江西省燒結(jié)類墻體材料熱工性能研究

劉紅霞，吳炎平，郭立新，朱群敏，李味然

（江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001）

面對(duì)全球能源日益緊張、人居環(huán)境日益惡化的現(xiàn)狀，全世界都在大力開(kāi)展“節(jié)能減排”工作。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)能源總消費(fèi)量約36.5億t標(biāo)煤，其中建筑能耗為10.5億t標(biāo)煤，約占總量的28.7%[1]。建筑節(jié)能已成為建筑行業(yè)的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能是建筑節(jié)能的重要途徑，而墻體材料的熱工性能又與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱息息相關(guān)。本文選取江西省內(nèi)常用的燒結(jié)磚，對(duì)其進(jìn)行傳熱系數(shù)測(cè)試，系統(tǒng)研究燒結(jié)類墻體材料的保溫隔熱性能，并分析影響其熱工性能的因素。

1 試驗(yàn)

1.1 傳熱系數(shù)試件制備

用于傳熱系數(shù)測(cè)試的燒結(jié)磚砌體采用普通水泥砂漿砌筑，灰縫1cm，兩面均用普通水泥砂漿抹面，厚度1cm。試件外形尺寸為1.45 m×1.45 m×砌塊厚度，計(jì)量面積為1.2 m×1.2 m。砌筑及抹灰用普通水泥砂漿配比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（水）=1∶3.5∶1.4。水泥：海螺 P·C32.5；砂：贛江中砂，細(xì)度模數(shù) 2.2；水：自來(lái)水。砌筑后的試件兩側(cè)及上部采用聚苯乙烯泡沫板及聚氨酯泡沫材料密封。砌筑好后置于通風(fēng)處自然干燥。

1.2 導(dǎo)熱系數(shù)試件制備

從燒結(jié)磚/砌塊上截取長(zhǎng)100 mm、寬50 mm、厚為磚/砌塊壁厚的小塊試件2塊，對(duì)其表面進(jìn)行打磨，保證疊合面充分平整無(wú)縫隙，以備測(cè)試。

1.3 測(cè)試儀器及試驗(yàn)方法

傳熱系數(shù)測(cè)試采用沈陽(yáng)紫薇機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的CD-WF1212型穩(wěn)態(tài)熱傳遞性能試驗(yàn)機(jī)，該裝置為防護(hù)熱箱法試驗(yàn)裝置，依據(jù)GB/T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測(cè)定 標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》，冷箱溫度設(shè)置為-10℃，熱箱溫度設(shè)置為30℃，防護(hù)箱與熱箱溫度設(shè)定一致，風(fēng)速控制為3 m/s。

為準(zhǔn)確獲得表面溫度，冷、熱面表面溫度傳感器對(duì)稱布置，并用鋁錫箔紙覆蓋。不同墻體達(dá)到平衡所需時(shí)間不同，多數(shù)都需要15 h以上，平衡時(shí)間設(shè)置為20 h；判斷是否達(dá)到平衡狀態(tài)的方法是在2個(gè)3 h的測(cè)量周期內(nèi)，其熱功率、溫度差、傳熱系數(shù)計(jì)算值的偏差值小于1%，且不是單方向變化，說(shuō)明傳熱已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

基材導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試采用西安夏溪電子科技有限公司生產(chǎn)的TC3000導(dǎo)熱系數(shù)儀，依據(jù)GB 10297—2015《非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定 熱線法》，測(cè)試條件為：采集時(shí)間5 s，間隔5 min，電壓1 V。測(cè)試原理為瞬態(tài)熱線法。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燒結(jié)多孔磚熱工性能試驗(yàn)

選取江西省內(nèi)常用的4種燒結(jié)多孔磚，研究其熱工性能。為方便對(duì)比各種規(guī)格燒結(jié)多孔磚的傳熱系數(shù)，假定燒結(jié)多孔磚的熱工性能為理想狀態(tài)，其熱阻R與厚度成正比關(guān)系，將各墻體試件的傳熱系數(shù)折合成190 mm厚墻體（以下簡(jiǎn)稱190墻）的傳熱系數(shù)，4種燒結(jié)多孔磚的熱工性能見(jiàn)表1。

表1 燒結(jié)多孔磚的熱工性能

從表1可以看出，燒結(jié)多孔磚190墻傳熱系數(shù)為1.99～2.43 W/（m2·K），雖然4種多孔磚密度相差不大，但熱工性能卻有較大的差異。

2.2 燒結(jié)空心磚熱工性能試驗(yàn)

選取江西省內(nèi)應(yīng)用最廣的4種燒結(jié)空心磚，研究其熱工性能，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 燒結(jié)空心磚的熱工性能

從表2可以看出，雖然燒結(jié)空心磚密度較低，但保溫效果卻不佳。因?yàn)樵诟稍锏亩嗫左w系中，傳熱主要通過(guò)基材的導(dǎo)熱、孔洞內(nèi)空氣分子的導(dǎo)熱、孔壁面間的輻射傳熱以及孔洞內(nèi)空氣的對(duì)流傳熱。孔壁面間的輻射傳熱以及孔洞內(nèi)空氣的對(duì)流傳熱都和孔洞寬度或直徑有關(guān)。當(dāng)空氣層厚度很小時(shí)，對(duì)流傳熱及輻射傳熱都很小，這時(shí)多孔磚孔洞部分的熱傳遞僅為空氣的導(dǎo)熱，可近似等于靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)[0.023W/（m·K）]?？諝鈱雍穸扰c導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系參見(jiàn)文獻(xiàn)[2-3]?？諝忾g層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)隨空氣層厚度的增大而增大，而熱阻值在空氣層厚度為40mm左右已達(dá)最高值。再增大空氣層厚度，熱阻值已經(jīng)沒(méi)有多大變化了，甚至?xí)p小。因此，雖然燒結(jié)空心磚密度低，但由于孔大導(dǎo)致孔洞內(nèi)對(duì)流傳熱增加，因此燒結(jié)空心磚的熱工性能較差。

