混凝土复合自保温砌块热工性能研究与优化设计

2022-02-23隋学敏龚书宽

建筑科学与工程学报 2022年1期

隋学敏，龚书宽,2，徐彪，黄华

(1.长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061； 2. 中信建筑设计研究总院有限公司，湖北武汉 430014)

0 引言

据统计，在以住宅为例的常规建筑中，建筑物采暖空调耗能主要来自建筑围护结构的传热损失。其中，通过墙体的热量损失约占建筑总能耗的25%，窗户约为23%，屋顶约为22%，其他约占30%[1-2]。因此，改善墙体热工性能对降低建筑能耗至关重要。提高建筑墙体热工性能的有效途径首推外墙保温技术，现有外墙保温体系主要有4种：内保温、外保温、夹芯保温和自保温[3]。不同的外墙保温技术各有优缺点，内保温的优点是施工方便，保温材料使用的环境好，缺点是不能阻断热桥，降低房屋使用面积，保温层易结露等[4]。外保温的优点是消除热桥、保护主体结构等，缺点是保温板与围护结构的使用年限不同，保温板易出现开裂、脱落等问题[5-6]。夹芯保温的优点是可阻断大部分热桥，保温隔热性能高，缺点是施工难度大、砌筑质量要求高、工期长[7]。墙体自保温是指墙体围护结构材料本身具有一定的保温隔热功能，不需再设保温层就可以达到节能要求的技术[8]。

外保温技术不仅适用于新建建筑，也适用于既有建筑的节能改造，且技术成熟，是目前应用最广泛的墙体保温形式。外保温也存在两方面不可避免的缺陷：一方面，建筑保温与结构寿命不同；另一方面，火灾隐患无法避免[9]。墙体自保温技术可避免上述问题，近年来备受关注。自保温墙体常见的技术构造为混凝土自保温砌块墙体。混凝土复合自保温砌块是指混凝土与绝热材料复合成型，具有良好保温隔热性能，不需要再做外保温处理就能达到建筑节能标准的砌块的总称[10]。自保温砌块可充分发挥填充材料的保温性能，实现保温结构一体化，具有耐久性好、防火、施工方便、与建筑同寿命等优点[11-12]。

混凝土复合自保温砌块在中国已开展一定的研究，工程应用也有了一定的推广，但随着中国建筑节能目标的不断推进，对复合自保温砌块的热工性能也提出了更高的要求。2018年12月，住房和城乡建设部发布《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 26—2018)，该标准执行75%的节能标准，自2019年8月1日起实施。该标准规定寒冷地区层数超过4层的居住建筑的外墙传热系数不大于0.45 W·m-2·K-1。与上述最新节能标准的限值相比，目前对混凝土自保温砌块热工性能的研究结果并不理想，墙体传热系数的检测结果普遍大于0.5 W·m-2·K-1[13-16]。例如，王长宝等[13]利用粉煤灰、陶粒代替天然骨料生产出抗压强度达到MU3.5的陶粒混凝土自保温砌块，并对其砌筑墙体的保温性能进行了测试，结果表明空腔填充发泡水泥的粉煤灰陶粒混凝土自保温砌块墙体的传热系数为0.88 W·m-2·K-1。蒋志平等[14]采用陶粒作为骨料生产出一种240 mm厚的三排孔陶粒混凝土自保温砌块，对其力学性能和热工性能进行了实测，结果表明该陶粒混凝土自保温砌块抗压强度平均值为5.9 MPa，满足MU5.0的要求，该砌块墙体传热系数为0.53 W·m-2·K-1。吴振江等[15]设计出一种轻集料砌块，其采用轻集料制作并利用错排孔形与端槽特点阻断和延长了墙体内外层之间的热桥，测试结果表明，三排孔填充聚苯板的砌块砌体热阻为1.6 m2·K·W-1，传热系数为0.57 W·m-2·K-1；两排孔填充聚苯板的砌块砌体热阻为1.7 m2·K·W-1，传热系数为0.54 W·m-2·K-1。吴聪等[16]以工字形自保温混凝土砌块为研究对象，设计了3种方案，采用热流计法对3组墙体进行热工性能试验，由此表明：方案A墙体(无填充秸秆，墙体外侧无复合保温砂浆)平均传热系数为0.89 W·m-2·K-1；方案B墙体(填充秸秆，墙体外侧无复合保温砂浆)平均传热系数为0.58 W·m-2·K-1；方案C墙体(填充秸秆，墙体外侧抹复合保温砂浆)平均传热系数为0.47 W·m-2·K-1。由此可见，现有研究结果普遍无法满足最新的节能标准，这会在一定程度上制约混凝土自保温砌块的推广应用。在当前建筑节能目标背景下，如何开发更高性能的自保温砌块以满足节能设计标准和市场需求成为行业内的巨大挑战。

