混凝土空心砌塊墻體熱傳遞性能研究

混凝土空心砌塊墻體熱傳遞性能研究

混凝土空心砌塊是世界上受歡迎的新型建筑材料。它具有節(jié)約土、節(jié)能、高科技、施工方便、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但是普通單、雙排孔混凝土空心砌塊墻體熱工性能達(dá)不到目前建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求,其主要問(wèn)題是墻體的熱阻值過(guò)低。研究資料表明:190mm厚單排孔混凝土空心砌塊墻體的熱阻值,僅相當(dāng)于140mm當(dāng)量的粘土磚墻;190mm厚雙排孔混凝土空心砌塊墻體的熱阻值,僅相當(dāng)于200mm當(dāng)量的粘土磚墻。本文通過(guò)對(duì)不同塊型和砌筑灰縫形式的混凝土空心砌塊墻體傳熱阻的測(cè)試,分析混凝土空心砌塊墻體的熱傳遞方式,找出影響墻體熱工性能的主要因素,提出經(jīng)濟(jì)有效改善混凝土空心砌塊墻體熱工性能的措施。1混凝土空心斑塊墻體保溫隔熱劑的研制研究傳熱過(guò)程是由導(dǎo)熱、熱對(duì)流、熱輻射3種基本形式組成,傳熱現(xiàn)象無(wú)處不在,存在溫差就會(huì)出現(xiàn)傳熱。在混凝土空心砌塊墻體中,生產(chǎn)砌塊的原料主要是碎石混凝土,其導(dǎo)熱系數(shù)為1.5W/m.k,是普通粘土磚導(dǎo)熱系數(shù)的兩倍。由于受力的需要,混凝土砌塊必須有一定寬度的壁肋,這就形成了熱流密集的通道,即所謂的“熱橋”,同時(shí)孔洞中的空氣在冷熱面溫差作用下產(chǎn)生對(duì)流。所以普通的混凝土空心砌塊雖然有很大的空洞率,但其保溫隔熱效果并不好。混凝土空心砌塊墻體的熱工性能,包含砌筑砂漿在內(nèi)(不含兩側(cè)抹灰層),由混凝土壁肋、孔洞和砌筑砂漿部分決定,一般用熱阻R和熱惰性指標(biāo)D表示。它不僅取決于砌塊材料本身的熱工性能,還與砌塊的尺寸、孔洞排數(shù)、排列方式及灰縫砌筑砂漿有很大的關(guān)系,所以要改善混凝土空心砌塊的熱工性能,最經(jīng)濟(jì)有效的途徑是改進(jìn)塊型及砌筑灰縫。本研究通過(guò)對(duì)不同塊型(尺寸、孔洞排數(shù)、排列方式)混凝土空心砌塊墻體傳熱阻的試驗(yàn)和分析,綜合考慮混凝土空心砌塊的強(qiáng)度、防水性能、生產(chǎn)工藝、施工操作等因素,提出保溫隔熱效果較優(yōu)的混凝土空心砌塊新塊型。其次在混凝土空心砌塊墻體砌筑灰縫中設(shè)置適當(dāng)?shù)目諝忾g層,通過(guò)灰縫處熱阻及傳熱系數(shù)測(cè)試和紅外熱像儀來(lái)綜合檢驗(yàn)該措施在解決混凝土空心砌塊墻體灰縫“熱橋”作用中的效果。2不同塊混凝土空心塊的冷熱性能試驗(yàn)2.1墻體傳熱系數(shù)和熱阻檢測(cè)在豐澤區(qū)新安江新型建筑材料廠加工成型四種塊型的混凝土空心砌塊如圖1、圖2、圖3、圖6所示,經(jīng)養(yǎng)護(hù)后送至華僑大學(xué)土木工程學(xué)院建材試驗(yàn)室砌成1.4m×1.4m的墻體,采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑節(jié)能儀表研究室研制生產(chǎn)的BES-D熱箱式圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測(cè)裝置測(cè)試墻體的傳熱系數(shù)和熱阻,如圖4。2.2墻體溫度測(cè)試將樣品砌塊砌筑在恒溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi),由于試驗(yàn)墻體含濕量的大小會(huì)對(duì)其熱工性能造成影響,墻體砌筑完成后放置7d,用電風(fēng)扇吹風(fēng)至砌塊干燥后方進(jìn)行測(cè)試。用巖棉材料填實(shí)與熱箱間的縫隙;布置墻體內(nèi)外表面的溫度測(cè)點(diǎn),每個(gè)表面布置9個(gè)測(cè)點(diǎn);將熱箱溫度設(shè)置在40.8℃左右,環(huán)境溫度恒定在20±0.5℃。達(dá)到穩(wěn)定后,用溫度巡檢儀記錄表面溫度數(shù)據(jù),檢測(cè)儀根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度、熱流密度自動(dòng)計(jì)算出墻體傳熱阻。