（工程力学专业论文）黄河淤泥承重模数多孔砖的选型及孔型研究.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 黄河淤泥的不断淤积抬高了河床，极大地制约了黄河流域经济。粘土制砖毁 坏良田，贻害后人，亟需替代产品。在建设节约型社会的大背景下，k p l 型多孔 砖已无法满足日益增长的节能需求，因此利用黄河淤泥生产承重模数多孔砖迫在 眉睫。 黄河淤泥模数多孔砖是运用模数协调理论和方法设计的转型系列，其特点是 在其规格尺寸上考虑了建筑模数的要求，不仅保护耕地，化害为利，同时也做到 了节土、节地、节能，避免了旌工中砍砖严重的问题，为我省的建筑节能和墙体 材料改革工作做出了巨大贡献，有着社会、经济、环境等多重效益。 本文从孔洞型式入手，抓住影响黄河淤泥模数多孔砖热工性能及承重性能的 主要因素，主要进行了以下几个方面的研究： ( 1 ) 利用传热学原理和一系列试验结果对比，探讨了孔洞型式与模数多孔 砖热工性能之间的关系，分析了孔洞率、孔洞形式和孔洞排列方式等 因素对多孔砖导热系数的影响，并寻找出了适合模数多孔砖热工计算 的公式。 ( 2 ) 通过对模数多孔砖的力学性能分析，研究了孔洞型式对承重性能的影 响。并利用弹性理论，对模数多孔砖孔洞附近的应力集中进行了理论 研究。 ( 3 ) 本文借助大型有限元通用程序a n s y s 对不同孔型黄河淤泥模数砖进 行了受压模拟计算，通过对砖体应力极值和应力分布云图的比较分 析，探讨了孔型对模数砖承重性能的影响。 ( 4 ) 通过对热工性能和承重性能的综合考虑，最终确定出了合理的黄河淤 泥模数砖型与孔洞型式，找出了承重节能的平衡点。 本文采用的分析手段是建立在理论分析和试验结果紧密结合的基础上，通过 对孑l 型与模数多孔砖热工性能及承重性能之间全面的分析研究，总结了黄河淤 泥模数多孔砖孔型的设计参数，不仅对生产优质的黄河淤泥模数多孔砖具有指 导意义，同时也可供同类模数多孔砖设计时参考。 关键词建筑材料黄河淤泥承重模数多孔砖传热学有限元分析孔型 1 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ey e l l o wr i v e rs i l ts i l t e dc o n t i n u o u s l yt oj a c ku pt h er i v e rb e d ，i tg r e a t l y r e s t r i c t e dt h ee c o n o m yo ft h ey e l l o wr i v e rb a s i n c l a yb r i c kd e s t r o y e df a r m l a n da n d h a r m e dt h ef u t u r eg e n e r a t i o n s ，i ti su r g e n tt of i n da l t e r n a t i v ep r o d u c t s i n t h e b a c k g r o u n do fb u i l d i n gc o n s e r v a t i o n - o r i e n t e ds o c i e t y , k p l - b r i c kh a sb e e nu n a b l et o m e e tt h ei n c r e a s i n gd e m a n df o re n e r g y s a v i n g , t h e r e f o r et h eu s eo ft h ey e l l o wr i v e r b e a r i n gb r i c ki si m m i n e n t t h ey e l l o wr i v e rs i l tc e l l u l a rb r i c k sa r et h et r a n s i t i o ns e r i e sw h i c hm a k eu s eo f t h em o d u l a rc o o r d i n a t i o nt h e o r ya n dm e t h o dd e s i g n ，i t sc h a r a c t e r i s t i ci st h a ti t ss i z e s p e c i f i c a t i o n st oc o n s i d e rt h em o d u l eo ft h ec o n s t r u c t i o n ，n o to n l yt op r o t e c tf a r m l a n d ， t u r nh a r mt ob e n e f i t ，b u ta l s ot os a v et h es o i l ，l a n d ，e n e r g y , a v o i dt h ep r o b l e m so f c u t t i n gb r i c k si nc o n s t r u c t i o n a tt h es a m et i m e ，i tm a k e at r e m e n d o u sc o n t r i b u