本文针对寒冷地区住宅建筑设计一种新型混凝土复合自保温砌块，采用数值模拟法研究影响自保温砌块热工性能的因素，对其热工性能进行优化研究，得到满足寒冷地区75%节能标准的最优方案，为高性能混凝土复合自保温砌块的开发提供理论指导，以促进自保温技术的推广应用。

1 自保温砌块热工性能评价指标

自保温砌块的热工性能评价指标包括传热系数、热阻、当量导热系数、蓄热系数和热惰性指标，其中砌块的热阻是直接决定自保温墙体传热系数的因素，因此本文将砌块的热阻作为评价砌块热工性能的主要指标。试验中常采用热流计法检测砌块的热阻，为了提高研究效率，减少试验损耗，本文采用有限元分析法模拟获得稳态传热时砌块表面的热流量，然后基于公式(1)～(4)[17]计算得到砌块的热阻值。砌块导热热阻的计算公式为

R=Ro-(Ri+Re)

(1)

式中：R为砌块的导热热阻；Ro为砌块的传热热阻；Ri为砌块室内侧表面的对流换热热阻，取0.11 m2·K·W-1；Re为砌块室外侧表面的对流换热热阻，取0.04 m2·K·W-1。

砌块的传热热阻计算公式为

(2)

(3)

(4)

式中：K为砌块传热系数；q为砌块垂直于传热方向的表面热流密度；T2为砌块的热侧环境温度；T1为砌块的冷侧环境温度；Q为砌块垂直于传热方向表面的热流量；A为砌块垂直于传热方向的面积。

2 自保温砌块设计

本研究中自保温砌块的基材选用陶粒再生混凝土，导热系数为0.53 W·m-1·K-1。陶粒具有密度低、强度高、保温隔热性好、耐火性强等优点，以一定比例的陶粒作为轻质骨料，可在保证混凝土强度的基础上，减轻砌块质量，降低混凝土导热系数。孔洞内填充材料选用EPS保温板，导热系数为0.042 W·m-1·K-1。EPS板具有质量轻、价格低廉、吸水性较小、热稳定性好、可黏性好等优点，用于填充自保温砌块时成型工艺简单，保温性能良好。

根据《自保温混凝土复合砌块》(JG/T 407—2013)中关于砌块规格尺寸的规定：自保温砌块的主规格长度为390、290 mm，宽度分别为190、240、280 mm，高度为190 mm，其他规格尺寸由供需双方商定；用于自承重墙体的砌块最小外壁厚度不小于15 mm，最小肋厚度不应小于15 mm。结合现有研究结果，190、240 mm宽的自保温砌块难以满足寒冷地区节能要求[18]，最终确定本文所设计的砌块规格为390 mm×280 mm×190 mm。在孔洞率为57.5%不变的条件下，初步设计了7种砌块孔型分布方案，如图1(a)～(g)所示。

此外，为了研究不同的孔洞厚度比例对自保温砌块热阻的影响，以KX-4三排孔型为基础，保证三排孔的总厚度不变，改变内外侧孔洞的厚度比例进行研究，外侧的两排孔厚度均为x，内侧的一排孔厚度为y，如图1(h)所示。

图1 砌块孔型分布方案(单位:mm)Fig.1 Block Hole Distribution Schemes (Unit:mm)

3 热工性能分析及孔型优化

采用有限元分析软件ANSYS对砌块稳态传热过程进行数值模拟分析。ANSYS热分析模块的模拟计算是基于能量守恒原理的热平衡方程。将求解对象划分为有限个单元，每个单元包含若干个节点，在一定的边界条件和初始条件下求解每个节点处的热平衡方程，由此计算各节点的温度并导出其他热物理参数。

