含水率对轻质烧结页岩砖及墙体热工性能的影响

黄榜彪，张贝，黄秉章，廖天权，李治，刘阳，卢强，盛琪

（1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西 柳州 545006；2.华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074；3.College of Civil Engineering and Surveying，University of Portsmouth，Portsmouth pol 2ah，England）

含水率对轻质烧结页岩砖及墙体热工性能的影响

黄榜彪1，2，张贝1，黄秉章3，廖天权1，李治1，刘阳1，卢强1，盛琪1

（1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西 柳州 545006；2.华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074；3.College of Civil Engineering and Surveying，University of Portsmouth，Portsmouth pol 2ah，England）

通过含水率对轻质烧结页岩砖、保温砂浆、普通砂浆导热系数影响试验和理论分析，并研究含水率对抹灰厚度为10、20 mm的普通砂浆和保温砂浆墙体的传热系数影响。提出符合3种墙体材料导热系数与含水率的拟合计算公式，当含水率平均每增加1%时，则1#、2#、3#、4#墙体的传热系数分别增大1.75%、1.55%、1.65%和1.73%；抹灰厚度每增加10 mm，普通砂浆和保温砂浆抹面砌筑的墙体传热系数平均减小0.52%、7.07%。

含水率；轻质烧结页岩砖；普通砂浆，保温砂浆，传热系数

0 前言

建筑节能是我国节能战略目标重要组成部分，以木屑为代表的有机质废料掺入到页岩粉中，以煤粉等为辅料，经粉碎、筛分、搅拌、干燥、焙烧制成自重轻、开裂少、耐久性好的轻质烧结页岩砖，减少有机质废料露天焚烧产生的雾霾并提高资源利用效率，促进我国自保温节能墙体的发展及建筑节能工作的开展[1]。本课题组已经对轻质烧结页岩砖的研究有一定的基础，对其物理力学性能研究取得了一定的成果，因此本文探究含水率对轻质烧结页岩多孔砖热工性能的影响，为提高建筑节能具有一定意义[2-7]。

在目前规范中对墙体传热系数的计算公式中并没有考虑含水率对材料导热性能的影响，其规定条件为绝干状态下测其导热系数，然而实际工程中轻质烧结页岩多孔砖属于多孔性材料，具有较强的吸水性，受潮时影响其热工性能，因此含水率对材料及墙体的热工参数有一定影响。了解到含水率对其影响原理，有利于墙体材料的选择，通过防潮措施以保证保温隔热材料中水分维持在较低水平，以此降低墙体的热量传递，减少能耗[8]。

1 试验

1.1 试验用砖

页岩：来自于和平村页岩采集地，主要成分为SiO252.10%、Al2O325.12%、Fe2O310.63%、CaO 1.28%、MgO 1.65%、烧失量9.03%。木屑和蔗渣来自于广西木料加工厂和糖厂，将页岩和木屑（或蔗糖渣）烘干2.5h后采用球磨机粉碎至合理的颗粒级配，木屑粉末的颗粒级配见表1。煤灰：市购，过45 μm筛。

表1 木屑粉末的颗粒级配

将页岩和木屑（或蔗糖渣）与煤灰按m（页岩）∶m（木屑或蔗糖）∶m（煤灰）=60∶10∶30混合均匀，加水搅拌制成砖坯（240 mm×115 mm×90 mm），并经干燥、焙烧、降温冷却。采用SX2-10-13型高温梯度炉烧结，分3个阶段：干燥预热阶段温度范围400℃之前，以温度为4℃/min升温，蒸发砖坯表面的自由水分；加热阶段温度范围为400～900℃，有机辅料达到燃点，开始燃烧分解；烧结阶段为900～1150℃，砖颜色从灰色变成红褐色；冷却阶段为最高温降至常温，其速率为100℃/h。多孔砖模见图1，烧结后的轻质烧结页岩砖见图2。