t i o nf o r o u rp r o v i n c e sc o n s t r u c t i o no ft h ee n e r g y s a v i n ga n dw a l lm a t e r i a l sr e f o r m s ，h a v i n g s o c i a l ，e c o n o m i c , e n v i r o n m e n t a la n do t h e rm u l t i p l eb e n e f i t s b a s e do nt h er e l a t i o no ft h eh o l et y p ea n dt h et h e r m a l ，l o a d - b e a r i n gp e r f o r m a n c e o ft h ey e l l o wr i v e rs i l tm o d u l a rc e l l u l a rb r i c k ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n dd i s c u s s e st h e m a i nf a c t o r si nt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： ( 1 ) u s i n gt h ep r i n c i p l e so fh e a tt r a n s f e ra n das e r i e so ft e s tr e s u l t s ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h er e l a t i o no ft h eh o l et y p e sa n dt h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft h ey e l l o w r i v e rs i l tm o d u l a rc e l l u l a rb r i c k ，a n d a n a l y s e st h eh o l er a t e ，h o l e sf o r m ，h o l e a r r a n g e m e n ta n do t h e rf a c t o r so nt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fc e l l u l a rb r i c k a tl a s t ， w es e a r c hf o ras u i t a b l et h e r m a lc a l c u l a t i o nf o r m u l af o rm o d u l a rb r i c k ( 2 ) b a s e d t h e a n a l y s i s o ft h em o d u l eb r i c km e c h a n i c a l ，i ts t u d i e dt h e r e l a t i o n s h i po ft h eh o l e st y p e sa n db e a r i n gp e r f o r m a n c e a n dt h i sp a p e ru s e st h e e l a s t i ct h e o r yt or e s e a r c ht h ef o c u sn e a rt h eh o l e sa b s t r a c t l y ( 3 ) f o u n d e do nl a r g e s c a l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o g r a ma n s y s ，t h i sp a p e r a n a l y s e st h ed i f f e r e n tm o d u l a rb r i c k _ t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h eb r i c k e x t r e m es t r e s sa n ds t r e s sc o n t o u r st od i s c u s sl o a d - b e a r i n gp e r f o r m a n c eo fm o d u l a r b r i c k 2 塑型查堂堡占堂垡堡苎 一一一一 ( 4 1b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o n o f t h e r m a lp r o p e r t i e sa n dt h el o a d b e a r i n g p r o p e r t i e s ，u l t i m a t e l yt h i sp a p e r d e t e r m i n e dar e a s o n a b l es c a l eo ft h ey e l