一种复合自保温砌体结构设计与热工计算.pdf

全国中文核心期刊 新 癯 建巍 中 国 科 技 核 心 期 刊 一 种复合自保温砌体 结构设计与热工计算 马彪 n ， 秦鸿根 “ ， 庞超 明 1 ． 东南大学 材料科学与工程学院 ， 江苏 南京2 1 1 1 8 9 ； 2 ．江苏省土木工程材料重点实验室 ， 江苏 南京2 1 1 1 8 9 摘要 为了满足建筑节能对墙体保温材料的要求， 设计了几种混凝土自保温砌块， 并进行热工计算和分析； 用性能最优的砌块 进行复合自保温砌体的设计， 对砌体进行热工计算， 并将设计的模型进行传热模拟 结果表明， 所设计的砌体结构满足建筑节能 6 5 ％对墙体保温材料 的要求 。 关键 词 复合自保温砌块； 砌体结构； 热工计算 中图分类号 T U 5 2 2 ．3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 7 0 2 X 2 0 1 6 0 2 0 0 1 2 0 4 De s i g n a n d t h e r ma l c alc u l a t i o n f o r a c o mp o s i t e s e l f - h e a t i n s ula ti o n ma s o n r y s t r u c t u r e MA B i a o ， Q m H o n g g e n ， P A N G C h a o m i n g ’ 。 1 ． S c h o o l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 1 1 8 9 ， C h i n a 2 ．J i a n g s u K e y L a b o r a t o r y o f C i v i l E n g i n e e ri n g Ma t e r i a l s ， N a n j i n g 2 1 1 1 8 9 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s a t i s f y b u i l d i n g e n e r g y e ffic i e n c y r e q u i r e me n t s f o r w a l l h e a t i n s u l a t i o n ma t e r i als ， s e v e r a l t y p e s o f s e l f - i n s u l a t i o n c o n c r e t e b l o c k s we r e d e s i g n e d a n d t h e r mal c a l c u l a t i o n a n d a n aly s i s we r e c a r r i e d o u t ．C o n d u c t t h e d e s i g n o f c o mp o s i t e s e l f - i n s u l a t i o n ma s o n ry b l o c k wi t h o p t i ma l p e r f o rm a nc e b l o c k， d o t h e r ma l c alc u l a t i o n f o r ma s o n ry， d o h e a t t r a n s f e r s i mu l a t i o n for t h e mo d e 1 ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t d e s i gn for t h e c o mp o s i t e s e l f -i n s u l a t i o n ma s o n ry s t r uc t u r e me e t 6 5 ％ o f b u i l d i n g e n e r g y e ffic i e n c y r e q u i r e me n t s for wa l l h e a t i n s u l a t i o n ma t e rials ． Ke y wo r d s c o mp o s i t e s e lf - h e a t i n s u l a t i o n b l o c k ， m a s o n ry s t ruc t u r e ， t h e rm al c al c u l a t i o n 在能耗问 题日 益突出、 国家提倡节能减排的今天， 全国各 地都在如火如荼的进行墙体材料革新和新型建筑材料的研 制。 节能效果被作为一个重要评价指标。 目前， 墙体节能保温 体系可以分为3 种 外墙外保温体系、 外墙内保温体系以及自 保温体系。其中， 外墙外保温体系将保温材料设置在墙外侧， 但存在成本高、 施工复杂、 耐火性差、 寿命远低于建筑寿命等 问题； 外墙内保温体系将保温材料设置在墙内侧， 存在占用室 内空间、 影响美观、 二次装修困难、 空调安放等问 题； 自 保温体 系可实现与建筑同寿命、 造价低、 防火A级安全且保温性能 好ll_ 引 。 合理设计砌体结构、 采用高比 强保温性好的材料是实 基金项 目 高性能土木 工程材料 国家重点实验室开放基金 2 01 3 CEM0 0 2 收稿 日期 2 0 1 5 1 0 2 7 作者简介 马彪， 男， 1 9 9 1 年生， 安徽马鞍山人， 硕士研究生。 地址 南 京市江宁区东南大学路 2号， E m all ma b i a o a i 2 0 0 8 1 2 6 mm。 l 2 新型建筑材料 2 0 1 6 ． 