烧结复合保温砌块热工性能数值模拟研究

张国永，王立，刘亚辉，游劲秋

（浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

烧结复合保温砌块热工性能数值模拟研究

张国永，王立，刘亚辉，游劲秋

（浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

使用ABAQUS有限元软件对烧结复合保温砌块的热工性能进行数值模拟，通过分析模拟结果设计出合理的砌块孔型，并进行实验测试验证。结果表明：制备的烧结复合保温砌块具有良好保温性能，实测热阻值达0.920（m2·K）/W；数值模拟结果具有较高准确性，与实测值相差小于4%。

复合保温砌块；数值模拟；热工性能

0 引言

随着墙材革新与建筑节能研究的日益深入和现代建筑技术的发展，墙体自保温砌块的生产与推广应用取得了显著发展。与其它墙体保温形式相比，墙体自保温系统有明显优势[1]：（1）显著提高砌体的保温隔热性能；（2）一次性成型，施工便捷，工程造价较低；（3）墙体保温系统的整体性和耐候性有保障，使用寿命与建筑主体结构一致。目前，夏热冬冷地区常用的墙体自保温砌块主要为蒸压加气混凝土砌块及其衍生产品。该类产品还存在力学强度相对较低，干燥收缩率较大等问题，由此引发的工程质量问题正困扰着各方[2-6]。为解决上述问题，笔者提出研制一种新型的墙体自保温砌块——烧结复合保温砌块。

烧结复合保温砌块以烧结空心砌块为基体，空腔内填充保温材料，保温材料优选泡沫混凝土等无机防火保温材料。这种砌块复合了烧结空心砌块高强度、低收缩率的特点和泡沫混凝土保温性能好的优点。因此，除了具有传统墙体自保温砌块的优点外，烧结复合保温砌块还具有干燥收缩率低，可减少了墙体开裂等工程质量通病；砌块力学强度高，与水泥砂浆的粘结强度高，其外墙饰面施工简单、稳固等优点，将具有广阔的应用前景。本文通过数值模拟研究烧结复合保温砌块的热工性能，设计出孔型合理的烧结复合保温砌块，并通过实验测试进行验证。

1 热工性能的数值模拟与测试方法

表征砌块热工性能的参数很多，如传热系数、热阻、传热阻、当量导热系数等。热阻代表砌块抵抗导热的能力，在稳态传热时，它可以作为砌块保温性能的评价指标。本文以热阻为评价指标，采用数值模拟方法和实测方法对烧结复合保温砌块的热工性能进行研究。

1.1 数值模拟方法

使用有限元软件ABAQUS对烧结复合保温砌块的稳态传热过程进行数值模拟，在计算结果精度满足工程要求的前提下，做出如下假设[7]：

（1）不考虑空气升温及降温过程，直接以30℃和-10℃恒温加载在砌块内外两侧，即稳态传热过程来进行分析；

（2）忽略烧结空心砌块基体与泡沫混凝土芯材的接触热阻；

（3）空气层等效成匀质保温层，其热工性能按GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》附表2.4取值。

使用ABAQUS对烧结复合保温砌块热工性能数值模拟时，材料的基本参数如表1所示。

表1 材料基本参数

1.2 测试方法

采用GB/T 13475—2008《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》规定的防护热箱法测试烧结复合保温砌块砌体的热阻值。该方法是在试件两侧的箱体（热箱和冷箱）内分别构造第三类边界条件，达到稳定状态后，测量空气温度、试件和箱体内壁的表面温度及输入热箱的功率，计算试件的热工性能。

2 热工性能数值模型

2.1 初始模型热工性能分析

烧结复合保温砌块外观尺寸为290 mm×240 mm×190 mm（长×厚×高），初始孔型如图1所示，孔洞内填充泡沫混凝土作为保温材料。

图1 初始模型截面

利用ABAQUS软件对图1所示的模型进行热工性能的数值模拟计算，砌块的热阻值为0.857（m2·K）/W，其热流密度云图如图2所示，颜色由暗至亮表示热流密度不断增加，即导热性能提高，对砌块的保温性能不利。

图2 初始模型热流密度云图

从图2可以看到，连接内外壁的3条纵肋上的热流密度远大于其周边的泡沫混凝土部位，这是因为烧结空心砌块基体的导热系数比泡沫混凝土高，因此热流易在3条纵肋上集中。3条纵肋直接贯通内外壁，成为内外壁传热的热桥，是影响砌块热工性能的主要因素。

常用的提高复合保温砌块热工性能的方法是断开纵肋形成夹芯型的复合保温砌块[8-10]。笔者认为，完成断开纵肋形成夹芯型复合保温砌块，仅靠保温层或少量连接件连接砌块的内外壁，砌块的整体性得不到保障，并且在施工、应用过程中存在一定安全隐患。为进一步提高烧结复合保温砌块热工性能，可尝试以下方案：（1）增加保温层厚度；（2）利用空气层隔断，延长传热路径。本研究通过数值模拟对2种方案进行比较。

