新型混凝土內(nèi)置保溫層空心砌塊熱工性能研究

摘要：對(duì)普通混凝土空心砌塊的熱工性能進(jìn)行理論研究，從復(fù)合不同保溫材料、形式及具體構(gòu)造幾方面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行熱阻理論分析，針對(duì)不同的改進(jìn)措施提出合理建議。

關(guān)鍵詞：熱工性能;保溫材料;熱阻

Abstract：For ordinary concrete hollow block of the thermal performance of the theoretical research，from different composite insulation material，form and concrete structure aspects carry on the optimization，and the optimization results are thermal resistance theory analysis，in view of the different improvement measures put forward reasonable Suggestions.

Keywords：The thermal performance;Insulation materials;Thermal resistance

1.前言

混凝土砌塊是由可塑的混凝土加工而成，其形狀、大小隨模具不同而異，既是一種新型墻體材料，又是一種多用途的新型建筑材料。混凝土小型空心砌塊作為新型墻體材料取代粘土磚，關(guān)鍵問題之一就是在滿足力學(xué)性能要求的同時(shí)，滿足《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176-93）和居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。在北方寒冷地區(qū)采用混凝土小型空心砌塊作為承重墻體，解決防寒、保暖等措施，大多采用外泡沫混凝土砌塊或加氣混凝土砌塊，砌筑墻體較厚，造價(jià)高，房屋的有效使用面積減少，國(guó)外也常采用此項(xiàng)技術(shù)。湖南地區(qū)既要解決防寒問題，同時(shí)要解決隔熱、隔聲、防裂、防滲等問題，特別是目前該地區(qū)采用的普通混凝土小砌塊，經(jīng)熱工計(jì)算和研究測(cè)試，未能滿足《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176-93）的有關(guān)要求，新的混凝土小砌塊建筑技術(shù)規(guī)程正在修訂中，也編入了有關(guān)熱工、節(jié)能條款，因此，有必要研究該地區(qū)新型混凝土保溫砌塊的性能。

2.混凝土空心砌塊傳熱系數(shù)K的理論計(jì)算

考慮到建筑模數(shù)與習(xí)慣，以及材料熱阻隨材料厚度的增大而增加，并且增多孔洞排數(shù)也可以增加材料的熱阻，參考《普通混凝土小型空心砌塊》（GB8239—1997）的有關(guān)規(guī)定，同時(shí)要遵循方便施工的原則，本研究采用390mm×190mm×190mm四排孔混凝土砌塊。若將四排孔混凝土砌塊作為一個(gè)均質(zhì)材料看待，則實(shí)測(cè)后推算出該砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)λ1為0.329W/（m·K），再在考慮砌筑砂漿、抹面（石膏）砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)的基礎(chǔ)上，以砂漿粉刷厚度作為變量，計(jì)算出四排孔混凝土砌塊墻體的平均傳熱系數(shù) K的理論值，見表1.

表1 190 厚四排孔砌塊墻體平均傳熱系數(shù) K 的理論計(jì)算值

內(nèi)粉刷砂漿厚度（mm）

外粉刷砂漿厚度（mm）

內(nèi)粉刷砂漿的λ[W/（m·K）]

外粉刷砂漿的λ[W/（m·K）]

墻體K值理論計(jì)算值[W/（m2·K）]

20

30

0.085

0.08

0.699

30

30

0.085

0.08

0.654

25

25

0.085

0.08

0.700

25

30

0.085

0.08

0.676

25

35

0.085

0.08

0.652

35

35

0.085

0.08

0.613

3.復(fù)合不同保溫材料對(duì)空心砌塊熱工性能的影響

由于采用單一的保溫形式已經(jīng)無(wú)法滿足日益提高的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)合保溫必將成為建筑節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)。在空心砌塊內(nèi)部插放和填充保溫材料是復(fù)合保溫墻體的典型做法之一，然而填充不同的保溫材料以及插放和填充的形式不同，砌塊的熱工性能也不同。

目前常用的保溫材料有：保溫砂漿、擠塑聚苯乙烯板（XPS）、膨脹聚苯乙烯板（EPS）、輕集料混凝土、泡沫混凝土、硬泡聚氨酯等。采用內(nèi)插、填充等方式將常見的保溫材料與空心砌塊復(fù)合而成的新型保溫砌塊，見圖 1～圖5。

圖1? 內(nèi)插EPS板的混凝土空心砌塊

圖2? 內(nèi)插XPS的混凝土空心砌塊

圖3? 填充泡沫混凝土的混凝土空心砌塊

圖4? 填充硬泡聚氨酯的混凝土空心砌塊

圖5? 填充保溫砂漿的混凝土空心砌塊

3.1.復(fù)合砌塊熱阻的理論計(jì)算

（1）空氣間層所在層的熱阻計(jì)算

在無(wú)保溫層的混凝土空心砌塊中，除內(nèi)插填充保溫材料孔洞層外，還有兩層空氣間層。由于兩層孔洞結(jié)構(gòu)相同，其空氣層熱阻也相同，均為Rgs，Rc表示空氣間層之間肋的熱阻，Rd表示砌塊中空氣間層的熱阻。以上空氣間層及其所在層的熱阻值見表2。

