混凝土空心砌块墙体热传递性能研究

混凝土空心砌块墙体热传递性能研究

混凝土空心砌块是世界上受欢迎的新型建筑材料。它具有节约土、节能、高科技、施工方便、生产工艺简单等特点。但是普通单、双排孔混凝土空心砌块墙体热工性能达不到目前建筑节能标准的要求,其主要问题是墙体的热阻值过低。研究资料表明:190mm厚单排孔混凝土空心砌块墙体的热阻值,仅相当于140mm当量的粘土砖墙;190mm厚双排孔混凝土空心砌块墙体的热阻值,仅相当于200mm当量的粘土砖墙。本文通过对不同块型和砌筑灰缝形式的混凝土空心砌块墙体传热阻的测试,分析混凝土空心砌块墙体的热传递方式,找出影响墙体热工性能的主要因素,提出经济有效改善混凝土空心砌块墙体热工性能的措施。1混凝土空心斑块墙体保温隔热剂的研制研究传热过程是由导热、热对流、热辐射3种基本形式组成,传热现象无处不在,存在温差就会出现传热。在混凝土空心砌块墙体中,生产砌块的原料主要是碎石混凝土,其导热系数为1.5W/m.k,是普通粘土砖导热系数的两倍。由于受力的需要,混凝土砌块必须有一定宽度的壁肋,这就形成了热流密集的通道,即所谓的“热桥”,同时孔洞中的空气在冷热面温差作用下产生对流。所以普通的混凝土空心砌块虽然有很大的空洞率,但其保温隔热效果并不好。混凝土空心砌块墙体的热工性能,包含砌筑砂浆在内(不含两侧抹灰层),由混凝土壁肋、孔洞和砌筑砂浆部分决定,一般用热阻R和热惰性指标D表示。它不仅取决于砌块材料本身的热工性能,还与砌块的尺寸、孔洞排数、排列方式及灰缝砌筑砂浆有很大的关系,所以要改善混凝土空心砌块的热工性能,最经济有效的途径是改进块型及砌筑灰缝。本研究通过对不同块型(尺寸、孔洞排数、排列方式)混凝土空心砌块墙体传热阻的试验和分析,综合考虑混凝土空心砌块的强度、防水性能、生产工艺、施工操作等因素,提出保温隔热效果较优的混凝土空心砌块新块型。其次在混凝土空心砌块墙体砌筑灰缝中设置适当的空气间层,通过灰缝处热阻及传热系数测试和红外热像仪来综合检验该措施在解决混凝土空心砌块墙体灰缝“热桥”作用中的效果。2不同块混凝土空心块的冷热性能试验2.1墙体传热系数和热阻检测在丰泽区新安江新型建筑材料厂加工成型四种块型的混凝土空心砌块如图1、图2、图3、图6所示,经养护后送至华侨大学土木工程学院建材试验室砌成1.4m×1.4m的墙体,采用哈尔滨工业大学建筑节能仪表研究室研制生产的BES-D热箱式围护结构传热系数检测装置测试墙体的传热系数和热阻,如图4。2.2墙体温度测试将样品砌块砌筑在恒温实验室内,由于试验墙体含湿量的大小会对其热工性能造成影响,墙体砌筑完成后放置7d,用电风扇吹风至砌块干燥后方进行测试。用岩棉材料填实与热箱间的缝隙;布置墙体内外表面的温度测点,每个表面布置9个测点;将热箱温度设置在40.8℃左右,环境温度恒定在20±0.5℃。达到稳定后,用温度巡检仪记录表面温度数据,检测仪根据实时测量的温度、热流密度自动计算出墙体传热阻。3试验结果及分析3.1心空心砖的热阻表1列出(290mm×180mm×190mm)规格尺寸的单排孔(图1)、双排孔(图2)、三排孔(图3)三种不同块型砌块墙体热阻的测试结果,可以看出混凝土空心砌块的热阻与其孔洞的排列数有关,相同配合比的砌块,单排孔砌块的热阻最小,为0.2m2.K/W,随着孔洞排列数增多,热阻增加。