2.2 孔型优化设计

在烧结复合保温砌块初始模型基础上，保温层厚度由120 mm增加至140 mm得到模型2，截面如图3所示；保温层两侧各增加1排10 mm厚的空气层得到模型3，截面如图4所示。2种模型的孔洞率基本一致，热阻值经数值模拟计算分别为0.941（m2·K）/W和0.995（m2·K）/W，热流矢量图分别如图5和图6所示。

与初始模型相比，模型2的热阻值增大了9.8%，模型3的热阻值增加幅度更明显，为16.1%。这是因为模型2在稳态传热时，热流方向基本沿砌块厚度方向传导，传热路径相对较短；而在模型3中，在3条纵肋与空气层交叉处增加了沿垂直厚度方向的横向热流，使热流传导路径延长，有利于增加砌块的热阻。

图3 模型2的截面

图4 模型3的截面

图5 模型2的热流矢量图

图6 模型3的热流矢量图

模型2和模型3的数值模拟结果，说明在保持烧结空心砌块孔洞率相同的前提下，延长传热路径比增加保温层厚度具有更明显的改善砌块热工性能的效果。为更进一步提高烧结复合保温砌块热工性能，在模型3的基础上继续增加2排空气层得到模型4，孔型尺寸如图7所示。模型4的热阻值经数值模拟计算为1.114（m2·K）/W，数值模拟得到的热流矢量图如图8所示。

模型4的热阻值较初始模型增大了30.0%，较模型3增大了12.0%，这是由于继续增加2排空气层后，传热路径进一步延长，稳态传热时砌块中的横向热流进一步增多，增加了传热难度，砌块的热阻值进一步增加。因此，选择模型4为烧结复合保温砌块最终孔型。

图7 模型4的截面

图8 模型4的热流矢量图

2.3 灰缝对烧结复合保温砌块热工性能的影响

烧结复合保温砌块应用时采用普通水泥砂浆砌筑，砌筑灰缝宽度为10mm。对烧结复合保温砌块砌体热工性能进行数值模拟计算时，为减少计算量，取砌体的最小单元：1块砌块+上下左右各5mm砌筑砂浆+内外侧各20mm抹灰砂浆。在一定温差作用下，传热达到稳定时，砌体单元的热流密度云图如图9所示，经计算其热阻值为0.887（m2·K）/W，与模型4的数值模拟结果相比下降20.4%。因此，灰缝对烧结复合保温砌块的热工性能影响较大，减小灰缝影响是下一步研究工作的重点。

图9 砌体单元的热流密度云图

3 热工性能验证

使用普通砌筑砂浆将烧结复合保温砌块（见图10）按测试要求砌筑成1.5 m×1.5 m砌体，控制砌筑灰缝为10 mm，砌体内外侧各抹20 mm厚的抹灰砂浆，形成热工性能测试用试件（见图11）。试件经自然养护28 d后，使用防护热箱热传递性质检测系统（见图12）进行测试。测试得到试件的热阻值为0.920（m2·K）/W，与数值模拟计算结果相差约为4%，可见数值模拟法计算结果具有很高的准确性。

图10 烧结复合保温砌块

图11 热工性能测试用试件（未抹灰）

图12 防护热箱热传递性质检测系统

4 结论

使用ABAQUS有限元软件对烧结复合保温砌块的热工性能进行数值模拟，通过分析模拟结果设计出合理的砌块孔型，并对数值模拟计算结果进行试验验证，得出以下结论：

（1）延长传热路径可有效提高烧结复合保温砌块的保温性能，模型4的理论热阻值高达1.114（m2·K）/W；

（2）灰缝对烧结复合保温砌块砌体的热工性能影响较大，解决灰缝热桥能够显著提高砌体的热工性能；

（3）试验测试证明，数值模拟具有很高的准确性，误差在4%以内。

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Numerical simulation on thermal property of fired composited insulation block

ZHANG Guoyong，WANG Li，LIU Yahui，YOU Jinqiu
（Zhejiang Academy of Building Research＆Design Co.Ltd.，Hangzhou 310012，China）

Thermal property of fired composited insulation block（FCIB）was simulated by ABAQUS.Based on numerical simulation study，an advisable block pass profile was designed.An experiment was carried out to verify the numerical simulation result. The experimental result showed that the FCIB has excellent thermal insulating properties，the value of thermal resistance was 0.920（m2·K）/W.Also，the result indicated that simulation result coincide well with experimental result，the difference between them was less than 4%.

composited insulation block，numerical simulation，thermal property

TU522.3

A

1001-702X（2016）11-0039-04

浙江省科技计划项目（2014F50008）

2016－03－02；

2016-04-07

张国永，男，1983年生，福建莆田人，硕士，工程师。