一种高性能自保温砌块的设计方法

孙希琳，韩菲菲，许红升，李美红

（山东省建筑科学研究院，山东 济南 250031）

0 前言

随着建筑节能标准的不断提高和先进建筑节能理念、节能技术的逐步推广[1]，尤其是DB 37/5026—2014《居住建筑节能设计标准》的实施，现有的自保温墙体材料很难达到节能设计要求，严重影响了自保温技术的推广应用，制约着自保温砌块建筑的发展。

目前市场上240～260 mm厚的砂加气砌块热阻值普遍在1.2～1.45（m2·K）/W，难以满足 75%节能设计标准的要求。针对这一现状，本文给出了一种砂蒸压加气砌块为本体砌块的一种高性能自保温砌块设计技术路线和方法。按照本路线进行自保温砌块孔排列方案的设计，计算和优化孔型排列与砌体热阻，可设计出节能保温效果达到最佳，与无孔本体砌块相比可提高热阻1倍的自保温砌块设计方案。

1 设计依据

设计依据：JC 943—2004《混凝土多孔砖》；GB 13544—2011《烧结多孔砖和烧结多空砌块》；GB 11968—2008《蒸压加气混凝土砌块》；GB/T 15229—2011《轻集料混凝土小型空心砌块》；GB 8239—1997《普通混凝土小型空心砌块》；GB 50574—2010《墙体材料应用统一技术规范》；GB 50003—2011《砌体结构设计规范》；JGJ/T 17—2008《蒸压加气混凝土建筑应用技术规程》；JGJ 26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》；GB/T 13475—200《绝热稳态传热性制的测定标定和防护热箱法》。

2 技术路线

在选取本体砌块较低导热系数的条件下，通过孔型及孔洞率的设计，实现控制孔洞内对流换热，使对流换热降低至极限值，通过控制孔的孔宽，实现最大幅度降低辐射传热。通过热流分析，建立数学模型，设定边界条件，阻断热桥，控制热流强度，通过软件模拟计算，从而获得块体的最佳设计热工性能。高性能自保温砌块见图1。

图1 高性能自保温砌块示意

3 设计步骤

3.1 孔型选择

不同的孔型设计对自保温砌块的热工性能有不可忽略的影响。一般情况下，空心自保温砌块的孔型有圆形、正方形、菱形和矩形4种。不同孔型对自保温砌块的传热系数的影响差异比较大，因此，对相同孔洞率情况下单排孔空心自保温砌块中不同的孔型平均传热系数进行了比较[2]，见表1。

表1 相同孔洞率情况下单排孔自保温砌块中不同孔型的平均传热系数

由表1可以看出，矩形孔型传热系数最小，菱形次之，圆形最大，这是因为矩形孔中空气易形成长路对流，而圆孔与方孔中的空气容易形成短路对流，此时空气的对流换热强度大，易于热量传递，可见孔洞越长保温性能越好。

3.2 孔洞率设计

孔洞率是指本体砌块开槽部分的体积与本体砌块体积的比值。自保温砌块孔洞率的大小对其热工性能和力学性能有直接影响，合理的孔洞率可以兼顾砌块的强度和热阻。研究证明，蒸压砂加气混凝土自保温砌块的孔洞率一般控制在20%～25%（即计算孔洞率）。

3.3 设定砌块抗压强度

根据自保温砌块拟使用的建筑部位和节能保温要求，参照GB 50574—2010《墙体材料应用统一技术规范》，确定自保温砌块的抗压强度设计值。

砌块抗压强度设计值：

式中：K——修正系数，根据砌块的材料和块型确定，一般取0.80～0.90；蒸压砂加气混凝土自保温砌块可取0.85。确定本体砌块的抗压强度等级f0，及导热系数λ0。

