新型混凝土内置保温层空心砌块热工性能研究

摘要：對普通混凝土空心砌块的热工性能进行理论研究，从复合不同保温材料、形式及具体构造几方面对其进行优化，并对优化结果进行热阻理论分析，针对不同的改进措施提出合理建议。

关键词：热工性能;保温材料;热阻

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

混凝土砌块是由可塑的混凝土加工而成，其形状、大小随模具不同而异，既是一种新型墙体材料，又是一种多用途的新型建筑材料。混凝土小型空心砌块作为新型墙体材料取代粘土砖，关键问题之一就是在满足力学性能要求的同时，满足《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93）和居住建筑节能设计标准要求。在北方寒冷地区采用混凝土小型空心砌块作为承重墙体，解决防寒、保暖等措施，大多采用外泡沫混凝土砌块或加气混凝土砌块，砌筑墙体较厚，造价高，房屋的有效使用面积减少，国外也常采用此项技术。湖南地区既要解决防寒问题，同时要解决隔热、隔声、防裂、防渗等问题，特别是目前该地区采用的普通混凝土小砌块，经热工计算和研究测试，未能满足《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93）的有关要求，新的混凝土小砌块建筑技术规程正在修订中，也编入了有关热工、节能条款，因此，有必要研究该地区新型混凝土保温砌块的性能。

2.混凝土空心砌块传热系数K的理论计算

考虑到建筑模数与习惯，以及材料热阻随材料厚度的增大而增加，并且增多孔洞排数也可以增加材料的热阻，参考《普通混凝土小型空心砌块》（GB8239—1997）的有关规定，同时要遵循方便施工的原则，本研究采用390mm×190mm×190mm四排孔混凝土砌块。若将四排孔混凝土砌块作为一个均质材料看待，则实测后推算出该砌块的导热系数λ1为0.329W/（m·K），再在考虑砌筑砂浆、抹面（石膏）砂浆的导热系数的基础上，以砂浆粉刷厚度作为变量，计算出四排孔混凝土砌块墙体的平均传热系数 K的理论值，见表1.

表1 190 厚四排孔砌块墙体平均传热系数 K 的理论计算值

内粉刷砂浆厚度（mm）

外粉刷砂浆厚度（mm）

内粉刷砂浆的λ[W/（m·K）]

外粉刷砂浆的λ[W/（m·K）]

墙体K值理论计算值[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.复合不同保温材料对空心砌块热工性能的影响

由于采用单一的保温形式已经无法满足日益提高的节能标准，复合保温必将成为建筑节能的发展趋势。在空心砌块内部插放和填充保温材料是复合保温墙体的典型做法之一，然而填充不同的保温材料以及插放和填充的形式不同，砌块的热工性能也不同。

目前常用的保温材料有：保温砂浆、挤塑聚苯乙烯板（XPS）、膨胀聚苯乙烯板（EPS）、轻集料混凝土、泡沫混凝土、硬泡聚氨酯等。采用内插、填充等方式将常见的保温材料与空心砌块复合而成的新型保温砌块，见图 1～图5。

圖1  内插EPS板的混凝土空心砌块

圖2  内插XPS的混凝土空心砌块

图3  填充泡沫混凝土的混凝土空心砌块

图4  填充硬泡聚氨酯的混凝土空心砌块

图5  填充保温砂浆的混凝土空心砌块

3.1.复合砌块热阻的理论计算

（1）空气间层所在层的热阻计算

在无保温层的混凝土空心砌块中，除内插填充保温材料孔洞层外，还有两层空气间层。由于两层孔洞结构相同，其空气层热阻也相同，均为Rgs，Rc表示空气间层之间肋的热阻，Rd表示砌块中空气间层的热阻。以上空气间层及其所在层的热阻值见表2。

表2  各空气间层及其所在层的热阻值

各空气间层及各所在层

Rc

Rd

Rgs

热阻（m2·K/W）

0.156

0.175

0.09

由于 5 种类型的砌块孔洞结构相同，尤其是空气层孔洞结构也相同，所以各型号空心砌块空气层的热阻相同，主要区别在于空心砌块内插或填充的保温层的热阻不同。

（2）保温层所在层的热阻计算

在图1～图5 中，砌块保温层所在的垂直于热流方向的砌块体积即可作为一个层来计算。内插EPS板的混凝土空心砌块中，保温层所在层的热阻计算包括几条肋在内。由于5种砌块的保温层填充方式和孔洞都相同，所以计算也类似，只是保温层热阻不同。根据计算得出的5种砌块保温层所在层的热阻值见表3。

表3  5种砌块的保温层所在层的热阻值

砌块

内插 EPS板空心砌块

内插XPS板空心砌块

填充泡沫混凝土的空心砌块

填充硬泡聚氨酯的空心砌块

填充保温砂浆的空心砌块

保温层所在层的热阻（m2·K/W）

0.271

0.352

0.207

0.412

0.228

3.2 砌块的热工性能分析

根据上述计算可推出砌块的理论计算值，并采用JW-1墙体及玻璃制品保温性能检测装置对各空心砌块砌体进行稳态热工性能试验。试验数据和理论数据见表4。

表4  砌块热阻的理论计算、数值模拟和试验结果

砌块种类

砌块热阻

（m2·K/W）

无保温层

的空心砌块

内插EPS板

空心砌块

内插XPS 板

空心砌块

填充泡沫混凝土

的空心砌块

填充硬泡聚氨酯

的空心砌块

填充保温砂浆

的空心砌块

理论计算结果

0.43

1.26

1.30

0.96

1.81

1.03

试验结果

0.25

1.05

1.15

0.85

1.50

0.95

从结果中可以看出：所研究砌块的理论计算结果与试验结果有一定差别，但在一定程度上理论计算仍可反映实际情况，满足工程分析的要求。造成砌块热阻理论计算结果与试验结果有差距的主要原因是，理论计算的近似性及所参考的热物性数据与试验砌块真正的物理数据有所差异等。

