿對墻體外側(cè)進(jìn)行抹面，墻體平均傳熱系數(shù)可下降20%。

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