三排孔砌块空心率只有30%～40%,但其保温隔热性却显著提高,其热阻值为0.45m2.K/W,相比较而言,砌块热阻增加了125%。因此,在满足砌块的壁肋厚生产工艺要求的前提下,增加孔洞排列数,有助于增强混凝土空心砌块的保温隔热性能。3.2空心斑块厚度对墙体热阻的影响普通混凝土热阻要远小于空气层的热阻,而空气层的热阻与其厚度有关,因此增加空气层或空气层厚度可提高混凝土空心砌块的热阻。通过对(290mm×180mm×190mm)规格尺寸的三排孔(厚,图3)和三排孔(薄,图6)两种相同配合比、不同壁厚(不同空气间层厚度)砌块热阻对比试验,从表2可以看出:当砌块壁肋厚由28mm减少至19mm,空气间层厚度(孔宽)由23mm增加到36mm时,砌块墙体传热阻有大幅度的提高,墙体平均热阻由0.45m2.K/W增加到0.58m2.K/W,增加了29%。研究表明:用空气作空心砌块的保温隔热层有其一定的规律性,并不像其它材料那样随着厚度增加而线性增加,当空气层的厚度超过40mm时,其热阻值增加极少。图5中示出了空气层热阻与其厚度的关系。值得注意的是,为满足受力需要,抵消因砌块壁肋厚度减少带来的砌块强度降低的影响,需大幅度提高混凝土砌块的水泥用量,从而使得砌块密实度增加,这有益于提高砌块外墙的抗渗性。当然提高水泥用量会导致生产成本的提高,因此就生产应用而言,确定砌块的壁肋厚度应综合考虑砌块强度、生产工艺、生产成本、施工和热工性能等方面。3.3利用空气之间的层减小灰裂缝的“热桥”功能采用红外热成像仪对砌块墙体温度进行检测,图7示出砌筑灰缝处温度比砌块处高2～3℃,灰缝处是传热的“热桥”。3.3.1竖向灰缝的热阻测试采用180三排孔砌块(薄,图6)进行测试,该砌块顶面开口,砌墙后在竖向灰缝中间形成36mm厚的空气间层(图8),在墙体竖向灰缝处布置热流计和温度测点,测试结果(表3):竖向灰缝处传热系数2.32W/(m2?K),热阻0.277m2·K/W;而相对应利用180双排孔砌块墙体(图2)进行测试,该砌块不带顶面开口,测试结果(表3):竖向砌筑灰缝灰缝处传热系数2.88W/(m2?K),热阻0.196m2?K/W。试验表明:在砌块顶面设置开口孔,利用空气间层提高竖向灰缝处的热阻,可以起到部分阻断竖向砌筑灰缝热桥效应的作用。3.3.2热阻检测结果同样的在水平灰缝中引入空气间层,利用空气间层增加砌筑灰缝处热阻也是可行的。试验分别砌筑了两片试验墙,一为水平灰缝砂浆不满铺,留置出凹槽(图9),另一是水平灰缝砂浆满铺。在水平灰缝处布置热流计和温度测点,检测结果为(表4):留置凹槽的试验墙体,水平灰缝处传热系数为1.723W/(m2?K),热阻为0.437m2?K/w;而水平灰缝砂浆满铺的试验墙体,水平灰缝处传热系数为1.851W/(m2?K),热阻为0.391m2?K/w。试验结果表明,在水平灰缝处设置空气间层可以提高水平灰缝处的热阻,起到部分阻断水平灰缝“热桥”效应的作用。从红外热像仪检测出的温度值比较图也可以看出,留置水平灰缝凹槽的墙体,灰缝温度值比未留置凹槽的墙体低,说明灰缝留置空气层对于降低墙体内表面温度是有利的。4空气间层缺失热阻(1)增加砌块孔洞排数,以孔来隔断肋壁“热桥”,延长混凝土空心砌块的热流路线;适当减小孔壁厚度,增大孔洞厚度,利用空气间层