表2? 各空氣間層及其所在層的熱阻值

各空氣間層及各所在層

Rc

Rd

Rgs

熱阻（m2·K/W）

0.156

0.175

0.09

由于 5 種類型的砌塊孔洞結(jié)構(gòu)相同，尤其是空氣層孔洞結(jié)構(gòu)也相同，所以各型號(hào)空心砌塊空氣層的熱阻相同，主要區(qū)別在于空心砌塊內(nèi)插或填充的保溫層的熱阻不同。

（2）保溫層所在層的熱阻計(jì)算

在圖1～圖5 中，砌塊保溫層所在的垂直于熱流方向的砌塊體積即可作為一個(gè)層來計(jì)算。內(nèi)插EPS板的混凝土空心砌塊中，保溫層所在層的熱阻計(jì)算包括幾條肋在內(nèi)。由于5種砌塊的保溫層填充方式和孔洞都相同，所以計(jì)算也類似，只是保溫層熱阻不同。根據(jù)計(jì)算得出的5種砌塊保溫層所在層的熱阻值見表3。

表3? 5種砌塊的保溫層所在層的熱阻值

砌塊

內(nèi)插 EPS板空心砌塊

內(nèi)插XPS板空心砌塊

填充泡沫混凝土的空心砌塊

填充硬泡聚氨酯的空心砌塊

填充保溫砂漿的空心砌塊

保溫層所在層的熱阻（m2·K/W）

0.271

0.352

0.207

0.412

0.228

3.2 砌塊的熱工性能分析

根據(jù)上述計(jì)算可推出砌塊的理論計(jì)算值，并采用JW-1墻體及玻璃制品保溫性能檢測(cè)裝置對(duì)各空心砌塊砌體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱工性能試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)見表4。

表4? 砌塊熱阻的理論計(jì)算、數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果

砌塊種類

砌塊熱阻

（m2·K/W）

無(wú)保溫層

的空心砌塊

內(nèi)插EPS板

空心砌塊

內(nèi)插XPS 板

空心砌塊

填充泡沫混凝土

的空心砌塊

填充硬泡聚氨酯

的空心砌塊

填充保溫砂漿

的空心砌塊

理論計(jì)算結(jié)果

0.43

1.26

1.30

0.96

1.81

1.03

試驗(yàn)結(jié)果

0.25

1.05

1.15

0.85

1.50

0.95

從結(jié)果中可以看出：所研究砌塊的理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定差別，但在一定程度上理論計(jì)算仍可反映實(shí)際情況，滿足工程分析的要求。造成砌塊熱阻理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有差距的主要原因是，理論計(jì)算的近似性及所參考的熱物性數(shù)據(jù)與試驗(yàn)砌塊真正的物理數(shù)據(jù)有所差異等。

從砌塊熱阻試驗(yàn)結(jié)果可以總結(jié)出各砌塊的異同之處如下：

（1）有保溫層和無(wú)保溫層的砌塊熱阻相差較大。

（2）各組填充不同保溫材料砌塊的熱阻值各不相同，與其填充的保溫材料熱工性能有關(guān)，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù) 越小，熱阻值越高，用其填充的空心砌塊熱阻值也最高。

（3）由表3可知，填充硬泡聚氨酯的砌塊熱阻值 最高，即保溫性能最好。其次是內(nèi)插 XPS 板和 EPS 板 的砌塊，由于XPS 板的導(dǎo)熱系數(shù)比 EPS 板的導(dǎo)熱系數(shù) 低，其復(fù)合砌塊的熱阻值也表現(xiàn)出一定差異。

（4）由表3 可知，填充保溫砂漿的砌塊與填充泡沫混凝土的砌塊熱阻相近。這兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)都受生產(chǎn)配比和成型工藝的影響，很難保證其熱工性能的穩(wěn)定性。

4.保溫材料不同填充形式對(duì)空心砌塊熱工性能的影響

4.1保溫材料不同填充形式空心砌塊熱阻的理論計(jì)算

兩種內(nèi)插 EPS 保溫板空心砌塊，如圖7、圖8。圖7砌塊規(guī)格為 390mm×200mm×190mm，兩排孔，即上部四個(gè)小孔和下部?jī)蓚€(gè)大孔，中部肋高500mm，肋上插有 EPS 板，厚度40mm。圖 8砌塊規(guī)格為390mm×200mm×190mm，有三個(gè)長(zhǎng)方形孔洞，保溫板厚度 30mm，保溫層將混凝土集料分割成兩段，結(jié)合處做成鋸齒形，以加強(qiáng)結(jié)合力。