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1心空心磚的熱阻表1列出(290mm×180mm×190mm)規(guī)格尺寸的單排孔(圖1)、雙排孔(圖2)、三排孔(圖3)三種不同塊型砌塊墻體熱阻的測(cè)試結(jié)果,可以看出混凝土空心砌塊的熱阻與其孔洞的排列數(shù)有關(guān),相同配合比的砌塊,單排孔砌塊的熱阻最小,為0.2m2.K/W,隨著孔洞排列數(shù)增多,熱阻增加。三排孔砌塊空心率只有30%～40%,但其保溫隔熱性卻顯著提高,其熱阻值為0.45m2.K/W,相比較而言,砌塊熱阻增加了125%。因此,在滿足砌塊的壁肋厚生產(chǎn)工藝要求的前提下,增加孔洞排列數(shù),有助于增強(qiáng)混凝土空心砌塊的保溫隔熱性能。3.2空心斑塊厚度對(duì)墻體熱阻的影響普通混凝土熱阻要遠(yuǎn)小于空氣層的熱阻,而空氣層的熱阻與其厚度有關(guān),因此增加空氣層或空氣層厚度可提高混凝土空心砌塊的熱阻。通過(guò)對(duì)(290mm×180mm×190mm)規(guī)格尺寸的三排孔(厚,圖3)和三排孔(薄,圖6)兩種相同配合比、不同壁厚(不同空氣間層厚度)砌塊熱阻對(duì)比試驗(yàn),從表2可以看出:當(dāng)砌塊壁肋厚由28mm減少至19mm,空氣間層厚度(孔寬)由23mm增加到36mm時(shí),砌塊墻體傳熱阻有大幅度的提高,墻體平均熱阻由0.45m2.K/W增加到0.58m2.K/W,增加了29%。研究表明:用空氣作空心砌塊的保溫隔熱層有其一定的規(guī)律性,并不像其它材料那樣隨著厚度增加而線性增加,當(dāng)空氣層的厚度超過(guò)40mm時(shí),其熱阻值增加極少。圖5中示出了空氣層熱阻與其厚度的關(guān)系。值得注意的是,為滿足受力需要,抵消因砌塊壁肋厚度減少帶來(lái)的砌塊強(qiáng)度降低的影響,需大幅度提高混凝土砌塊的水泥用量,從而使得砌塊密實(shí)度增加,這有益于提高砌塊外墻的抗?jié)B性。當(dāng)然提高水泥用量會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本的提高,因此就生產(chǎn)應(yīng)用而言,確定砌塊的壁肋厚度應(yīng)綜合考慮砌塊強(qiáng)度、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)成本、施工和熱工性能等方面。3.3利用空氣之間的層減小灰裂縫的“熱橋”功能采用紅外熱成像儀對(duì)砌塊墻體溫度進(jìn)行檢測(cè),圖7示出砌筑灰縫處溫度比砌塊處高2～3℃,灰縫處是傳熱的“熱橋”。3.3.1豎向灰縫的熱阻測(cè)試采用180三排孔砌塊(薄,圖6)進(jìn)行測(cè)試,該砌塊頂面開(kāi)口,砌墻后在豎向灰縫中間形成36mm厚的空氣間層(圖8),在墻體豎向灰縫處布置熱流計(jì)和溫度測(cè)點(diǎn),測(cè)試結(jié)果(表3):豎向灰縫處傳熱系數(shù)2.32W/(m2?K),熱阻0.277m2·K/W;而相對(duì)應(yīng)利用180雙排孔砌塊墻體(圖2)進(jìn)行測(cè)試,該砌塊不帶頂面開(kāi)口,測(cè)試結(jié)果(表3):豎向砌筑灰縫灰縫處傳熱系數(shù)2.88W/(m2?K),熱阻0.196m2?K/W。試驗(yàn)表明:在砌塊頂面設(shè)置開(kāi)口孔,利用空氣間層提高豎向灰縫處的熱阻,可以起到部分阻斷豎向砌筑灰縫熱橋效應(yīng)的作用。3.3.2熱阻檢測(cè)結(jié)果同樣的在水平灰縫中引入空氣間層,利用空氣間層增加砌筑灰縫處熱阻也是可行的。試驗(yàn)分別砌筑了兩片試驗(yàn)墻,一為水平灰縫砂漿不滿鋪,留置出凹槽(圖9),另一是水平灰縫砂漿滿鋪。在水平灰縫處布置熱流計(jì)和溫度測(cè)點(diǎn),檢測(cè)結(jié)果為(表4):留置凹槽的試驗(yàn)墻體,水平灰縫處傳熱系數(shù)為1.723W/(m2?K),熱阻為0.437m2?K/w;而水平灰縫砂漿滿鋪的試驗(yàn)墻體,水平灰縫處傳熱系數(shù)為1.851W/(m2?K),熱阻為0.391m2?K/w。試驗(yàn)結(jié)果表明,在水平灰縫處設(shè)置空氣間層可以提高水平灰縫處的熱阻,起到部分阻斷水平灰縫“熱橋”效應(yīng)的作用。從紅外熱像儀檢測(cè)出的溫度值比較圖也可以看出,留置水平灰縫凹槽的墻體,灰縫溫度值比未留置凹槽的墻體低,說(shuō)明灰縫留置空氣層對(duì)于降低墻體內(nèi)表面溫度是有利的。4空氣間層缺失熱阻(1)增加砌塊孔洞排數(shù),以孔來(lái)隔斷肋壁“熱橋”,延長(zhǎng)混凝土空心砌塊的熱流路線;適當(dāng)減小孔壁厚度,增大孔洞厚度,利用空氣間層