江西省烧结类墙体材料热工性能研究

2018-05-31刘红霞吴炎平郭立新朱群敏李味然

新型建筑材料 2018年3期

刘红霞，吴炎平，郭立新，朱群敏，李味然

（江西省建筑材料工业科学研究设计院，江西南昌 330001）

面对全球能源日益紧张、人居环境日益恶化的现状，全世界都在大力开展“节能减排”工作。据统计，2014年我国能源总消费量约36.5亿t标煤，其中建筑能耗为10.5亿t标煤，约占总量的28.7%[1]。建筑节能已成为建筑行业的一项重要环节。提高围护结构的保温隔热性能是建筑节能的重要途径，而墙体材料的热工性能又与围护结构的保温隔热息息相关。本文选取江西省内常用的烧结砖，对其进行传热系数测试，系统研究烧结类墙体材料的保温隔热性能，并分析影响其热工性能的因素。

1 试验

1.1 传热系数试件制备

用于传热系数测试的烧结砖砌体采用普通水泥砂浆砌筑，灰缝1cm，两面均用普通水泥砂浆抹面，厚度1cm。试件外形尺寸为1.45 m×1.45 m×砌块厚度，计量面积为1.2 m×1.2 m。砌筑及抹灰用普通水泥砂浆配比为：m（水泥）∶m（砂）∶m（水）=1∶3.5∶1.4。水泥：海螺 P·C32.5；砂：赣江中砂，细度模数 2.2；水：自来水。砌筑后的试件两侧及上部采用聚苯乙烯泡沫板及聚氨酯泡沫材料密封。砌筑好后置于通风处自然干燥。

1.2 导热系数试件制备

从烧结砖/砌块上截取长100 mm、宽50 mm、厚为砖/砌块壁厚的小块试件2块，对其表面进行打磨，保证叠合面充分平整无缝隙，以备测试。

1.3 测试仪器及试验方法

传热系数测试采用沈阳紫薇机电设备有限公司生产的CD-WF1212型稳态热传递性能试验机，该装置为防护热箱法试验装置，依据GB/T 13475—2008《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》，冷箱温度设置为-10℃，热箱温度设置为30℃，防护箱与热箱温度设定一致，风速控制为3 m/s。

为准确获得表面温度，冷、热面表面温度传感器对称布置，并用铝锡箔纸覆盖。不同墙体达到平衡所需时间不同，多数都需要15 h以上，平衡时间设置为20 h；判断是否达到平衡状态的方法是在2个3 h的测量周期内，其热功率、温度差、传热系数计算值的偏差值小于1%，且不是单方向变化，说明传热已经趋于稳定。

基材导热系数测试采用西安夏溪电子科技有限公司生产的TC3000导热系数仪，依据GB 10297—2015《非金属固体材料导热系数的测定热线法》，测试条件为：采集时间5 s，间隔5 min，电压1 V。测试原理为瞬态热线法。

2 试验结果与分析

2.1 烧结多孔砖热工性能试验

选取江西省内常用的4种烧结多孔砖，研究其热工性能。为方便对比各种规格烧结多孔砖的传热系数，假定烧结多孔砖的热工性能为理想状态，其热阻R与厚度成正比关系，将各墙体试件的传热系数折合成190 mm厚墙体（以下简称190墙）的传热系数，4种烧结多孔砖的热工性能见表1。

表1 烧结多孔砖的热工性能

从表1可以看出，烧结多孔砖190墙传热系数为1.99～2.43 W/（m2·K），虽然4种多孔砖密度相差不大，但热工性能却有较大的差异。

2.2 烧结空心砖热工性能试验

选取江西省内应用最广的4种烧结空心砖，研究其热工性能，结果见表2。

表2 烧结空心砖的热工性能

从表2可以看出，虽然烧结空心砖密度较低，但保温效果却不佳。因为在干燥的多孔体系中，传热主要通过基材的导热、孔洞内空气分子的导热、孔壁面间的辐射传热以及孔洞内空气的对流传热。孔壁面间的辐射传热以及孔洞内空气的对流传热都和孔洞宽度或直径有关。当空气层厚度很小时，对流传热及辐射传热都很小，这时多孔砖孔洞部分的热传递仅为空气的导热，可近似等于静止空气的导热系数[0.023W/（m·K）]。空气层厚度与导热系数的关系参见文献[2-3]。空气间层的当量导热系数随空气层厚度的增大而增大，而热阻值在空气层厚度为40mm左右已达最高值。再增大空气层厚度，热阻值已经没有多大变化了，甚至会减小。因此，虽然烧结空心砖密度低，但由于孔大导致孔洞内对流传热增加，因此烧结空心砖的热工性能较差。