图1 多孔砖模

图2 轻质烧结页岩砖

1.2 导热系数的测试

本试验采用矩形孔轻质烧结页岩砖，孔洞分布3排，其外观尺寸和强度等级满足规范要求，使用的普通砂浆[m（水泥）∶m（砂）∶m（水）=1∶6.9∶1.57]和玻化微珠保温砂浆[m（料浆）∶m（水）∶m（骨料）=1∶0.8∶11.76]符合JGJ/T 98—2010《砌筑砂浆配合比设计规程》、GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》标准要求，试件尺寸为300 mm×300 mm×30 mm，采用智能化导热系数测定仪，对通过浸水处理得到的不同含水率轻质烧结页岩砖、普通砂浆和保温砂浆进行导热系数测试。

1.3 墙体试件制作

本试验利用矩形孔轻质烧结页岩砖砌筑4个墙体试件，其尺寸为1500 mm×1500 mm×240 mm，分别采用上述普通砂浆和保温砂浆砌筑墙体，砂浆的灰缝厚度为10 mm、横平竖直、均匀饱满，抹面厚度为10 mm、20 mm，各2组，分别标记为1#墙体（普通砂浆10 mm）、2#墙体（普通砂浆20 mm）、3#墙体（保温砂浆10 mm）、4#墙体（保温砂浆20 mm），按照图纸和施工在试件框内，其表面应粘贴聚苯乙烯泡沫板，并使用接缝剂将泡沫板、试件框和试件密封防止出现缝隙，影响实验测试数据。墙体置于常温室内养护28 d，并进行洒水处理防止收缩产生裂缝，见图3。墙体稳态热传递性质测试采用沈阳鑫科宇机电设备有限公司生产的防护箱设备，其设备分为计量箱、冷箱、防护箱和试件框、微机系统、制冷机组、鼻锥组成[9]。

对墙体进行传热系数进行测试，将墙体表面污渍、外凸的砂浆清理干净，量取温度传感器的空间坐标，并用直尺和墨斗在墙体冷热两面定位相应9个点坐标[见图3（b）]。将含水率测试仪置零，用探头接触墙体测含水率并记录数据。测试完后用铝箔纸布置墙面的9个传感器，先下后上确保传感器和墙面之间没有空隙，粘贴完毕后，收起连接各个温度传感器的电缆，防止合并箱体挤压到电缆，进行试验，平衡后系统间隔30 min自动采集数据，采集8次，得到含水率、平均温度、计量箱功率数据等。试验结束后，关闭设备电源，并将热箱、试件框、冷箱分开，拆除传感器使其恢复到初始状态，为减小试验前后墙体含水率的误差，打开仪器后再次测量其含水率，取前后2次平均值作为该试件的含水率，每个试件测试2次取平均值。

图3 墙体试件测试示意

2 结果与分析

2.1 材料导热系数原理和数据分析

材料的导热系数对墙体传热系数有影响，然而含水率对材料的导热系数也较为重要，因此将试件通过浸水处理得到不同含水率，检测结束，将试件取出即刻称取质量，通过试验结果对比分析含水率对导热系数的影响。在本文中对于材料导热系数的理论基础为几何平均模型，多孔介质为固、液、气三相状态的热量交换，其中λs、λw、λg分别为固体、液体和气体的导热系数，εs、εw、εg分别为固体、液体和气体体积与总体积之比，该理论公式为：