假设取自保温砌块抗压强度f=4.0 MPa，K取0.80，孔洞率取20%，则：

本体砌块抗压强度f0=4.0/[（1-20%）×0.80]=6.25 MPa。

3.4 设定多排孔砌块的规格尺寸，计算相关参数

假设长、宽、高分别为：597 mm、240 mm、237 mm；

则：通长扁孔长度 L通长=a-2×y=597-60=537 mm；

长扁孔孔长度 L长扁孔=（L通长-z）/2＝（537-30）/2＝253.5≈253 mm；

短扁孔孔长度 L短扁孔＝（L长扁孔-z）/2=111.5≈111 mm。

3.5 确定每排孔的个数和孔种类，计算边界参数实际值并验证

假定采用孔排数m为1，孔型为短扁孔个数n为4个，则：

z=（a-4×L短扁孔-2Y）/（n-1）=（597-444-60）/3=31 mm≥30 mm，符合规定。

当z值超出规定值30 mm的50%时，应适度调整增加y值，当z值低于规定值30 mm时，应调整孔型与孔数量，则：

x=（b-m×16）/（m+1）=（240-1×16）/（1+1）=112≥40 mm，符合规定。

试制样品自保温砌块，进行物理性能检测验证：

当物理性能满足设计要求时，可进行以下步骤进行热工性能优化。

当物理性能不满足设计要求时，应重复以上设计步骤，重新进行砌块孔型及排列方案设计。

3.6 建立数学模型

以单排、4短扁孔的砌块模型为例，稳定传热的温度场分布如图2所示。

图2 稳定传热的温度场分布

由此可得，砌块总的传热量

砌块总的热阻：

当多排孔时，计算方法同理。

以上是利用加权平均法来计算热阻Q总，与实际传热存在着误差。

若将砌块从长度a方向上取一小段距离dx，则：通过该部分面积的热量：

鲍照的自然山水诗风格清新明丽，脱去了现实生活重压下的愁苦不平，换以清丽的描写和欢快的节奏。如：《代朗月行》和《代春日行》。

通过计算机编程建立数学模型，结合热桥线传热系数Ψ计算软件PTemp，对计算结果进行校核与筛选。

3.7 设计效果判定

R0——无孔本体砌块的基本热阻；R——设计砌块的砌体热阻的目标值；R——总设计砌块的砌体热阻的模拟计算值；¢——热阻提高倍数，%；

当R总/R≥1时，设计结果为满意结果；

当R总/R＜1时，应计算实际提高效果；

¢=（R总-R0）/R0

当¢≥50%时，应分析砌块本身材料传热性能是否已到最大值？否则检查设计过程，从新调整孔排数和孔型，重复按照以上步骤验算。

当¢＜50%时，应分析调整孔型设计与排列，重复以上步骤验证。

当设计目标¢≥100%时，设计者应选择无孔本体砌块其材质本身导热系数≤0.15 W/（m·K），或较低导热系数的材料进行设计。

3.8 绘制砌块构造（见图3）

图3 砌块构造示意

4 样品制作与热工性能实验室验证

4.1 热工性能

按照砌块构造图制作砌块样品，并制作1.75 m×1.75 m热阻试验墙。试验墙体采用专用砌筑砂浆进行砌筑，砌筑灰缝控制在1～3 mm；砌体两侧各抹10 mm抹面砂浆。试验墙在自然状态下放置28 d后进行试验。

4.1.2 测试依据

采用CD-WTF1515稳态热传递性质测定系统依据GB/T 13475—2008《绝热 稳态传热性质的测定 标定和防护热箱法》。

4.1.3 测试及结果分析

砌块的实测热阻值R实测与砌块的热阻目标值R'的比值≥0.85时，设计结果为满意（考虑到实际节能设计中热工设计值会选取修正系数）。

通过此设计方法设计的250 mm厚多排孔蒸压砂加气混凝土自保温砌块实测热阻值R实测为2.57（m2·K）/W，热阻目标值 R'为 2.68（m2·K）/W。

R实测/R'=2.57/2.68=0.96，设计结果为满意。

热阻值测试完毕后，复测砌块含水率为8%～12%，与实际工程应用相符。

4.2 物理性能

4.2.1 测试依据

干密度、抗压强度依据GB/T 11968—2006《蒸压加气混凝土砌块》进行测试，样品尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

4.2.2 测试及结果分析

依据上述标准对砌块进行干密度和抗压强度测试，若实测值能满足砌块的目标值，设计结果为满意。

5 结论

自保温砌块墙体具有保温隔热性能佳、热工性能稳定、隔声性能好、防火性能好、与建筑物同使用寿命、绿色环保等诸多优点。该高性能扁孔自保温砌块的设计方法技术路线清晰，计算简便，是非常实用的自保温砌块的设计方法。根据此方法设计的自保温砌块热阻值可达无孔本体砌块的2倍，获得最佳热工性能及孔型。