3.1 自保温砌块的稳态传热模拟

本文采用的热分析单元为Solid70三维热实体单元。对每一种孔型方案的砌块建立几何模型后，设定网格尺寸为10 mm×10 mm，按自由网格划分方式生成有限元模型，然后在砌块模型厚度方向的2个表面施加对流荷载。假设混凝土基材和保温材料为匀质介质，各向同性，热物性参数为常量。混凝土基材导热系数为0.53 W·m-1·K-1， EPS保温板导热系数为0.042 W·m-1·K-1。参考《民用建筑热工设计规范》(GB 50176—2016)附录B.4围护结构表面换热系数，热面对流换热系数αi设为8.7 W·m-2·K-1，周围环境温度设为20 ℃；冷面对流换热系数αe设为23 W·m-2·K-1，周围环境温度设为-10 ℃。砌块高度及长度方向上的4个壁面设为绝热条件，砌块两侧的环境温度和对流换热系数不变，即传热过程为稳态传热。

3.2 砌块热工性能模拟验证

本文以田国华等[19]对再生混凝土砌块砌体的热工性能测试数据为对比对象，对采用ANSYS模拟计算砌块热工性能的准确性进行验证。文献[19]中的试验采用390 mm×240 mm×190 mm块型，内插XPS保温板，砌块的平面示意图和三维几何模型如图2所示。采用ANSYS软件对文献[19]中的砌块测试工况进行数值模拟，考虑砌体中砌筑砂浆的影响，在砌块高度及长度方向的4个面各设5 mm厚砌筑砂浆层。文献[19]中对砌块的热工性能测试采用热流计法，在试件两侧设置冷热箱。冷热箱温度分别为-5 ℃和24 ℃，待冷热箱温度稳定后，测量试件的热面平均温度ti、冷面平均温度te和热流密度q，再基于公式R=(ti-te)/q计算得到试件的导热热阻为1.38 m2·K·W-1。表1为试验材料的导热系数，本文采用试验中的各项参数作为数值模拟的输入参数，得出试件的热流量为1.443 W，按公式(1)～(4)计算得到的参数结果如表2所示，砌块导热热阻为1.339 m2·K·W-1。该模拟结果与热流计法测得的砌块试件导热热阻(1.38 m2·K·W-1)相对误差为3%，可见本文所采用的数值模拟方法准确度较高。

表2 试验工况的模拟结果Table 2 Simulation Results of Test Condition

图2 自保温砌块的平面示意和几何模型(单位:mm)Fig.2 Plane Schematic and Geometric Model of Self-insulation Block (Unit:mm)

3.3 模拟结果分析

对初步设计的7种孔型砌块的稳态传热进行数值模拟，得到各砌块热流密度分布云图，如图3所示。基于数值模拟得到的热流量，采用公式(1)～(4)即可计算得到7种孔型砌块的传热系数和导热热阻，如表3所示。对比KX-1、KX-2和KX-3孔型砌块的模拟结果，发现随着孔洞排数的增加，砌块热阻逐渐增大。对比KX-4、KX-3、KX-5孔型砌块的模拟结果，发现随着孔洞列数的增加，砌块热阻逐渐减小。分别对比KX-2和KX-6、KX-3和KX-7的模拟结果，发现交错排列的孔型可以较好地提升砌块的保温性能。

表3 7种孔型砌块热阻模拟结果Table 3 Simulation Results of Block Thermal Resistances of Seven Hole Distribution Schemes

图3 砌块热流密度分布云图Fig.3 Cloud Map of Heat Flux Distribution of Block

表4给出了以KX-4方案为基础，不同孔洞厚度比例下砌块热阻的模拟结果。由表4可看出，对于三排孔砌块，随着外侧孔洞厚度与内侧孔洞厚度比值的增大，自保温砌块的热阻先增大后减小。

表4 不同孔洞厚度比例下砌块导热热阻模拟结果Table 4 Thermal Resistance Simulation Results of Blocks with Different Thickness Ratios for Holes

当外侧孔厚与内侧孔厚的比值为1.6～3时，砌块的热阻最大。这是由于靠近冷热两侧的保温材料越厚，热量越难以传递，垂直于热流方向上的砌块表面热流密度就越低。当内侧的保温材料厚度过小时，无法产生有效的保温作用，所以KX-4.6孔型砌块的热阻降低。

