烧结煤矸石页岩多孔保温砌块热工性能数值模拟

崔志玉

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300308)

随着碳达峰、碳中和相关政策的陆续出台，建筑节能将会再次引起高度重视，研发和推广集结构和保温于一体的自保温砌块，对于建筑节能事业的发展有非常积极的意义[1-2]。GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》明确指出围护结构热工性能在夏热冬暖地区、夏热冬冷地区、寒冷地区、严寒C区和严寒A/B区的外墙传热系数应分别小于或等于1.5，1.0，0.60，0.50，0.45 W·m-2·K-1[3]。四川、江西、山东、新疆、贵州和浙江等地陆续有自保温砌块生产的报道。张旭等[4]深入研究了火山渣混凝土复合自保温砌块的力学性能，发现掺入适量硅灰和聚丙烯纤维可提高芯材发泡水泥的抗压强度。方光秀等[5]提出以30%再生骨料取代天然火山渣、双掺10%的粉煤灰和3%的煅烧硅藻土取代部分水泥的混凝土最佳配合比，制作火山渣轻骨料混凝土自保温砌块，并验证了该砌块的抗压强度。周学军等[6]对蒸压瓷粉加气混凝土自保温墙板的力学性能进行了研究，结果表明了蒸压瓷粉加气混凝土自保温墙板的受力性能符合蒸压加气混凝土配筋板材的受力特征。李军等[7]以造纸污泥轻质陶粒混凝土制备轻质自保温墙体砌块，符合JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》的要求。煤矸石和页岩作为一种常用的建材原料，遗憾的是，通过烧结工艺制备的自保温砌块未见报道。如能开发出烧结煤矸石页岩自保温砌块，显然将有力促进自保温砌块的大力推广。

多孔保温砌块传热系数(平均传热系数)测定较为复杂，周期长，成本高。虽然有相关检测标准，也有学者提出混凝土自保温砌块墙体的平均传热系数的计算思路和计算方法[8]，但显然数值模拟是一种有效的手段。雷艳等[9]就对以轻集料混凝土小型空心砌块与保温材料组合形成的复合自保温砌块进行了热工性能数值模拟研究。张国永等[10]使用ABAQUS软件对烧结复合保温砌块热工性能进行数值模拟研究，数值模拟结果与实测值相差小于4%。本文以江西某企业生产的烧结煤矸石页岩多孔保温砌块为研究对象，进行了详细的热工数值分析，并设计一款适用于夏热冬暖地区的宽厚多孔自保温砌块。

1 数值模型

1.1 物理模型

以江西某企业生产的烧结煤矸石页岩多孔保温砌块为研究对象，该多孔保温砌块主要由煤矸石和页岩烧结而成，实测掺加量为53.21%，孔洞率η为39%，砖型尺寸为240 mm(L)×190 mm(W)×180 mm(H)，如图1所示。此多孔保温砌块有49孔，其中正中间有一个手抓孔，砖型上下左右对称。利用商用软件ANSYS进行传热数值模拟,采用六面体网格，共有97 020个单元体，481 559个节点。

图1 多孔保温砌块尺寸(单位：mm)

基本假设：

(1)三维、稳态、无内热源、不可压缩、恒定物性。

(2)多孔保温砌块传热沿着X(L)方向进行。冷热端设定为第三类边界条件，冷端TL=280 K，hL=23 W·m-2·K-1；热端TH=304 K，hH=8.7 W·m-2·K-1。其余4个面设为绝热q=0。

(3)孔内空气传热属于封闭空间内的自然对流耦合换热，基于Boussinesq近似处理空气密度。辐射传热选择适用范围广的DO模型，黏性计算选择层流模型，沿Z(H)方向重力加速度g=9.8 m·s-2。

(4)砌块基材(砌块实体部分材料)ρjc=2 600 kg·m-3，cjc=1 050 J·kg-1·K-1，λjc=0.68～1.41 W·m-1·K-1；聚苯板ρjbb=100 kg·m-3，cjbb=1 380 J·kg-1·K-1，λjbb=0.041 W·m-1·K-1。