2.3 烧结保温砖/砌块热工性能试验

选取江西省5家企业生产的烧结保温砖/砌块，研究其热工性能，5种烧结保温砖/砌块孔洞情况及热工性能见表3，外观见图1。

表3 烧结保温砖/砌块的孔洞情况及热工性能

图1 烧结保温砖/砌块外观

从表3及图1可以看出，烧结保温砌块C1、C2、C3块体大小、孔洞排列、密度等基本相近，但传热系数却差别较大，折合成240墙体传热系数最低、最高分别为1.20、1.58 W/（m2·K）。

影响保温砖热工性能的主要因素有：孔洞排列结构、孔洞大小、孔洞率以及砌筑方向。然而，烧结保温砌块C1、C2、C3在以上因素都基本相同的情况下，热工性能却仍相差较大，因此有必要对孔洞结构、基材导热系数、墙体含湿等因素对传热系数的影响进行研究。

2.4 孔洞结构对传热系数的影响

对同一厂家用相同原料生产的3种不同孔洞排列的烧结保温砖进行传热系数测试，3种烧结保温砖的孔洞情况及热工性能见表4，外观见图2。

表4 相同原料的3种烧结保温砖传热系数

图2 相同原料的3种烧结保温砖外观

从表4及图2可以看出，3种烧结保温砖的孔洞率、密度、孔长相差不大，孔宽一致，孔洞排列方式不同，但测得的传热系数基本相同。因此，对于同一种原材料，当孔长、孔宽、孔洞率等因素均较合理的情况下，仅仅改变孔洞排列方式，对传热系数影响不大。

2.5 基材导热系数对烧结保温砖/砌块热工性能的影响

采用非稳态热线法对表3中5个企业生产的烧结保温砖/砌块基材导热系数进行了测试，烧结保温砌块C1、C2、C3及烧结保温砖C4、C5的基材导热系数分别为0.58、0.64、0.95、0.81、0.85 W/（m·K）。

烧结保温砌块C1、C2、C3的块体大小、孔型、孔洞排列、孔洞率、产品密度等相差不大，但基材的传热系数却差别很大。从基材导热系数测试结果可以看到，产生这种差异的原因主要在于，烧结保温砌块C1、C2较C3的基材导热系数小很多，因此传热系数也小很多；而烧结保温砌块C1和C2的基材导热系数相差不大，孔型、孔结构、孔洞率也基本相同，所以热工性能测试结果也基本相近。烧结保温砖C4和C5块型及孔洞率相差不大，基材导热系数也基本一致，所以2种砌体的热工性能也相差不大。以上5种烧结保温砖/砌块的热工性能变化趋势与基材导热系数都有很好的吻合。所以，在其它条件一定的情况下，基材导热系数的差异会导致砌体热工性能有较大的差异。

在烧结保温砖/砌块的块型设计中，明确基材导热系数对砌体热工性能的影响具有重要意义。在烧结保温砖/砌块块型设计中，基材导热系数一般统一选取一个经验值。但从上述试验数据可看出，各企业生产的烧结保温砖/砌块的基材导热系数相差非常大，因此会导致产品的热工性能与实际有很大的差异。

另外，通常认为“薄壁多孔”是烧结保温砖/砌块节能设计的方向，即壁越薄越好。事实上，在外观大小及孔洞排列一定的情况下，对于某既定导热系数的基材，壁厚存在一个临界值，并非越薄产品的热工性能越好。例如烧结保温砌块C2，基材导热系数为0.64 W/（m·K），可推算出2 mm厚的基材热阻为0.003125 m2·K/W，从文献[2-3]中可查到，当空气层厚度由16 mm增加到18 mm时，热阻增加约0.00258 m2·K/W，较2 mm厚基材热阻更小。因此，当孔宽大于16 mm时，增加肋厚比增加孔宽可获得更好的热工性能。