在实际工程中w与ε之间的关系可由下面等式推导：

式中：mw为水的质量，ms为固体的绝对干燥质量，ρw为水的密度，Vw为水的体积。

假设含水率为εw1、εw2的同种材料，其液体体积比例的增加等于对应为气体体积比例的减少，即可表达为：

因此，在2种体积状态下代入理论公式：

在绝热干燥条件下即w1=0，则三相状态下的多孔材料等效导热系数为：

轻质烧结页岩砖、普通砂浆和保温砂浆的实测导热系数分别见表2～表4，导热系数实测值与理论值的对比分别见图4～图6。

通过表2、表3、表4可得，当含水率w=0时，轻质烧结页岩砖的导热系数为λ0=0.3982，ms=3.075 kg，普通砂浆的导热系数λ0=0.6010，ms=5.072 kg，保温砂浆的导热系数λ0=0.0799，ms= 1.457 kg，且在绝对干燥状态下质量计算模型中的空气导热系数为0.026 W/（m·K），水的导热系数为0.608 W/（m·K），将代入理论公式中可得：

表2 轻质烧结页岩砖的实测导热系数

表3 普通砂浆的实测导热系数

表4 保温砂浆的实测导热系数

图4 轻质烧结页岩砖导热系数理论值与实测值对比

从图4、图5和图6可见，试验材料的导热系数随着含水率的增大而增大，从实测的导热系数曲线分布趋势看，含水率逐渐接近饱和时，导热系数的增长速率逐渐减小。对于轻质烧结页岩砖，当含水率增至34%时，导热系数相比绝热干燥状态下（含水率为0）增加了0.35 W/（m·K），当含水率逐渐增加超过21%后，实测值与理论值偏差逐渐增大。对于保温砂浆，当含水率增大至68%时，其导热系数相比绝热干燥状态下增加了0.15 W/（m·K），实测值与理论值最大偏差可达33%。对于普通砂浆而言，实测值与理论值偏差较大。

图5 普通砂浆导热系数理论值与实测值对比

图6 保温砂浆导热系数理论值与实测值对比

为使试验结果能真实反映实际情况，需对试验数据进行拟合，推导出近似函数关系式，因此，本文利用Origin软件得出拟合方程及曲线，即轻质烧结页岩砖、普通砂浆及保温砂浆的导热系数与含水率之间的拟合曲线分别见图7～图9。

轻质烧结页岩砖导热系数与不同含水率的拟合曲线方程为：y=0.0955x2+1.224x+0.3828

保温砂浆等效导热系数的拟合曲线方程为：

普通砂浆等效导热系数的拟合曲线方程为：

图7 轻质烧结页岩砖导热系数的拟合方程曲线

图8 普通砂浆导热系数的拟合方程曲线

图9 保温砂浆导热系数的拟合方程曲线

从图7可见，拟合曲线呈随着含水率增大导热系数也在增大的趋势，但其斜率在逐渐减小，在含水率为0～23.43%时，曲线的斜率＞1.0，增长速率较快，含水率为23.43%～29.16%，曲线的斜率为0.6～0.9；含水率在29.16%以上时，其斜率＜0.6。对于轻质烧结页岩砖拟合曲线的相关系数为0.9757，说明本次拟合曲线方程较好具有可靠性和有效性。从图8可见，普通砂浆拟合曲线呈现增长趋势，其导热系数的斜率也在减小，当含水率为0～9.8%时，曲线的斜率≥1.5，增长速率较快，含水率＞9.8%时，其斜率＜0.5，且随着水率的增加，拟合曲线斜率接近0，等效导热系数趋于稳定，该拟合曲线的相关系数为0.9924，表明拟合曲线方程的具有有效性。从图9可见，保温砂浆拟合曲线与上述2种材料曲线规律一致，在含水率为0～ 43%时，曲线的斜率＞0.5，斜率增大速率较快，当含水率为43%～62%，曲线的斜率为0.1～0.5；含水率在62%以上时，其斜率＜0.1，该曲线的相关系数为0.9540，表明该拟合曲线方程效果较好，具有有效性、可靠性。