3.4 优化设计

通过研究孔洞的排数、列数以及是否交错排列对自保温砌块热工性能的影响，发现交错排列的三排孔砌块具备更好的隔热能力，该孔型砌块热阻模拟结果为1.827 m2·K·W-1，但与75%的节能目标还存在一定差距，因此需对孔型进一步优化。由图3(g)的KX-7孔型砌块热流密度分布云图可以看出，由于砌块左右两侧边壁处热流可直接从热侧传递到冷侧，形成了热桥，导致砌块的保温性能难以满足要求。根据上述分析，考虑通过优化砌块的孔型分布使左右两侧边壁不贯通，并改变孔洞厚度使外侧孔洞与内侧孔洞的厚度比值为2，达到优化砌块保温性能的目的。优化后的砌块记为KX-8，孔洞率为60.4%，孔型分布如图4所示。对优化后的砌块进行稳态传热模拟，热流密度云图如图5所示。由图5可以看出，与KX-7砌块相比，砌块左右两侧的热流能够被保温材料阻断，避免了热桥的产生。模拟得到砌块热表面的热流量为0.882 W，经计算砌块的导热热阻为2.37 m2·K·W-1，当量导热系数为0.118 W·m-1·K-1，与KX-7砌块的热阻相比提高了约30%。

图4 KX-8砌块孔型分布(单位:mm)Fig.4 Holes Distribution of KX-8 Block (Unit:mm)

图5 KX-8砌块热流密度云图(单位:W·m-2)Fig.5 Heat Flux Cloud Map of KX-8 Block (Unit:W·m-2)

3.5 最优砌块的抗压强度分析

自保温砌块的热工性能分析表明，KX-8孔型砌块的热阻值有较大提升，为了研究该砌块的抗压性能是否满足设计要求，本节采用ANSYS软件对该砌块的抗压强度进行模拟分析。梅毕祥等[20-21]在试验的基础上利用有限元法对混凝土砌块的力学性能进行研究，结果表明有限元分析法可以获得砌块的极限荷载，进而可计算出砌块的抗压强度。本文提出的KX-8自保温砌块仅混凝土部分承担墙体重量，内部填充的EPS板不承重，利用软件进行抗压强度分析时，根据实际情况建立了简化几何模型，如图6所示。

图6 KX-8砌块抗压强度数值分析模型Fig.6 Numerical Analysis Model of Compressive Strength of KX-8 Block

根据《再生混凝土结构技术标准》(JGJ/T 443—2018)，再生粗骨料取代率为30%的C25再生混凝土弹性模量Ec取2.52 MPa，泊松比ν取0.2。选择材料的单元类型为Solid65，破坏准则采用Willam-Warnker的五参数破坏准则，混凝土本构关系按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)附录C.2.4混凝土单轴受压应力-应变关系式计算。本文采用的应力-应变曲线如图7所示，采用随动硬化模型。采用Sweep网格划分方法，网格密度为0.2 mm×0.2 mm。在砌块顶面施加0.2 mm位移荷载，约束底部所有自由度，计算完成后采用时间后处理器输出力-位移(P-s)曲线，如图8所示。砌块的极限荷载为955.7 kN，抗压强度为8.7 MPa。可见，KX-8孔型砌块抗压强度大于MU5.0抗压强度等级，满足自保温砌块用于外墙自承重墙体的设计要求。

图7 混凝土本构关系Fig.7 Constitutive Relationship of Concrete

图8 砌块力-位移曲线Fig.8 Force-displacement Curve of Block

4 自保温墙体热工性能分析

由自保温混凝土复合砌块采用砌筑砂浆砌筑而成的构造实体称为砌体，由砌块砌体采用抹灰砂浆抹面而成的构造实体称为自保温混凝土复合砌块墙体。《自保温混凝土复合砌块墙体应用技术规程》(JGJ/T 323—2014)对砌筑砂浆及灰缝等提出了相关要求：自保温砌块砌体宜采用专用砌筑砂浆；对热工性能有要求时，专用砌筑砂浆的导热系数不大于0.2 W·m-1·K-1；自保温砌块墙体水平灰缝厚度和竖向灰缝宽度宜为8～12 mm；抹灰应分层进行，总厚度宜为15～20 mm。基于上述标准规程建立了自保温砌块墙体的物理模型，如图9所示。模型尺寸为1.6 m×1.6 m×0.32 m，砌块厚度为280 mm，砌筑灰缝厚度为10 mm，内外抹灰层厚度为20 mm。自保温墙体主体结构采用KX-8孔型砌块，导热系数为0.118 W·m-1·K-1；砌筑砂浆采用无机保温砂浆，导热系数为0.18 W·m-1·K-1；抹灰层采用普通水泥砂浆，导热系数为0.93 W·m-1·K-1。