1.2 数学模型

质量守恒方程：

(1)

能量守恒方程：

(2)

动量守恒方程：

(3)

传热控制方程：

(4)

2 结果和分析

2.1 基材导热系数的影响及实验验证

图2为基材导热系数对烧结煤矸石页岩多孔保温砌块传热系数的影响。为进一步降低多孔保温砌块的传热系数，本文也数值调查了在孔内插入聚苯板时复合保温砌块的传热系数。从图2中可明显看出：无论多孔保温砌块还是复合保温砌块，随着保温砌块基材导热系数的增大，传热系数也线性增大。复合保温砌块的传热系数显著低于多孔保温砌块，平均下降了11.82%。要达到传热系数等级1.50和1.35时，对于此尺寸的多孔保温砌块的最大基材导热系数分别不应超过0.87 W·m-1·K-1和0.76 W·m-1·K-1，对于此尺寸的复合保温砌块的最大基材导热系数分别不应超过1.04 W·m-1·K-1和0.91 W·m-1·K-1。

λjc/(W·m-1·K-1)

切割多孔保温砌块无孔部分，经处理后，实测获得烧结煤矸石页岩多孔保温砌块基材的导热系数为1.26 W·m-1·K-1。依据GB 26538—2011《烧结保温砖和保温砌块》和GB/T 13475—2008《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》[11-12]实测获得多孔保温砌块的传热系数为1.92 W·m-2·K-1。当砌块基材导热系数为1.26 W·m-1·K-1时，数值模拟获得的多孔保温砌块的传热系数为1.98 W·m-2·K-1，与实验测得的1.92 W·m-2·K-1非常接近，相差仅3.65%，表明数值模拟具有相当高的精度。这微小的误差是由于实测保温砌块基材导热系数时的温湿度与采用GB 26538—2011《烧结保温砖和保温砌块》测量保温砌块传热系数时的温湿度略有不同导致的。

2.2 温度场和流场分布

烧结煤矸石页岩多孔保温砌块中心X-Z和X-Z两截面温度分布如图3(a)和(b)所示。图3(a)表现了较为平稳的逐层渐变趋势，温度逐层从热端向冷端下降；图3(b)中可看出在孔洞处有明显的波动。至于图3(a)图，由于此方向对应于孔洞短边，空气表现得更多层流性质，且通过孔洞内空气的传热热阻与热桥的热阻相当。而至于图3(b)图，对应于孔洞长边，空气表现得更多的湍流性质，此时孔洞内对流换热明显，传热热阻就显著小于热桥热阻。图3(c)X-Y截面流场图证实了这一结论。故小孔洞能降低对流传热，有利于降低整个砌块的传热系数。

图3 温度场和流场分布图

2.3 孔洞率的影响

由于保温砌块基材的导热系数的变化需要涉及到原材料配方，实际生产过程进行优化较为困难。为此依据现场可实施条件，且鉴于现生产的多孔保温砌块孔洞排布较为合理，本文在不改变孔洞排布规律的前提下，主要从增加孔洞率、减少热桥热量损失和增强保温效果出发，调查图4所示的不同孔洞率、热桥厚度和外壁厚度时保温砌块的传热性能。模拟获得的保温砌块传热系数随孔洞率的增加而减少，如图5所示。对于多孔保温砌块，孔洞率49.4%是传热系数等级2.00和1.50的分界点；对于复合保温砌块，孔洞率43.8%是传热系数等级2.00和1.50的分界点，孔洞率47.9%是传热系数等级1.50和1.35的分界点。也表明聚苯板的插入避免了空气的对流传热，从而大幅度降低保温砌块的传热系数。

