一种新型全断桥自保温砌块性能分析与试验研究

许乃之 马广兴*,,2 孙煜光 巴特尔

1.内蒙古工业大学土木工程学院；2.内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室；3.内蒙古自治区建筑科学研究所有限责任公司

1 引言

目前，我国能源消耗问题依然严峻，建筑能耗居高不下，严寒地区建筑能耗问题尤为突出。提高建筑外墙的保温性能、成为建筑节能的关键问题[1,2]。目前，建筑外墙的保温体系分为：外墙外保温体系、外墙内保温体系及自保温体系。相对于传统外保温体系存在的成本高、施工复杂、耐火性差、保温材料使用寿命短以及内保温体系存在的占用室内空间、影响美观等问题，自保温体系可以实现与建筑同寿命、造价低、防火性能好等特点而得到日益重视[3,4,5,6,7]。本文针对一种新型全断桥自保温砌块进行传热系数计算，并测试其传热性能和力学性能，将其与传统全断桥自保温砌块进行比较分析，为新型全断桥自保温砌块在实际应用中提供依据。

2 新型全断桥自保温砌块

2.1 新型全断桥自保温砌块

（1）EPS保温砖芯设计。传统自保温砌块中，通常将混凝土骨架成型后，分块填充保温材料，较为复杂。新型自保温砌块中，各部分保温材料连接在一起，可一次成型，便于制备。

将EPS颗粒、胶凝剂、水按一定比例混合后放入模具中进行成型，得到EPS保温砖芯成品。

图1 EPS保温砖芯成品图

（2）新型全断桥自保温砌块制备。将水泥、粉煤灰作为胶结材料，炉渣、浮石、煤矸石、工业废渣、轻质再生混凝土、陶粒等为粗骨料，掺和适量外加剂和水搅拌而成混凝土，再将混凝土注入到插入EPS保温砖芯的模具中，经振捣后一次成型。

图2 成型后砌块砌块简图

2.2 新型全断桥自保温砌块与传统全断桥自保温砌块对比

相对于传统全断桥自保温砌块只在砌块中心采用EPS保温材料，新型全断桥自保温砌块使用EPS材料替代空气间层，保温性能进一步提升。

图3 传统全断桥自保温砌块简图

3 新型全断桥自保温砌块性能分析

3.1 新型全断桥自保温砌块传热性能分析

3.1.1 新型全断桥自保温砌块的传热系数计算

（1）根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》中热工设计计算方法：

式中：

Rˉ——非均质复合围护结构的热阻（m2·K/W）；

Rou——两侧外层传热面为等温面时热阻，按式（2）计算；

Rol——内层各传热面为等温面时热阻，按式（3）计算；

Ri——内表面换热阻（m2·K/W），取Ri= 0.11（m2·K/W）；

Re——外表面换热阻（m2·K/W），取Rj= 0.04（m2·K/W）；

fi——与热流平行方向各部分面积占总面积的百分比；

Roui——与热流平行方向各部分的传热阻（m2·K/W）；

Rj——应按式（4）计算；

Rij——与热流垂直方向第j层各部分热阻（m2·K/W）；

K——传热系数（W/m2·K）。

（2）参数确定

根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》表B.1 选取聚苯乙烯泡沫塑料的导热系数：

根据表B.2选取严寒地区修正系数a=1.05进行修正，修正后EPS保温砖芯导热系数：

对于自保温砌块骨料导热系数，采用热箱法进行实际测量。测得墙体传热系数：

计算得到导热系数：

工程塑料拉结件选取导热系数：

（3）计算Rou、Rol。

将砌块与热流平行方向划分5个区域，通过式（2）计算得：

将砌块与热流垂直方向划分9个区域，通过式（3）计算得：

（4）计算传热系数。

由式（1）计算砌块热阻得：

由式（5）计算砌块传热系数，砌块传热系数计算值为：

3.1.2 新型全断桥自保温砌块墙体传热系数测试与计算

（1）新型全断桥自保温砌块墙体传热系数检测。

根据GB/T 13475—2008《绝热稳态传热性能性质的测定标定和防护热箱法》进行检测。得出检测结果，砌筑墙体的传热系数实测值为：

（2）新型全断桥自保温砌块墙体传热系数计算。

考虑墙体灰缝厚度为10mm，无内外表面抹灰，由式（2）（3）计算得，自保温砌块墙体的传热系数计算值为：

3.2 新型全断桥自保温砌块力学性能分析

将养护龄期为28天的试件进行抗压强度及抗冻性检测，采用GB/T 4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》进行检测。检测结果为新型全断桥砌块平均抗压强度为：

冻融后砌块抗压强度损失18%，砌块质量损失1.2%。满足JG/T 407—2013《自保温混凝土复合砌块》国家现行规范标准。

4 新型全断桥自保温砌块与传统全断桥自保温砌块比较

4.1 传热性能比较

罗新宇[8]对传统全断桥自保温砌块进行了性能分析，传统全断桥自保温砌块传热系数：

抗压强度为：

新型全断桥自保温砌块厚度为290mm，传统全断桥自保温砌块厚度为220mm。因此，直接通过传热系数进行比较无法准确说明二者保温性能的差异。

为比较同等厚度条件下全断桥自保温砌块和传统全断桥自保温砌块保温性能。现将砌块视为单一材料，类似地利用热阻计算公式R=δ/λ，定义表观导热系数，

式中：

λ*——表观导热系数W/(m·K)；

δ——砌块厚度m；

R——砌块热阻（m2·K）/W。

新型全断桥自保温砌块热阻：

由式（5）计算传统全断桥自保温砌块热阻：

由式（7）计算得，新型全断桥自保温砌块表观导热系数为0.0682W/(m·K)，传统全断桥自保温砌块表观导热系数为0.0886W/(m·K)，新型全断桥自保温砌块保温性能提升23.0%

4.2 力学性能比较

新型全断桥自保温砌块平均抗压强度为5.1MPa，传统全断桥自保温砌块平均抗压强度为5.23MPa，抗压强度降低2.5%。

5 结束语

以最新热工规范为依据计算了新型全断桥自保温砌块的传热系数，测试了该自保温砌块的传热系数、抗压强度及抗冻性，对新型全断桥自保温砌块进行了性能分析，并与传统全断桥自保温砌块进行对比，得出如下结论。

（1）新型全断桥自保温砌块传热系数为0.227 W/（m2·K），平均抗压强度为5.1MPa。在施工时，可直接使用该砌块进行砌筑，便可满足严寒地区外围护结构保温以及节能需求，可大量减少施工成本。

（2）与传统全断桥自保温砌块相比，保温性能提高了23.0%，抗压强度降低了2.5%。在保温性能大幅度提高的同时，保证力学性能基本不变，性能优异。

（3）新型全断桥自保温砌块一次成型，制作简单，便于推广，是一种很好的外墙保温材料。