l o wr i v e rs i l t m o d u l a rb r i c kw i t haf e wh o l e si nt h ef o r m ，i d e n t i f i e dt h eb a l a n c eo ft h el o a d - b e a r i n g a n ds a v i n ge n e r g y t h ea n a l y t i c a lm e t h o di n t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a l a n a l y s i sw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h r o u g ha n a l y s i n gt h er e l a t i o n o fh o l et y p ea n d t h e r m a lp e r f o r m a n c e ，l o a d b e a r i n gp r o p e r t i e sc o m p r e h e n s i v e l y , i ts u m m e du pt h e d e s i g np a r a m e t e r so fh o l et y p ef o rt h ey e l l o wr i v e rs i l tm o d u l a rc e l l u l a rb r i c k ，n o t o n l yf o rt h ep r o d u c t i o no fh i g hq u a l i t yo ft h ey e l l o wr i v e rs i l tm o d u l a rc e l l u l a rb r i c k o fg u i d i n gs i g n i f i c a n c ea n da l s oa v a i l a b l ef o rs i m i l a rm o d u l a rb r i c kd e s i g nr e f e r e n c e - k e y w o r d s ：b u i l d i n gm a t e r i a l s t h ey e l l o wr i v e rs i l tb e a r i n gm o d u l a rc e l l u l a r b r i c kh e a tt r a n s f e rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s h o l et y p e 3 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 黄河淤泥制砖的优势 1 1 1 保护耕地，造福后代 粘土砖作为传统的墙体材料在我国已经有数千年的历史，它具有材料来源广 泛、易就地取材等优点。以粘土砖作为承重材料的砖混结构由于施工方便和造价 低廉等优势，在我国工业与民用建筑中一直占有举足轻重的地位，其中以砌体材 料为主的建筑已经占全国建造总房屋总数的7 0 以上。 然而，随着社会的进步，环保意识的不断提高，人们已经逐步开始认识到粘 土制砖对耕地的危害。目前，全国每年要耗用粘土资源1 3 亿立方米，按平均挖 土深3 米折算，相当于每年毁田约7 0 万亩。如此毁田损地之举，后果不堪设想。 “粘土取之不尽、用之不竭”的观念必须改变。“但得方寸地，留于子孙耕”是我们 义不容辞的责任。 我们知道，土地是宝贵的自然资源，是人类赖以生存和发展的基础，保护土 地，特别是保护耕地，是事关我国的粮食安全和经济社会可持续发展的春秋大业。 为了保护耕地，实施可持续发展战略，我国已全面实施了墙体材料的改革，限时、 限地禁止使用实心粘土砖的工作已全面开展。国家八部委联合发布的关于推进 住宅产业现代化提高住宅质量若干意见中指出，从2 0 0 0 年6 月1 日起，沿海 城市和其他土地资源最稀缺的城市，禁止使用实心粘土砖；2 0 0 1 年1 1 月，国经 贸资源 2 0 0 1 5 5 0 号文件公布了全国1 7 0 个城市在2 0 0 3 年6 月3 0 日限时禁止使 用粘土砖，同时提出了全国省会城市将在2 0 0 5 年年底实现禁止使用粘土砖的目 标；2 0 0 5 年，国家发改委发布2 0 0 8 年年底前全国第二批2 5 6 个城市禁止使用粘 土砖；到2 0 1 0 年年底，中国所有城市城区将禁止使用毁田耗能的实心粘士砖。 由此，可以看出我国对“禁实”工作的决心。 因此，利用黄河淤泥制砖不仅保护了我国宝贵的土地资源，实现了可持续发 展战略，而且也能够很好的替代粘土承重砖，对我国墙体材料的发展起到了极大 地推动作用。 郑州大学硕上学位论文 1 1 2 黄河淤泥制砖清理河道，变废为宝 我们华夏子孙的文明是蘸着黄河水写成的，可以说没有黄河就没有我们现在 的文明，而随着黄河中上游生态环境的日益恶化，黄河从黄土高原携带大量的泥 沙冲入黄河下游，由于流速渐缓而逐渐淤积起来，抬高了河床，甚至在某些地区 已经形成了“地上悬河”，若遇到洪水汛期，这些地方一定会出现险情，大大危及 了两岸人民群众的生命和财产安全，极大地制约了黄河流域经济建设的发展。