图4 不同孔洞率多孔保温砌块孔洞布置示意图

η/%

2.4 宽厚多孔保温砌块

借鉴英国Wienerberger公司，设计和制造了一款宽厚多孔保温砌块，砌块尺寸240 mm(L)×360 mm(W)×180 mm(H)，孔洞率为46.6%，有88个内孔，如图6所示。

图6(a)(b)和(c)分别为宽厚烧结煤矸石页岩多孔保温砌块实物、应用场景(借鉴中国商飞江西生产试飞中心的复合墙体结构)和传热数值模拟获得的温度云图。此多孔保温砌块孔排数更多，孔洞率更大，孔相对较小。这3个特性均有利于降低砌块的传热系数。数值模拟发现宽厚砌块的温度分布与240 mm(L)×190 mm(W)×180 mm(H)类似，不过孔内空气的对流传热因为孔的尺寸更小，不明显。经计算宽厚多孔保温砌块和复合保温砌块的传热系数分别为1.34 W·m-2·K-1和1.16 W·m-2·K-1，传热系数等级均提高了2个等级。

图6 宽厚多孔保温砌块实物及温度云图

最后，为了验证优化后的多孔保温砌块也能满足力学性能指标。同时，采用ANSYS静力学分析模块对两种多孔保温砌块进行了力学特性数值模拟。经计算，图4(a)(b)(c)及图6所示的4种保温砌块的抗压强度值分别为5.20，5.12，5.04，6.31 MPa，均为强度等级MU5.0。

3 结论

(1)多孔保温砌块的基材导热系数至关重要，烧结煤矸石页岩多孔保温砌块传热系数随基材导热系数线性增大，因此降低基材导热系数是最为直接有效的手段。当基材导热系数足够低时，保温砌块能达到自保温要求，但对于烧结煤矸石页岩多孔保温砌块要实现此目的挑战也非常大。本文研究的240 mm(L)×190 mm(W)×180 mm(H)多孔保温砌块(49孔)的传热系数为1.92 W·m-2·K-1，处于传热系数等级2.0，其基材导热系数为1.26 W·m-1·K-1。孔内聚苯板的插入，能有效降低保温砌块的传热系数，平均下降幅度为11.82%。

(2)虽然空气的导热系数远低于基材的导热系数，但由于对流传热存在，多孔保温砌块孔内短边的传热热阻与热桥热阻相当，因此温度从热端到冷端温度逐层降低；然而孔内长边由于空气对流换热相对更强，表现出来的传热热阻显著低于热桥热阻。这是一个有趣的发现。故设计时应在工艺允许范围内尽量选择小孔。

(3)孔数目的增加且孔洞率的提高，意味着孔的尺寸也有所减少，由此有利于提高多孔保温砌块的保温性能。本文研究的240 mm(L)×190 mm(W)×180 mm(H)多孔保温砌块当孔洞率由38.5%提高到49.4%时，传热系数等级能提高1个等级。

(4)240 mm(L)×360 mm(W)×180 mm(H)宽厚烧结煤矸石页岩多孔保温砌块虽然温度云图类似，但显然具有更优良的保温性能，在传热系数等级方面比240 mm(L)×190 mm(W)×180 mm(H)多孔保温砌块提高了2个等级，由1.92 W·m-2·K-1变化为1.34 W·m-2·K-1，达到夏热冬暖地区外墙自保温要求(≤1.5 W·m-2·K-1)。在宽厚烧结煤矸石多孔保温砌块的基础上，只要采用相对简单的措施，比如孔内插入聚苯板的同时略微降低基材导热系数，就能实现夏热冬冷地区的外墙自保温要求(≤1.0 W·m-2·K-1)。降低基材导热系数的方法有添加导热系数更低的原材料，添加成孔剂在基材中形成微孔等等。另外，虽然宽厚多孔保温砌块有较好的热工性能，且也能满足力学性能要求。然而，作为集结构和自保温一体的功能性构建，其力学性能和热工性能之间的耦合关系，及其优化也值得进一步研究。