2.2 墙体导热数据分析

根据GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》附录二中围护结构的传热阻Ro的计算公式：

式中：R——围护结构的热阻，m2·K/W；

Ri——内表面换热阻，取0.11 m2·K/W；

Re——外表面换热阻，取0.04 m2·K/W。

对于由2种以上材料组成的、两向非均质围护结构，为能反映出整个墙体的节能特征指标，在此引入墙体的平均传热系数其公式为：

F1、F2、F3、...、Fn——各材料所占的面积，m2；

λ1、λ2、λ3、...、λn——各材料的导热系数，W/（m·K）；

δ——抹面砂浆的厚度，m。

本实验中3种材料的导热系数通过测试其随含水率的变化拟合公式，对墙体的9个点坐标及其对应点进行试验前及试验后的含水率测试，并取平均值。

2.3 试验数据处理

在试件中有3种材料分别为：轻质烧结页岩砖、砌筑砂浆、抹灰砂浆，未抹灰墙体的厚度δ为0.24 m，试件的尺寸为1.5 m×1.5 m，其中砌筑砂浆的面积为F2=1.5×0.01×15+1.5×0.01× 5=0.3 m2，则轻质烧结页岩砖面积为F1=1.5×1.5-0.3=1.95 m2；墙体抹灰后的传热系数为：

根据抹面砂浆的厚度δ1得到各个墙体试件的传热系数理论值见表5。

表5 墙体传热系数的试验实测值与理论值

2.4 试验数据分析

从表5可得，墙体随着含水率的减小其传热系数减小，对于1#墙体，其含水率为14.33%时，传热系数的检测值为1.73W/（m2·K），当含水率为12.42%时，传热系数的检测值为1.66 W/（m2·K），含水率对材料的传热系数有较大的影响；对于2种不同的抹面砂浆，相同抹灰厚度下，普通砂浆的传热系数大于保温砂浆，即使普通砂浆的含水率较保温砂浆的低，但其传热系数仍较大；对于同种抹面砂浆、含水率基本相同的情况下，对1#墙体而言当抹灰厚度10 mm，平均传热系数的实测值为1.67 W/（m2·K），抹灰厚度为20 mm，传热系数的实测值为1.49 W/（m2·K），因此增加墙体厚度可以提高试件的传热系数。在试验中防护热箱法检测墙体的传热系数与理论值有差别，判别墙体的热工性能不能只依靠理论值，说明墙体传热是复杂综合的热量传递过程，为使理论计算结果具有可靠性与简便性，应对理论计算进行修正，其修正系数平均为1.41。

在理论计算中，墙体的传热系数是由墙体总热阻求得，是由墙体结构本身的热阻、内外墙体表面的换热热阻组成，但是表面换热热阻受到墙体材料表面的粗糙度、表面辐射特性、周围空气流动、墙体外表面与周围空气的温差等因素的影响，是一个复杂的动态过程。我们使用的理论计算方法，把墙体传热看成稳态过程，不受外界影响是一种理想化的计算模型。在试验过程中，每次组装试件后，合并箱体时箱体的密封程度、墙体与传感器粘结密实度、墙体表面的平整度等这些因素都会导致实测值与理论值存在一定的误差。当含水率平均每增加1%时，则1#、2#、3#、4#墙体的传热系数分别增大1.75%、1.55%、1.65%和1.73%，因此改善质烧结页砖墙体的防水防潮措施、使用较厚的保温砂浆可增大热阻，提高墙体的热工性能。

3 结论

（1）通过试验得到不同含水率下轻质烧结页岩砖、普通砂浆和保温砂浆的导热系数，并将实测结果与理论计算值进行对比，对试验数据进行拟合分析，得出两者间的关系式。

（2）通过对4面墙体传热系数的理论和试验对比分析，可知试验值比理论计算值偏大，并分析了其原因，对传热系数理论计算值进行修正，使其具有可行性和简便性，其修正系数为1.41。

（3）墙体的基层结构相同时，不同的含水率、外铺材料、厚度均会影响墙体的传热系数，因此在实际工程中，改善质烧结页砖墙体的防水防潮措施、使用较厚的保温砂浆可增大热阻，提高墙体的热工性能。

（4）影响墙体检测的因素较多，造成轻质烧结页岩砖的传热系数的实测值与理论值存在一定误差，因此检测时应保证墙体表面的平整度、墙体和传感器粘结的紧密及箱体的密封度等。

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[2]黄榜彪，景嘉骅，李青，等.轻质烧结页岩砖的研发[J].新型建筑材料，2011（11）：45-46，52.