虽 然政府也对黄河流域实行了很多举措，如调水调沙等，但是都无法从根本上对黄 河进行根治，淤泥究竟该如何处理，泥沙最终将流向何方，时刻都困扰着我们。 在国际上，许多国家像我们国家一样，都存在大面积的淤泥没有办法处理利 用，而目前，一些国家已经找到了淤泥废物利用的方法，如日本的神户市已成功 地将污泥混入沥青中用于铺路；而英法等国也利用淤泥为原料，制成了高效净化 燃料。这些方法都很好地解决了淤泥的利用归属问题，而我国的淤泥处理工作又 该如何开展呢? 为了解决淤泥的归属问题，将其变废为宝，我们课题组在前期已 对黄河淤泥制砖进行了深入的研究。 利用黄河淤泥为主要原料，掺入一定量可燃性工业废渣和其它外加剂，通过 合理的生产工艺流程，可以将淤泥土坯制成优质的烧结承重多孔砖，其不仅和其 它烧结多孔砖一样，具有结构性能好、容重低、强度高、外观质量好和价格低廉 等优点，并且还具有化害为利、变废为宝、保护耕地、退耕还田、节约能源、改 善环境等优势，极大地推动我省墙体材料的革新，具有社会、经济、环境等多重 效益，是一种非常具有前景的新型墙体材料。 近年来，本课题组对黄河淤泥砖的生产配方及砌体力学性能进行了大量试 验，如早期吴本英师姐对淤泥砖配料成分进行了详尽的对比分析，通过对淤泥单 砖的各方面试验证明了淤泥制砖的可行性：后赵自东师兄等对砌体的基本力学性 能进行了大量试验研究，总结出了淤泥砖砌体的破坏规律；目前我们又通过对不 同高厚比和偏心距的中长柱受压试验来对其在实际受力中的力学性能进行进一 步研究，从中总结出了很多宝贵经验成果。根据前期试验收集的数据结果显示， 黄河淤泥多孔砖砌体具有强度高、开裂晚等特点，其抗压强度、裂缝开展以及破 坏特征等方面与粘土砖相近，完全可以作为新型承重墙体材料投入生产使用【1 j 。 2 郑州大学硕士学位论文 1 2 建筑节能与墙体材料改革 1 2 1 建筑耗能与节能 自从1 9 7 3 年世界能源危机以来，各国都非常重视节约能源的问题，兴起了 世界性的节能运动，并把节能与煤炭、石油、天然气、水电四大常规能源相提并 论，称之为五大能源，由此可见节能问题已处在了极其重要的地位，而其中建筑 节能尤为关键。 所谓建筑节能，现在的含义已比字面上的意义更加丰富和深刻，在发达国家 它已经经历了三个发展阶段：最初称作“建筑节能”( e n e r g ye f f i c i e n c yi n b u i l d i n g s ) ，主要指的是节约；后来改为“e n e r g yc o n s e r v a t i o ni nb u i l d i n g ”，即为在 建筑中保持能源；近来则普遍称为“提高建筑中的能源利用效率”( e n e r g ys a v i n g i nb u i l d i n g s ) ，也就是说，并不是消极意义上的节省，而是从积极意义上去提高 利用效率达到节能的目的。 国外对于社会节能方面的研究比我国开始的早得多，尤其是美国、英国、日 本等发达国家对于节能方面的研究和应用更是远远领先。例如在美国有“节能之 星”标准( e n e r g ys 1 a r ) ，这个标准的实施在不增加初期投资的前提下可节省 3 0 5 0 的能源消耗 2 1 。而其他一些发达国家也非常注重节能问题。比如德国 能源匮乏，石油几乎1 0 0 进口，天然气8 0 进口，因此节约能源和保护环境是 德国政府开发利用能源的一贯政策。由于纬度较高，德国冬季较长，建筑供暖耗 能成为德国政府着力解决的一个关键领域。多年来，政府通过制定和改进建筑保 温技术规范等措施，不断发掘建筑节能的潜力。德国能源节约法于2 0 0 2 年 2 月生效，它取代了以往的供暖保护法和供暖设备法，制定了新建建筑 的能耗新标准，规范了锅炉等供暖设备的节能技术指标和建筑材料的保暖性能 等。按照新法规，建筑的允许能耗要比2 0 0 2 年前的能耗水平下降3 0 左右。而 早在1 9 7 8 年，德国就修改过一次建筑节能标准，使得其后的建筑能耗比1 9 7 8 年前的老建筑减少了6 0 以上。 而我国的建筑节能工作与发达国家相比起步较晚，能源浪费比较严重，主要 表现在以下方面： ( 1 ) 在采暖耗热量上，我国外墙大体上为气候条件接近的发达国家的4 5 3 郑州大学硕士学位论文 倍，屋顶为3 6 倍：外窗为2 3 倍，门窗透气性为3 6 倍，与当前发达国家 建筑能耗已经大大降低的情况相比，我国单位建筑面积采暖能耗是发达国家标准 的3 倍以上，与发达国家差距很大【引。 ( 2 ) 近几年我国城镇化将加速发展，每年建成房屋达1 6 亿2 0 亿平方米， 如此巨大的建筑规模，在世界上都是空前的。并且在2 1 世纪头2 0 年内，建筑业 仍将迅速发展，2 0 0 2 年底全国城乡房屋建筑面积共计为3 8 8 亿平方米，其中城 市1 3 1 8 亿平方米。预计到2 0 1 0 年底，全国房屋建筑面积为5 1 9 亿平方米，其 中城市1 7 1 亿平方米；估算到2 0 2 0 年底，全国房屋建筑面积达6 8 6 亿平方米， 其中城市为2 6 1 亿平方米。 ( 3 ) 高耗能建筑比例大。目前，我国已建房屋有4 0 0 亿平方米以上属于高耗 能建筑，总量庞大，潜伏巨大能源危机。