从砌块热阻试验结果可以总结出各砌块的异同之处如下：

（1）有保温层和无保温层的砌块热阻相差较大。

（2）各组填充不同保温材料砌块的热阻值各不相同，与其填充的保温材料热工性能有关，保温材料导热系数 越小，热阻值越高，用其填充的空心砌块热阻值也最高。

（3）由表3可知，填充硬泡聚氨酯的砌块热阻值 最高，即保温性能最好。其次是内插 XPS 板和 EPS 板 的砌块，由于XPS 板的导热系数比 EPS 板的导热系数 低，其复合砌块的热阻值也表现出一定差异。

（4）由表3 可知，填充保温砂浆的砌块与填充泡沫混凝土的砌块热阻相近。这两种材料的导热系数都受生产配比和成型工艺的影响，很难保证其热工性能的稳定性。

4.保温材料不同填充形式对空心砌块热工性能的影响

4.1保温材料不同填充形式空心砌块热阻的理论计算

两种内插 EPS 保温板空心砌块，如图7、图8。图7砌块规格为 390mm×200mm×190mm，两排孔，即上部四个小孔和下部两个大孔，中部肋高500mm，肋上插有 EPS 板，厚度40mm。图 8砌块规格为390mm×200mm×190mm，有三个长方形孔洞，保温板厚度 30mm，保温层将混凝土集料分割成两段，结合处做成锯齿形，以加强结合力。

图7                             图8

（1）保温层所在层的热阻计算

在图7、图8 中，砌块内保温层所在的垂直于热 流方向的砌块体积即可以作为一个层来计算，无保温层的空心砌块中保温层所在层的热阻计算包括肋在内，计算得出两种砌块保温层所在层的热阻值见表5。

表5  两种砌块保温层所在层的热阻值

砌块

图 7

图8

保温层所在层的热阻值（m2·K/W）

0.276

0.732

（2）空气间层所在层的热阻计算

在图7砌块中，除内插填充保温材料孔洞层外，还有两层空气间层，即较大的孔和较小的孔，热阻分别用R1s和 R2s表示。其所在层有两个：以较大孔厚度垂直热流方向的砌块体积组成的层和较小孔厚度垂直于热流方向的砌块体积组成的层。这两层的热阻分别用R1s'和R2s'表示，

在图8 砌块中，其较大的空气层（即长方孔）和较小的空气间层（即中间方孔）的热阻分别用R2a  和R2b表示。它们共同处于一个层内，这层的热阻用R2'表示。以上空气间层及其所在层的热阻值计算结果见表6，砌块热阻的理论计算与试验结果见表7.

表6   各空气间层及其所在层的热阻值

各空气间层及各所在层

R1s

R2s

R1s'

R2s'

R2s'

R2a

R2b

热阻（m2·K）/W

0.195

0.197

0.104

0.041

0.228

0.284

0.152

表7  砌块热阻的理论计算、数值模拟和试验结果

砌块种类砌块热阻（m2·K/W）

图7

图 8

理论计算结果

0.587

0.693

试验结果

0.548

0.653

4.2  砌块的热工性能分析

（1）图7砌块的保温层使砌块的整体热阻略有提高，但相对于图8砌块来说，保温效果不明显，这是由于内插保温层形式不同造成的。由于肋的存在而造成的热桥，使得大量热流绕开了热阻较大的保温层，从热阻相对小得多的肋通过，这样就大大削弱了保温层的保温效果，使内插保温层几乎形同虚设。

（2）相对于图7砌块而言，图8砌块由于去掉了肋结构，使热流的通过没有了肋这条捷径，保温层的作用得到较好发挥，有效增加了保温层所在层的热阻，从而使整个砌块的热阻有所提高。

（3）相对于空气间层来说，两砌块保温层所在层的热阻相差甚远，这成为导致砌块热工性能差异的主要因素。

（4）空气间层越厚，其热阻未必越大。在图7砌块中，较小空气间层的热阻反而比较大空气间层的略大。这是由于空气间层厚度较小时，增加其厚度可以有效减少间层的导热量，增加间层的热阻;而当厚度达到一定程度后，如果厚度继续增加，虽然导热量继续减少，但间层内部空气对流运动的加剧，使得间层的对流传热量大大增加，逐渐抵消了导热传热量的减少量，使得间层热阻增加越来越少，甚至开始降低;如果空气间层的厚度过大，还会在一定程度上减少砌块的容重，使砌块的蓄热能力下降，影响其热工性能。

（5）图7砌块中较小空气间层所在层的热阻之所以小于较大空气间层所在层的熱阻，是由 于其间层周围共存在5条直肋，为热流的通过提供了便捷的途径。

5.结论

对混凝土空心砌块热工性能的改善，可以分别从砌块外部和内部着手。可以采用在砌块外部添加保温材料或用保温轻质砂浆抹灰等方式，也可以采用改进砌块空气层的排布、向空气间层填充保温材料及将砌块两边肋用导热系数较小的材料代替等方式。根据热工性能的试验结果分析，对有保温层砌块的内部构造进行改进，砌块的热工性能有所改进。

参考文献：

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[6]王继唐，混凝士小型空心砌块热工性能计算方法的探讨[J]，建筑技术，2008（6）

作者简介：

（Biography）：林涛（1969-），女（汉族），湖南长沙人，建筑学硕士，长沙学院副教授，主要从事建筑设计及其理论研究。

*湖南省科技厅科学研究项目：湖南地区内置保温层混凝土空心砌块研究，项目编号：2013GK3073