圖7???????????????????????????? 圖8

（1）保溫層所在層的熱阻計(jì)算

在圖7、圖8 中，砌塊內(nèi)保溫層所在的垂直于熱 流方向的砌塊體積即可以作為一個(gè)層來計(jì)算，無(wú)保溫層的空心砌塊中保溫層所在層的熱阻計(jì)算包括肋在內(nèi)，計(jì)算得出兩種砌塊保溫層所在層的熱阻值見表5。

表5? 兩種砌塊保溫層所在層的熱阻值

砌塊

圖 7

圖8

保溫層所在層的熱阻值（m2·K/W）

0.276

0.732

（2）空氣間層所在層的熱阻計(jì)算

在圖7砌塊中，除內(nèi)插填充保溫材料孔洞層外，還有兩層空氣間層，即較大的孔和較小的孔，熱阻分別用R1s和 R2s表示。其所在層有兩個(gè)：以較大孔厚度垂直熱流方向的砌塊體積組成的層和較小孔厚度垂直于熱流方向的砌塊體積組成的層。這兩層的熱阻分別用R1s'和R2s'表示，

在圖8 砌塊中，其較大的空氣層（即長(zhǎng)方孔）和較小的空氣間層（即中間方孔）的熱阻分別用R2a? 和R2b表示。它們共同處于一個(gè)層內(nèi)，這層的熱阻用R2'表示。以上空氣間層及其所在層的熱阻值計(jì)算結(jié)果見表6，砌塊熱阻的理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果見表7.

表6?? 各空氣間層及其所在層的熱阻值

各空氣間層及各所在層

R1s

R2s

R1s'

R2s'

R2s'

R2a

R2b

熱阻（m2·K）/W

0.195

0.197

0.104

0.041

0.228

0.284

0.152

表7? 砌塊熱阻的理論計(jì)算、數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果

砌塊種類砌塊熱阻（m2·K/W）

圖7

圖 8

理論計(jì)算結(jié)果

0.587

0.693

試驗(yàn)結(jié)果

0.548

0.653

4.2? 砌塊的熱工性能分析

（1）圖7砌塊的保溫層使砌塊的整體熱阻略有提高，但相對(duì)于圖8砌塊來說，保溫效果不明顯，這是由于內(nèi)插保溫層形式不同造成的。由于肋的存在而造成的熱橋，使得大量熱流繞開了熱阻較大的保溫層，從熱阻相對(duì)小得多的肋通過，這樣就大大削弱了保溫層的保溫效果，使內(nèi)插保溫層幾乎形同虛設(shè)。

（2）相對(duì)于圖7砌塊而言，圖8砌塊由于去掉了肋結(jié)構(gòu)，使熱流的通過沒有了肋這條捷徑，保溫層的作用得到較好發(fā)揮，有效增加了保溫層所在層的熱阻，從而使整個(gè)砌塊的熱阻有所提高。

（3）相對(duì)于空氣間層來說，兩砌塊保溫層所在層的熱阻相差甚遠(yuǎn)，這成為導(dǎo)致砌塊熱工性能差異的主要因素。

（4）空氣間層越厚，其熱阻未必越大。在圖7砌塊中，較小空氣間層的熱阻反而比較大空氣間層的略大。這是由于空氣間層厚度較小時(shí)，增加其厚度可以有效減少間層的導(dǎo)熱量，增加間層的熱阻;而當(dāng)厚度達(dá)到一定程度后，如果厚度繼續(xù)增加，雖然導(dǎo)熱量繼續(xù)減少，但間層內(nèi)部空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)的加劇，使得間層的對(duì)流傳熱量大大增加，逐漸抵消了導(dǎo)熱傳熱量的減少量，使得間層熱阻增加越來越少，甚至開始降低;如果空氣間層的厚度過大，還會(huì)在一定程度上減少砌塊的容重，使砌塊的蓄熱能力下降，影響其熱工性能。

（5）圖7砌塊中較小空氣間層所在層的熱阻之所以小于較大空氣間層所在層的熱阻，是由 于其間層周圍共存在5條直肋，為熱流的通過提供了便捷的途徑。

5.結(jié)論

對(duì)混凝土空心砌塊熱工性能的改善，可以分別從砌塊外部和內(nèi)部著手。可以采用在砌塊外部添加保溫材料或用保溫輕質(zhì)砂漿抹灰等方式，也可以采用改進(jìn)砌塊空氣層的排布、向空氣間層填充保溫材料及將砌塊兩邊肋用導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料代替等方式。根據(jù)熱工性能的試驗(yàn)結(jié)果分析，對(duì)有保溫層砌塊的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn)，砌塊的熱工性能有所改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

（Biography）：林濤（1969-），女（漢族），湖南長(zhǎng)沙人，建筑學(xué)碩士，長(zhǎng)沙學(xué)院副教授，主要從事建筑設(shè)計(jì)及其理論研究。

*湖南省科技廳科學(xué)研究項(xiàng)目：湖南地區(qū)內(nèi)置保溫層混凝土空心砌塊研究，項(xiàng)目編號(hào)：2013GK3073