正如建设部有关负责人指出，仅到2 0 0 0 年末，我国建筑年消耗商品能源共计3 7 6 亿吨标准煤，占全社会终端能耗总量 的2 7 6 ，而建筑用能的增加对全国的温室气体排放“贡献率”已经达到了2 5 。 因高耗能建筑比例大，单北方采暖地区每年就多耗标准煤1 8 0 0 万吨，直接经济 损失达7 0 亿元，多排二氧化碳5 2 万吨。如果任由这种状况继续发展，到2 0 2 0 年，我国建筑耗能将达到1 0 8 9 亿吨标准；同年，空调夏季高峰负荷将相当于1 0 个三峡电站满负荷发电能力，这将会是一个十分惊人的数量。据分析，我国目前 处于建设鼎盛期，每年建成的房屋面积高达1 6 亿至2 0 亿平方米，超过所有发达 国家年建成建筑面积的总和，而9 7 以上是高耗能建筑。以此推算，预计到2 0 2 0 年底，全国高耗能建筑面积将达到7 0 0 亿平方米。 造成以上状况的原因主要有以下三点：过去人们的节能意识淡薄，致使房 屋设计不合理，只强调工程初始投资，而很少考虑建成后的日常运行的能耗和费 用等问题；采用传统建筑材料建造房屋时，墙体材料的保温性能差，建筑设计 保温标准低，大大增加了能源消耗量。设备效率不高，运行管理不善等等，都 会导致能量严重流失和浪费。 目前，建筑节能工作已经引起了党中央、国务院领导同志的高度重视，为了 扭转这种不合理局面，建设部白上世纪八十年代中期先后制定颁布了涵盖北方严 寒、寒冷地区、南方夏热冬冷地区、夏热冬暖地区居住建筑的节能设计标准，以 及公共建筑节能设计标准、采暖居住建筑节能检验标准等，并颁布了民用建筑 4 郑州大学硕士学位论文 节能管理规定( 建设部令第7 6 号) 。与此同时，许多省市编制了适合本地区气 候条件的民用建筑节能设计标准实施细则，出台了地方政府令。经过各级人民政 府和建设行政主管部门的共同努力，节能建筑推广工作取得了积极成效。 但是，必须清醒地看到，节能建筑的推广工作在全国各地的发展很不平衡。 根据最新的调研结果，在施工图设计文件审查阶段，北方严寒和寒冷地区大城市 新建居住建筑执行建筑节能设计标准比例为9 0 ，夏热冬冷地区比例只有2 0 ， 夏热冬暖地区比例仅为1 1 。而实际在施工过程中按节能设计标准旅工的又大打 折扣，北方地区的比例为5 0 ，夏热冬冷地区的比例为1 4 ，夏热冬暖地区的 比例仅为1 1 左右。如不坚决执行有关建筑节能强制性标准，势必使我国能源短 缺的矛盾更加突出，并会进一步制约我国国民经济的持续快速发展1 4 1 。 1 2 2 墙体材料革新 建筑节能的主要途径就是进行墙体材料革新。据调查统计，外墙所造成的能 耗占整个建筑物能耗的7 5 以上，所以在进行墙体改革中以增强外墙保温隔热 性能尤为重要。如果能够使得建筑围护结构具有良好的保温隔热性能，便可减少 冬季室内传出室外的热量和夏季室外传入室内的热量，从而减少因保持室内舒适 热环境所需要提供的采暖和制冷能量。因此，为了降低能源消耗，我们应该首先 从围护结构着手，重视其热工特性，设计中应该找出其经济热阻，同时还必须考 虑其围护结构的“吸热性”和“热容性”指标。 众所周知，烧结普通砖是我国的传统墙体材料，因其具有足够的强度和耐久 性，建筑物理性能比较稳定，造价低廉，原材料来源广泛，至今仍受到众多使用 者的青睐。但是它在生产过程中浪费大量的土地和能源，污染了环境，而且由于 实心粘土砖保温隔热性能差，致使建筑能耗总量很大。因此，在墙体材料革新上， 我们应致力于淘汰和限制黏土制品，发展以淤泥、工业废渣等非粘土为主要原料 的新型墙体材料，积极推广节能建筑，有效地保护耕地资源，提高废弃物综合利 用率，改善建筑功能和居住舒适度，促进墙体材料产品结构调整、产业优化升级 和建筑业技术进步，只有如此，我们才能发展循环型经济、建设社会主义节约型 社会。 5 郑州大学硕士学位论文 由上面可以看出，墙体材料改革是当前建材行业面临的一项艰巨、复杂而又 紧迫的任务。做好这项工作，对于节能、节土、利废、保护环境，调整建材工业 产品结构，促进建材工业技术进步等，都具有十分重要的意义。 同时，胡锦涛总书记页提出我国住宅建设要开展“节约省地型住宅”，这不仅 是要求我们在住宅设计上做到节省土地，而且在墙体材料的革新上也要达到节约 建筑使用能耗，改善建筑功能的目的 5 - 6 1 。 1 3 黄河淤泥承重k p l 型多孔砖存在的主要问题 由于实心粘土砖大量消耗不可再生的粘士资源，严重破坏耕地，并且存在着 煤耗高、自重大、保温隔热效果差等问题。因此，再也不能听之任之，为了保护 耕地，改善房屋的保温隔热性能，我国全面的开展了“禁实”工作，在未找到合适 的替代产品前，k p l 型烧结承重多孔砖作为一种过渡砖型出现并广为使用。 k p l 型多孔砖规格尺寸为2 4 0 x 1 1 5 x 9 0m m ，孔洞一般为圆孔，直径不大于 2 2 咖，非圆孔内切直径不大于1 5 l n l n ，孔洞数目有1 9 孔、2 0 孔、2 1 孔几种。 此外，优等品和一等品的多孔砖应为矩形孔或矩形条孔，且孔洞有序交错排列。 虽然k p l 型烧结多孔砖比实心烧结砖在节土、保温隔热、抗震性能、隔声 性能上已经有了很大改善，但是从日益增高的节能和砌筑要求来看，传统k p 型 多孔砖在很多方面已经不能满足现时代的诸多要求，其中尤以以下几个方面最为 突出： ( 1 ) 孔洞率低，浪费土地资源 k p l 型烧结多孔砖孔洞率较低，大多在2 0 2 5 之间，虽然比实心砖有所 节约，但是还是无法达到真正的节土节能，因此我们必须尽量优化孔洞结构形式， 增大孔洞率，降低砖体容重。 ( 2 ) 节能效果差，施工费料多 从节能上看，我国从1 9 8 6 年开始实施节能3 0 的设计标准( 以1 9 8 1 年建筑 设计规范，每平方米采暖面积一个采暖季耗标准煤2 5k g 为1 0 0 ) ，1 9 8 8 年修订 的设计规范降低为1 7 5k g ，采暖能耗降低( 3 0 ) ，1 9 9 6 年开始实施节能5 0 的设计标准j g j 2 6 - 9 5 ( 每平方米采暖能耗降低到1 2 5 k g 以下) 。在这几年中， 无论是国家的建筑节能政策，或者是建筑节能技术都有极大的进展，在2 0 0 2 年， 6 郑卅i 大学硕士学位论文 节能5 0 的建筑设计标准已经基本在全国大城市得到普及。 而我们目前正广泛使用的k p i 型多孔砖( 圆孔) 虽然已经比实心砖在节能 上有所改善，但是由于其孔洞的节能效果较差，即使4 9 0m m 厚的墙体也达不到 第二步节能5 0 的要求。因此，我国大多区域的节能要依靠增加墙厚来解决，但 是过厚的墙体不仅减小了使用面积，也增加了材料用量、运输量、施工工料费用， 极不经济。 ( 3 ) 砖型非模数，砍砖严重，施土效率低 在国标住宅建筑模数协调标准中明确指出：吁睾混结构应按模数化空间 网格设置，平面网格应采用3m ，竖向网格应采用i m ”。而传统的k p i 型多孔 砖，标志尺寸为2 5 0 x 1 2 5 x 1 0 0 ( m m ) ，只在竖向满足了模数网格的要求，不符合 建筑设计平面中以3m 或6m 为基本扩大模数的网格，因此在施工中需要大量 实心配砖和调整灰缝厚度来满足模数化的要求，这样势必无法从根本上抛弃实心 砖，同时也费土费料费时。并且，大多数情况为方便施工，工人会进行砍砖工作， 这样砌筑后会增加了砌体中的复杂应力，降低砌体强度，同时还会造成资源浪费， 产生建筑垃圾。 ( 4 ) 砌筑厚度级差大，经济效果差 以k p i 型砖砌墙时，墙厚系列级差过大，为1 2 0 、2 4 0 、3 7 0 、4 9 0 m m ， 它是以1 2 5m m 为级差变化的，往往所选用的墙厚大于结构计算或热工计算所需 的厚度，经济效果较差 7 - 8 1 。 综上所述，随着空心化的开展，再也不能只停留在k p 型砖的水平上，只重 视形式而不重视效果，应该响应国家建筑节能的号召，致力于发展新型墙体材料， 生产出更加节土、节能的新型多孔砖体，将多孔砖空心化、模数化、系列化。 1 4 承重多孔砖模数化的诸多优点 1 4 i 模数协调理论 模数协调的概念，就是一组有规律的数列相互之间配合和协调的学问。在生 产和施工活动中，应用模数协调的原理和原则可以规范住宅建设生产各环节的行 为，制定符合相互协调配合的技术要求和技术规程。国际模数数列采用差级数理 7 郑州大学硕士学位论文 论来编排。我国建筑模数协调统一标准( g b j 2 8 6 ) 的数列，遵守国际规定，数 列以基本模数m = 1 0 0i n n l 为基础，向上为扩大模数3 m 数列，向下为分模数( m 2 ， m 5 ，m 1 0 ) 数列，级差均匀，数字间协调性能好。而模数网格设计，就是利用 正交三度空间的模数化空间网格，来进行建筑设计和局部构造设计1 9 j 。 随着建筑工业化的发展，建筑标准化贯穿了建筑的全部过程，而解决建筑标 准化的关键之一就是模数制和模数网格的应用，模数协调及优选参数的确定。模 数制就是在建筑模数的基础上制订的一套尺寸协调规则。 作为尺度协调中选定的一个增值单位称为“模数”，它既是一个基本尺度单位 又是一个标准系数。在砖体定义上，凡长宽高尺寸符合现行模数制，其砌体能满 足建筑设计标志尺寸按模数数列进级变化的砖称为模数砖。在1 9 7 5 颁布的承 重粘土空心砖j c l 9 6 - - - 7 5 标准中，把1 9 0 x 1 9 0 x 9 0 ( 衄) 砖代号定为k m l ( 模 数空心砖一号) ，后根据新的国家标准砖和砌块名词术语g b 5 3 4 8 规定：竖 孔，多用于承重部位，孔洞率大于1 5 的称为多孔砖；水平孔，多用于保温隔热 的称空心砖。现在，将模数多孔砖代号称为d m 型，而将模数空心砖称为k m 型1 1 0 l 。 1 4 2 模数多孔砖的优势 模数多孔砖就是将多孔砖模数化，空心化，根据国内外的大量研究，其具有 以下优势： 1 、节省原料土，一般可节约3 0 3 5 ； 2 、孔洞率高，保温性能好，3 4 c m 厚的模数多孔砖组合砌筑墙体的热阻值相 当于5 0 c m 厚的实心淤泥砖的保温性能：3 9 e r a 厚的模数多孔砖墙的热阻值相当 于6 2 c m 厚的淤泥实心砖的保温隔热性能； 3 、体轻块大，减轻墙体自重，节约基础工程费； 4 、利用模数多孔砖砌墙可以比传统砖提高效率1 0 以上，并且其能与建筑 模数协调配合一致，在施工中不砍砖调缝，有利于合理选择墙厚和劳动生产率的 提高，施工中不砍砖，提高砌筑效率； 5 、节约砂浆。模数砖砖型较大，减少了垂直灰缝的数量，可节约1 0 左右 的砌筑砂浆。 8 郑州大学硕士学位论文 6 、隔声性能好。1 9 0 m m 厚的墙体，隔声效果大于4 5 d b 。 