[3]朱基珍，黄中，黄建强，等.轻质烧结页岩砖石灰爆裂的研究[J].新型建筑材料，2012（3）：20-23.

[4]黄榜彪，汪涛，朱基珍，等.有机纤维易燃物对轻质烧结页岩砖性能的影响[J].新型建筑材料，2012（8）：96-99.

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[8]夏赟，马鑫，镡春来，等.温湿度对墙体热工性能的影响[J].低温建筑技术，2009（1）：95-97.

[9]GB/T 13475—2008，绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法[S].

天津发布V O Cs排污费征收细则

天津市环保局日前印发《天津市石油化工和包装印刷行业挥发性有机物排污费征收标准实施细则（试行）》（以下简称《实施细则》）。

《实施细则》明确，天津市行政区域内，直接向外部环境排放VOCs的试点行业企业应按规定缴纳VOCs排污费。VOCs排污费征收标准为10元/kg，排放量是指试点行业企业自2016年5月1日起产生的排放量。VOCs排污费以自然年为核算周期，由天津市各区环保部门按照属地管理原则分别进行核定、征收，市环保部门负责对各区环保部门排污费征收工作开展指导和稽查。

《实施细则》提出，对VOCs排放浓度超标或者核算周期内VOCs排放量高于规定排放总量指标的，此核算周期加1倍征收排污费；同时存在上述2种情况的，加2倍征收排污费。试点行业企业缴纳排污费，不免除其污染防治、赔偿污染损害的责任及法律、法规规定的其它责任。拒报或谎报VOCs申报事项的，由所在区环保部门依据《天津市大气污染防治条例》规定，责令停止违法行为，限期改正，并处2万～20万元罚款。试点行业企业逾期不缴纳排污费的，处应缴纳排污费数额1～3倍的罚款，经有批准权的区级以上政府批准后，责令其停产停业整顿。（生）

The effect of moisture content on lightweight sintered shale brick and wall thermal properties

HUANG Bangbiao1，2，ZHANG Bei1，HUANG Bingzhang3，LIAO Tianquan1，LI Zhi1，LIU Yang1，LU Qiang1，SHENG Qi1
（1.College of Civil and Architectural Engineering，Guangxi Univesity of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；2.College of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Sciencc and Technology，Wuhan 430074，China；3.College of Civil Engineering and Surveying，University of Portsmouth，Portsmouth pol 2ah，England）

Through test and theoretical analysis about the influence of moisture content on the thermal conductivity of light shale sintered brick，thermal insulation mortar and ordinary mortar，it studies the effects of moisture content on the heat transfer coef ficient of ordinary mortar and insulation mortar wall when plastering thickness are 10 mm and 20 mm.It provides fitting formulas of thermal conductivity and water content rate about three kinds of wall materials，when the moisture content is increased per 1%，wall 1，2，3 and 4 heat transfer coefficient are increased 1.75%，1.55%，1.65%and 1.73%，when plastering thickness is increased each 10 mm，ordinary mortar and insulation mortar masonry wall heat transfer coefficient is reduced by an average of 0.52%and 7.07%.

water content，lightweight sintered shale brick，ordinary mortar，thermal insulation mortar，heat transfer coefficient

TU522.1+2

A

1001-702X（2016）12-0014-06

广西千亿元产业重大科技攻关项目（桂科攻11107021-3-5）；

广西科技攻关项目（桂科攻12100007）

2016-03-03；

2016-04-22

黄榜彪，男，1964年生，广西桂平人，教授级高级工程师。