基于ANSYS軟件秸稈生態夾芯復合外掛墻板熱工性能研究

肖力光，李紀良

（吉林建筑大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130118）

0 引 言

外墻板作為裝配式鋼結構的外圍護結構，是建筑熱量傳導的第1道防線[1]，在建筑能耗中，外圍護結構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合墻體，自身的保溫性能與保溫層及內外葉墻板的導熱系數有關。秸稈、粉煤灰作為農業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，導熱系數減小，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品，將其用于水泥基材料對于提高力學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外葉墻板，按GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》計算保溫層厚度，通過ANSYS有限元分析軟件對秸稈生態夾芯復合外掛墻板（以下簡稱復合墻板）的熱工性能進行數值模擬，分析不同內外葉墻板厚度、EPS保溫板厚度對復合墻板熱工性能的影響，為復合墻板的進一步試驗研究提供參考。

1 秸稈水泥基內外葉墻板的制備

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，“鼎鹿”牌，吉林亞泰集團生產；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%硅藻土等質量替代水泥，測試空白組及摻加活性摻合料組的導熱系數。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，抽真空后充入氮氣以使秸稈纖維在高溫狀態下不燃燒。設置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，碳化結束后，降低爐內氣壓及爐內溫度，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熱性能的影響，導熱系數參照GB/T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》進行測試。

2 試驗結果與分析

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，硅藻土原土雜質較多，表面空隙被嚴重覆蓋，經高溫煅燒后大量微孔裸露在表面，可清晰地看到孔隙有規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

經測試，空白組及摻加活性摻合料組的導熱系數分別為0.4221、0.4367 W/（m·K），可見摻加活性摻合料后導熱系數稍有增大，這主要是因為粉煤灰和硅藻土在小摻量下，經研磨后粒徑變小，硅藻土經高溫煅燒后，自身含有的動植物殘體及其雜質被分解，轉變成小分子物質揮發掉，導致復合材料內部非常致密，空隙率減小，導熱系數增大。

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小；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，其質量損失率也在逐漸增大，在低于220℃時，碳化10 min和15 min其質量損失不大，質量損失率比較接近；當溫度超過220℃時，秸稈纖維質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，質量損失發生了急劇增大的過程；超過240℃時，各個碳化溫度下質量損失變化已不明顯。在整個溫度區間內，碳化時間10 min及15 min質量損失比較接近，20 min及25 min質量損失較大。

圖4 秸稈表面碳化時間和碳化溫度對質量損失率的影響

圖5為秸稈纖維碳化處理前后秸稈纖維摻量對復合材料導熱系數的影響。

圖5 秸稈纖維碳化處理對復合材料導熱系數的影響

由圖5可以看出，原秸稈與表面碳化秸稈對復合材料導熱系數的影響趨勢一致，隨著秸稈纖維摻量的增加，導熱系數逐漸減小，這是因為秸稈纖維摻量較少時，板內氣孔較多與外界形成空氣對流，空氣的換熱系數大于秸稈纖維的傳熱系數，所以導熱系數較大。當秸稈纖維摻量較多時，板內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，導致與外界形成不了對流，導熱系數減小。秸稈纖維經過碳化處理后導熱系數會比未處理的低，但摻量達到7%時差距已不是很明顯。這是因為秸稈纖維經過碳化后孔隙結構發生改變。

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，摻加到水泥基復合材料中孔隙內充有流動性氣體，形成不良導體，使導熱系數減小。

3 有限元數值模擬

3.1 墻板模型

本文中秸稈生態夾芯復合外掛墻板主要用于城鎮低層（1~2層）的裝配式鋼結構建筑中，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GB 50176—2016確定；鋼絲網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；斜向鋼絲與內外葉墻板內的鋼絲網片連接成外掛墻板的鋼絲骨架，生態外掛墻板的內、外葉墻板及鋼絲骨架模型見圖7。

圖7 復合墻板的內、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三維穩態熱分析模式，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。根據熱傳導的特性，選擇軟件中熱傳導實體單元，其中內外葉墻板和EPS保溫層板采用三維八節點SOLID70單元，鋼絲采用三維二節點LINK33單元，網絡劃分中采用共用節點的方式進行SOLID70單元和LINK33單元的劃分，內外葉墻板及保溫層單元尺寸設置為30 mm，鋼絲的單元尺寸設置為20 mm。

傳熱分析的邊界條件通常有3類[6]：第1類邊界條件，規定了物體的邊界溫度；第2類邊界條件，規定了物體的邊界熱流量；第3類邊界條件，規定了物體的表面傳熱系數和對應溫度。本文根據墻體的傳熱過程及已知條件采用第3類邊界條件，根據GB/T 13475—2008《絕熱穩態傳熱性質的測定標定和防護熱箱法》規定及《實用供熱空調設計手冊》，墻板兩側的溫度不應小于20℃，墻板的初始溫度統一取20℃，墻體內、外表面對流換熱系數分別為8.7、23.0 W/（m2·K）。長春地區冬季室內外計算參數為：室內空氣溫度22℃，室外空氣溫度-15℃。ANSYS建模計算過程中各組成材料內外葉墻板、EPS保溫層、鋼絲的導熱系數取值分別為0.2704、0.033、46.52 W/（m·K）。

4 模擬結果與分析

4.1 不同EPS保溫層厚度對復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的影響，EPS保溫層厚度分別取120、100、80 mm，內外葉墻板厚度為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的影響見圖11。

圖10 80 mm厚EPS復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，墻板的傳熱系數逐漸減小，且變化較明顯，均滿足吉林地區農村居住建筑節能65%設計標準對圍護結構傳熱系數的限值要求[≤0.50 W/（m2·K）]；當EPS保溫層厚度為120 mm時，傳熱系數為0.264 W/（m2·K），滿足吉林地區農村居住建筑節能75%設計標準對圍護結構傳熱系數的限值要求[≤0.30 W/（m2·K）]。由于斜向鋼絲連接件的存在，連接件附近墻體產生熱橋效應，使熱量在墻體中的傳遞呈現多維效應，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復合墻板溫度云圖及熱流密度矢量圖

圖9 100 mm厚EPS復合墻板溫度云圖及熱流密度矢量圖

圖11 EPS保溫層厚度對復合墻板傳熱系數的影響

4.2 不同內外葉墻板厚度對復合墻板熱工性能的影響

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

圖12 30 mm厚內外葉墻板的復合墻板溫度云圖及熱流密度矢量圖

圖13 40 mm厚內外葉墻板的復合墻板溫度云圖及熱流密度矢量圖

圖14 內外葉墻板厚度對復合墻板傳熱系數的影響

由圖12～圖14可以看出，隨著內外葉墻板厚度的增加，傳熱系數有所減小，但減小幅度不明顯，這是因為內外葉墻板的導熱系數遠大于EPS保溫層的導熱系數，其熱阻占墻板總熱阻比例較小，所以增加內外葉墻板的厚度對傳熱系數的影響較小，但不同內外葉墻板厚度的傳熱系數均滿足吉林地區農村居住建筑節能65%設計標準對圍護結構傳熱系數的限值要求[≤0.50 W/（m2·K）]，內外葉墻板厚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，導熱系數逐漸減小，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，墻板的傳熱系數逐漸減小，當EPS保溫層厚度為120 mm時，復合墻板的傳熱系數為0.264 W/（m2·K），滿足吉林地區農村居住建筑節能75%設計標準對圍護結構傳熱系數的限值要求[≤0.30 W/（m2·K）]。

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