7 、抗震性能好。模数多孔砖砌体内销键的存在，大大提高了砌体的抗剪强 度，改善了墙体的抗震性甜1 1 1 3 1 。 从上面可以看出，承重模数多孔作为一种新型建筑节能墙体材料，既可用于 砌筑承重墙，又具有热工性能优，符合施工建筑模数，减少施工过程中的损耗， 提高工作效率等优点，并且，推广模数多孔砖真正做到了节土、节地、节能三项 节约( 见表1 1 ) ，提高了砖混建筑物的抗震性能、建筑物理性能，具有广泛的通 用性、互换性和组合性，对新型砌体材料的发展具有巨大的推动意义【1 4 。堋。 表1 1 d m 型砖的三项节约 多孔砖占年节约砖 年节约土 年节能耗 砖总产量( 亿块)( 万m 3 )( 7 5 t 标煤) ( ) d mk p ld mk p ld mk p l 23 788 8 35 1 78 04 7 47 41 61 7 6 61 0 3 51 6 19 4 2 24 0 58 79 7 1 35 6 9 0 8 8 3 5 1 8 1 5 1 国外研究现状 1 5 模数多孔砖的研究现状 2 0 世纪后期，许多国家开始致力于砖体材料的研究，大大推动了制砖工业 产品质量的改进，砖体材料也逐步向高强、空心、轻质方向发展。随着科技的进 步，砖的品种规格不断更新，本世纪4 0 年代，随着建筑工业的发展，建筑标准 化程度的提高，许多国家开始通过调整砖的规格尺寸去进一步满足建筑模数的要 求。 美国从4 0 年代就开始使用模数砖，其砖型以标志尺寸表示，即构造尺寸与 灰缝厚度尺寸之和。美国采用的是英制尺寸，以4i n 作为基本模数值，因其灰缝 厚度有3 种：1 4i n ( 6 m m ) ，3 8i n ( 9 5m m ) ，1 2i n ( 1 2 7m m ) ，故在一种标志 尺寸下的砖可能有3 种不同的构造尺寸。 前苏联的研究者提出模数砖的构造尺寸为长宽高= 1 9 0 x 9 0 x 6 5 ( m m ) ，其 9 郑州大学硕士学位论文 标志尺寸2 0 0 x 1 0 0 x 7 5 ( m m ) ，按模数表示为2m x lm x 0 7 5m ，虽然砖高为0 7 5 m 是非模数尺寸，但是4 皮砖高为3m 。该砖可砌筑按1m 变化厚度的墙体， 即墙厚为1m 、2m 、3m ；砖的备料、生产、运输符合习惯作法，但砖砌 体的垂直方向不易适应建筑水平构件在高度上与墙体搭接的要求；砖的尺寸偏 小，生产和施工劳动量都会加大；由于没有设计配砖，所以在实际施工中仍需一 定的砍砖工作。 捷克使用的模数砖尺寸为2 9 0 x 1 4 0 x 6 5 ( r a m ) ，其标志尺寸为3 0 0 x 1 5 0 x 7 5 ( 舳) ，长宽高比为4 ：2 ：1 ，属于较好的传统砖型一类，砌筑清水墙，墙面美 观大方。由于块型增大，有利于制造、运输和旌工，同时也提高砌体强度，减少 了灰缝降低了墙体的“热桥”效应，利于保温隔热。其可砌筑1 4 0 、2 9 0 、4 4 0 m m 厚的墙，并且有2 9 0 x 2 1 0 x 2 4 0 、2 9 0 x 1 1 3 x 2 4 0 、1 4 0 x 1 1 3 x 1 1 5 ( m m ) 等规格模数 砖补充使用。 1 9 7 0 年英国正式采用国际米制单位模数砖，主要规格有2 9 0 x 9 0 x 9 0 ( i l l3 m x l m x l m ) 、2 9 0 x 2 9 0 x 9 0 、2 9 0 x 1 4 0 x 6 5 、2 9 0 x 9 0 x 4 0 ；3 9 0 x 9 0 x 9 0 、3 9 0 x 1 4 0 x 9 0 、 1 9 0 x g o x 5 7 、1 9 0 x 7 5 x 5 7 ( n u n ) 等。英国模数砖的特点是砖高主要采用1m ，大 大简便了建筑设计和施t i n 。部分砖型见图1 - 1 。 德国格林公司e t 产3 0 0 t 空心砖厂通用设计产品规格为2 9 0 x 9 0 x 9 0 、 2 9 0 x 9 0 x 1 4 0 、2 9 0 x 1 4 0 x 9 0 、2 9 0 x 1 4 0 x 1 4 0 、2 9 0 x 1 8 0 x 9 0 、2 9 0 x 1 8 0 x 1 4 0 、 2 9 0 x 1 9 0 x 9 0 、1 9 0 x 9 0 x 5 0 、1 9 0 x 9 0 x 5 7 、1 9 0 x 9 0 x 6 5 、1 9 0 x 9 0 x 9 0 ( m m ) 等。具 体多孔砖如图1 2 所示【1 6 1 。 图1 - 1 英国部分砖型图1 - 2 德国制造的多孔砖 l o 郑州大学硕士学位论文 1 5 2 国内对模数砖的研究 我国的模数砖空心化始于4 0 年代，上海大中砖厂曾生产过1 2 x 1 2 x 4 ( i n ) ， 1 2 x 1 2 x 6 ( j n ) ，1 2 x 1 2 x 8 ( i n ) 的美制模数空心砖，其长：宽：高分别为3 ：3 ：1 ， 3 ：3 ：1 5 ，3 ：3 ：2 。南京新宁砖厂也生产过1 2 x 1 2 x 6 ( i n ) ，1 2 x 1 2 x 8 ( i n ) 同 类空心砖，为我国最早的模数空心砖墙体材料。