2 现建筑节能目标的关键。 江苏的大部分属于夏热冬冷地区，江苏已提出建筑节能 6 5 ％， 实际工程要实现此目标仍然具有较高的难度。 相比于实心砖， 空心砌块具有节省原材料、 更高的热阻等 优点， 其孔型设计与原材料的使用对其热工性能影响很大。 对 于含有孔洞结构的砌块， 孔型对砌块热工性能有不同的影响， 由于矩形孔中易形成长路对流，空气在长路对流时热传导速 率较慢， 其平 均传热系数最小， 正方形孔次 之， 圆 形孔最大 [41。 不同孔型空心砌块的传热系数同 如表 1 所示。 表 1 不同孔型单排孔空心砌块的平均传热系数 K 改善自保温砌块及其砌体结构的热工性能可以采取以下 几个措施 1 降低基体材料的导热系数， 填充高效保温材料； 2 增加砌块的厚度， 尽量采用多排孔； 3 组砌复合砌体[6 1 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 马彪， 等 一种复合 自 保温砌体结构设计与热工计算 孔、 四排孔和五排孔砌块的热阻分别为 1 ． 0 0 5 、 1 ． 2 2 6 、 1 ． 3 4 0 m K ， W， 其孔洞率分别为4 5 ． 6 ％、 3 8 ． 5 ％、 3 0 - 3 ％。 三排孔砌块由于孔的宽 度超过了4 0 m m ， 热阻不再增加， 其热阻较小， 不符合设计要求； 五排孔砌块由于比四排孔砌块 增加了2 排肋， 虽然有五排孔， 但其宽度减小了， 因此热阻计 算结果和四排孔砌块相当。 在砌块左右两端开13 槽中插入E P S 板之后， 四排孔砌块 热阻更高一些。 因此优先选用四排孔设计的砌块。 其抗压强度 按照李海彬等同 的经验公式， 混凝土砌块的设计强度 和混 凝土立方体试件 2 8 d抗压强度 之间符合关系 ．觚 0 ． 9 5 7 7 1 ． 1 2 9 x f L 洞率。砌块设计强度为 1 0 M P a ， 因此其混凝 土2 8 d 强度应该为 1 9 ． 1 M P a 强度保证率可达9 5 ％ ， 但考虑 到为保证砌块达到预期的强度，应使砌块轻骨料混凝土的试 配强度比 ， 提高 1 5 ％， 即2 2 M P a 强度保证率可近 1 0 0 ％ 。 而抗压强度达到1 0 M 的砌块有一定的抗压能力，在砌筑 时， 最下层的砌块不会被压破。 2 复合自保温砌体的结构设计与热工计算 按照D G J 3 2 ／ J 9 6 2 0 1 O 公共建筑节能设计标准 和J G J 1 3 4 _ 2 0 1 0 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 中的相关 规定， 建筑节能6 5 ％时， 外墙传热系数K≤ 0 ． 8 W ／ m K ， 即 热阻尺 ≥1 ． 2 5 m K ／ W。 在达到相同保温效果的前提下，使用单一材料的墙体并 不经济， 而通常采用高效保温材料复合的墙体更具有经济效 应【 8 】 。 实际建筑过程中， 自保温砌块在砌筑时， 要求使用保温砂 浆， 但保温砂浆价格相对较高， 且热阻低于白 保温空心砌块。 当建筑保温砂浆中含水率提高时，其导热系数大大降 低， 另 外， 建筑保温砂浆的抗压强度不高I9 ] 。本文设计出用普通砌筑 砂浆和E P S 板条复合的保温灰缝材料， 其特点是保温隔热性 能好、 强度高、 施工方便、 性价比高。 砌体简化模型的水平并排砌筑结构如图3 所示。砌块上 下底面有一端为封闭状态， 其目的在于堆砌的时候， 防止砂浆 漏入孔洞中。图4 为复合自 保温砌体的垂直简化模型， ]广 广 ]l 广 ] 广 _ _ 『 翦 鲤蕊霹 豳 豳 6 0 L L L_ _ J l I ． I． ．．． I． ．． 』 ] [---- --- 7 口 圜f - - q [ 二 ][ ＼ 图3 复合自保温砌体水平方向简化模型及相关尺寸 1 4 新型建筑材料 2 0 1 6 ． 2 ／ E P S ／ 图4 复合自保温砌体竖直方向简化模型 砌块的平均热阻值为 1 ． 3 2 6 m 2 K ， 按照上述计算方 法， 取E P S板导热系数A 。 为0 ． 0 3 7 W／ m K ， 算得其平均热 阻为1 ． 4 1 5 m 2 K ／ W。而对于灰缝热阻进行计算， 取普通建 筑砂浆导热系数A 为0 ．9 3 W ／ m K 。图4 中E P S 板的宽度 d t 5 0 m m， 砂浆宽度d 2 1 9 0 m m ， 则水平灰缝部位热阻为 R1 1 ． 5 5 6 m 2 K ／ W A 1 A2 图3 中竖直方向插入的E P S板以及被中间挡住的E P S 板总宽度为d 3 5 9 n lm ， 砂浆宽度为 1 8 1 m m ， 则竖直方向 灰 缝的热阻为 R2 _ g 4 1 ．7 8 9 m K ／ W A 1 A2 灰缝处热阻均高于砌块的平均热阻，则整个砌体结构的 平均热阻 大于砌块的 平均热阻。 灰缝宽 度为1 0 m m ， 整个砌体 的平均热阻为某一个砌块与其周边5 m m相邻的灰缝热阻平 均值， 砌体宽d s 2 4 0 m m ， 灰缝宽d s 1 0 m m ， 包含左右侧的水 平方向热阻为 R水 平 1 ． 4 2 o m。 K ／ W 0 , 5- 0,6 R ’ R． 砌体高 1 9 0 m m ， 灰缝高d s 1 0 m m 。 包含上下底面灰缝 的总热阻为 R总 ，_ I _ 1 ．4 3 5 m 。 K ／ W 尺水 平。 R 则传热系数 K I ／ R臆 0 ． 7 0 2 W／ m K 使用A N S Y S 有限元分析软件对砌体简化结构进行热传 导模拟， 模拟结果如图5 所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m