图9 自保温墙体物理模型(单位:m)Fig.9 Physical Model of Self-insulation Wall (Unit:m)

对自保温墙体稳态传热进行数值模拟，图10给出了自保温墙体的三维热流分布云图，图11给出了自保温墙体顶面热流密度分布云图。由图10、11可看出，混凝土基材处的热流密度最大，保温材料处的热流密度最小。由于砌筑砂浆采用的是导热系数较小的无机保温砂浆，所以在砌筑灰缝处没有产生明显的热桥效应。模拟所得墙体表面的热流量为32.87 W，根据公式(3)、(4)计算可得墙体传热系数为0.428 W·m-2·K-1，满足寒冷地区住宅建筑节能75%的设计标准。

图10 自保温墙体热流密度分布云图Fig.10 Cloud Map of Heat Flux Distribution of Self-insulation Wall

图11 自保温砌块墙体顶面热流密度分布云图(单位:W·m-2)Fig.11 Cloud Map of Heat Flux Distribution on Top Surface of Self-insulation Block Wall (Unit:W·m-2)

为比较自保温墙体与常见外保温墙体热工性能的优劣，对采用相同材料和相同厚度的外保温墙体的热工性能也进行了数值模拟。外保温复合墙体是由基层墙体和外保温系统组合而成的墙体，外保温系统一般由保温层、防护层和固定材料构成，是固定在外墙外表面的非承重保温结构的总称。图12为粘贴保温板薄抹灰外保温墙体的构造。模拟中，外保温墙体的简化ANSYS模型如图13所示，模型尺寸为1.6 m×1.6 m×0.32 m，基层墙体厚度为240 mm，保温层厚度为50 mm，砌筑灰缝厚度为10 mm，内外抹灰厚度为15 mm。基层墙体采用陶粒混凝土实心砌块，导热系数为0.53 W·m-1·K-1；外保温材料采用EPS板，导热系数为0.042 W·m-1·K-1；砌筑砂浆和抹面砂浆为普通水泥砂浆，导热系数为0.93 W·m-1·K-1。

图12 粘贴保温板薄抹灰外保温系统Fig.12 External Thermal Insulation System with Pasted Thermal Insulation Board and Thin Plaster

图13 外保温墙体物理模型(单位:m)Fig.13 Physical Model of External Insulation Wall (Unit:m)

对外保温墙体稳态传热进行数值模拟，图14给出了外保温墙体的三维热流分布云图，图15给出了外保温墙体顶面热流密度分布云图。由图14、15可以看出，砌筑砂浆处的热流密度最大，陶粒混凝土实心砌块处的热流密度较小。由于砌筑砂浆采用的是导热系数较大的普通水泥砂浆，所以产生了热桥效应。当热量传递到墙体外侧的EPS保温板时，热流密度分布均匀，说明外保温系统可以较好地阻断灰缝处产生的热桥效应。模拟得到墙体表面的热流量，根据公式(3)、(4)计算得到墙体传热系数为0.554 W·m-2·K-1。

图14 外保温墙体热流密度分布云图Fig.14 Cloud Map of Heat Flux Density Distribution of External Insulation Wall

图15 外保温墙体顶面热流密度分布云图(单位:W·m-2)Fig.15 Cloud Map of Heat Flux Distribution on Top Surface of External Insulation Wall (Unit:W·m-2)

综上可见，在2种墙体的厚度和材料相同的条件下，自保温砌块墙体传热系数更低，比相同厚度的外保温墙体传热系数降低23%。这是由于自保温墙体将保温材料填充在自保温砌块的孔洞中，可以在不增加墙体厚度的情况下最大程度地使用高热阻的保温材料。外保温墙体的保温材料厚度往往决定了墙体的传热系数，因此通常采用增加保温层厚度的方法来提高墙体的隔热能力，这不仅降低了外保温系统的经济性，也增加了施工难度。