6 0 、7 0 年代，在没有产品标准 的情况下，南京地区曾使用过1 9 0 x 1 9 0 x g o ( m m ) 和1 9 0 x 1 9 0 x g o ( n u n ) 两种砖 型，并修建了南京大桥饭店。其后，陕西省实验砖瓦厂，上海振苏砖厂，江苏昆 山大东砖厂都生产过模数多孔。为了推进我国新型建材发展，推广普及高孔洞率 砖，1 9 8 6 年，国家计委节能局规划计划司在上海召开了“部分省市推广空心砖生 产应用交流会”，按照节能要求提倡改革粘土实心砖发展空心砖。会后，中国建 筑标准设计研究所于翌年完成了“模数空心砖可行性研究报告”，经建设部、国家 建材局组织的专家会论证审查通过，明确提出了砖型模数化是砖型改革的方向。 1 9 9 0 年中国建筑标准设计研究所完成了“模数砖适用砖型系列研究”专题， 该专题以模数协调理论、方法对国内外粘土砖型做了深入细致的研究，结合我国 国情设计出了模数砖型和适用系列，总结出具有普遍适用意义的模数砖型系列； 该专题对模数砖墙体在设计中如何建立定位轴线，节点构造、抗震构造和圈梁的 设置、施工砌筑排砖方法等如何配合节能保温需要的具体设想有很多创新之处。 1 9 9 2 年，由中国建筑科学研究院、西安墙材研究设计院、中国建筑标准设 计研究所、北京建筑设计研究院、武汉工业大学、陕西省建筑科学研究设计院共 同完成了“模数多孔砖与建筑应用的研究”。课题组进行了模数多孔砖型、成型工 艺、热工性能、砌体材性、墙体和模型房屋抗震性能的试验研究、设计与施工要 点及产品企业标准的编制等项工作，取得了大量可靠的试验数据，为模数多孔砖 的生产和应用提供成套技术。 成都于1 9 9 5 年完成了郫县、大邑两地模数多孔砖试验住宅楼的建造，与相 同层数的普通砖住宅楼相比，节土、节能、减少运输量分别降低了2 0 5 左右， 总荷载减轻约1 7 。并编制了“成都地区模数多孔砖建筑抗震设计与施工要点” 和“模数多孔砖建筑物抗震构造详图”为大规模设计施工准备条件。 1 1 郑州大学硕学位论文 图1 - 3 大邑县高堂页岩矸砖厂生产的 1 9 0 x 1 9 0 x 9 0 模数多孔砖 图l - 4 太原东关砖厂试生产的 1 9 0 x 1 9 0 x 9 0 模数多孔砖 图1 - 5 西安市砖瓦厂生产的图1 - 6 安徽肥西砖厂试生产的1 9 0 x 1 4 0 x 9 0 、 1 9 0 x 2 4 0 x g o 模数多孔砖1 9 0 x g o x 9 0 模数多孔砖 据不完全统计，国内目前生产模数空心砖、多孔砖的的厂家及其产品规格有： 北京密云空心砖生产基地，国内生产线，试生产的d m l 型砖，孔隙率3 5 ，强 度等级为m u l 5 ；安徽肥西砖厂，引进了西班牙生产线，试制的d m 2 模数砖孔 隙率2 8 ，强度等级为m u l 5 m u 2 0 ，d m 3 模数砖孔隙率3 1 ，强度等级为 m u l 0 ；南京新宁砖瓦厂，1 9 0 x 1 9 0 x g o 、1 9 0 x l g o x l 2 0 、1 9 0 x 1 9 0 x 1 5 0 、 1 9 0 1 9 0 1 9 0 、1 9 0 x 9 0 x 9 0 、2 9 0 x 1 9 0 x 9 0 、2 9 0 2 9 0 x 1 5 0 、4 5 0 x 2 9 0 x 9 0 ( r a m ) ： 上海振苏砖厂，1 9 0 x l g o x 9 0 、1 9 0 x 1 4 0 x 9 0 、2 9 0 x 1 9 0 x g o 、3 0 0 x 2 0 0 x 1 1 5 、 3 0 0 x 2 4 0 x 1 5 0 ( m m ) ；南京东风砖厂，1 9 0 x 1 9 0 x 9 0 、1 9 0 x 1 9 0 x 1 4 0 、1 9 0 x g o x 0 0 ( m m ) ：江苏昆山县红光砖瓦厂，1 9 0 x 1 9 0 x 1 9 0 、1 9 0 x 1 9 0 x 1 4 0 、1 9 0 x 9 0 x 1 4 0 ( m m ) ； 西安市砖瓦厂，1 9 0 x 2 4 0 x 9 0 ( m m ) ；哈尔滨市一砖厂，1 9 0 x l g o x g o 、l g o x g o x g o ( r a m ) ；福州中亭机砖厂等，1 9 0 x 1 9 0 x 9 0 、1 9 0 x 9 0 x 9 0 、1 9 0 x 1 9 0 x 1 9 0 ( m m ) ； 郑州大学硕士学位论文 大邑县高堂页岩矸砖厂和山西太原东关砖厂生产的1 9 0 x l 删( 衄) 等【”】。 随着模数砖在我国的推广，研究学者开始对模数多孔砖砌体的力学性能和热 工性能进行分析和研究，其中中国建筑标准设计研究所的魏松年、中国建筑设计 研究院物理所的杜文英和北京建筑材料科学研究院的李鸿年同志对模数砖的孔 型设计、物理性能和热工性能进行了设计研究，武汉理工大学李保德主要对d m 型模数多孔砖的力学性能做了试验研究，徐州市新型建材研究所的何水清同志主 要对砌体性能与施工要求进行了详细研究。 但是，我国对模数砖的研究还相当欠缺，与国际水平相差甚远，目前国外多 孔砖的强度等级一般能达到m u 6 0 ，更高的水平能达到m u i ，并且盖起了十 多层的房屋，而我国多孔砖的强度最高只有m u 3 0 ，相并且废品率高，制品表面 裂纹较多，热工性能差，因此我国的模数砖应尽快研究开发，通过大量的试验研 究和优化设计