2.3 燒結(jié)保溫磚/砌塊熱工性能試驗(yàn)

選取江西省5家企業(yè)生產(chǎn)的燒結(jié)保溫磚/砌塊，研究其熱工性能，5種燒結(jié)保溫磚/砌塊孔洞情況及熱工性能見(jiàn)表3，外觀見(jiàn)圖1。

表3 燒結(jié)保溫磚/砌塊的孔洞情況及熱工性能

圖1 燒結(jié)保溫磚/砌塊外觀

從表3及圖1可以看出，燒結(jié)保溫砌塊C1、C2、C3塊體大小、孔洞排列、密度等基本相近，但傳熱系數(shù)卻差別較大，折合成240墻體傳熱系數(shù)最低、最高分別為1.20、1.58 W/（m2·K）。

影響保溫磚熱工性能的主要因素有：孔洞排列結(jié)構(gòu)、孔洞大小、孔洞率以及砌筑方向。然而，燒結(jié)保溫砌塊C1、C2、C3在以上因素都基本相同的情況下，熱工性能卻仍相差較大，因此有必要對(duì)孔洞結(jié)構(gòu)、基材導(dǎo)熱系數(shù)、墻體含濕等因素對(duì)傳熱系數(shù)的影響進(jìn)行研究。

2.4 孔洞結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱系數(shù)的影響

對(duì)同一廠家用相同原料生產(chǎn)的3種不同孔洞排列的燒結(jié)保溫磚進(jìn)行傳熱系數(shù)測(cè)試，3種燒結(jié)保溫磚的孔洞情況及熱工性能見(jiàn)表4，外觀見(jiàn)圖2。

表4 相同原料的3種燒結(jié)保溫磚傳熱系數(shù)

圖2 相同原料的3種燒結(jié)保溫磚外觀

從表4及圖2可以看出，3種燒結(jié)保溫磚的孔洞率、密度、孔長(zhǎng)相差不大，孔寬一致，孔洞排列方式不同，但測(cè)得的傳熱系數(shù)基本相同。因此，對(duì)于同一種原材料，當(dāng)孔長(zhǎng)、孔寬、孔洞率等因素均較合理的情況下，僅僅改變孔洞排列方式，對(duì)傳熱系數(shù)影響不大。

2.5 基材導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)燒結(jié)保溫磚/砌塊熱工性能的影響

采用非穩(wěn)態(tài)熱線法對(duì)表3中5個(gè)企業(yè)生產(chǎn)的燒結(jié)保溫磚/砌塊基材導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，燒結(jié)保溫砌塊C1、C2、C3及燒結(jié)保溫磚C4、C5的基材導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.58、0.64、0.95、0.81、0.85 W/（m·K）。

燒結(jié)保溫砌塊C1、C2、C3的塊體大小、孔型、孔洞排列、孔洞率、產(chǎn)品密度等相差不大，但基材的傳熱系數(shù)卻差別很大。從基材導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果可以看到，產(chǎn)生這種差異的原因主要在于，燒結(jié)保溫砌塊C1、C2較C3的基材導(dǎo)熱系數(shù)小很多，因此傳熱系數(shù)也小很多；而燒結(jié)保溫砌塊C1和C2的基材導(dǎo)熱系數(shù)相差不大，孔型、孔結(jié)構(gòu)、孔洞率也基本相同，所以熱工性能測(cè)試結(jié)果也基本相近。燒結(jié)保溫磚C4和C5塊型及孔洞率相差不大，基材導(dǎo)熱系數(shù)也基本一致，所以2種砌體的熱工性能也相差不大。以上5種燒結(jié)保溫磚/砌塊的熱工性能變化趨勢(shì)與基材導(dǎo)熱系數(shù)都有很好的吻合。所以，在其它條件一定的情況下，基材導(dǎo)熱系數(shù)的差異會(huì)導(dǎo)致砌體熱工性能有較大的差異。

在燒結(jié)保溫磚/砌塊的塊型設(shè)計(jì)中，明確基材導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)砌體熱工性能的影響具有重要意義。在燒結(jié)保溫磚/砌塊塊型設(shè)計(jì)中，基材導(dǎo)熱系數(shù)一般統(tǒng)一選取一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。但從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，各企業(yè)生產(chǎn)的燒結(jié)保溫磚/砌塊的基材導(dǎo)熱系數(shù)相差非常大，因此會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的熱工性能與實(shí)際有很大的差異。

另外，通常認(rèn)為“薄壁多孔”是燒結(jié)保溫磚/砌塊節(jié)能設(shè)計(jì)的方向，即壁越薄越好。事實(shí)上，在外觀大小及孔洞排列一定的情況下，對(duì)于某既定導(dǎo)熱系數(shù)的基材，壁厚存在一個(gè)臨界值，并非越薄產(chǎn)品的熱工性能越好。例如燒結(jié)保溫砌塊C2，基材導(dǎo)熱系數(shù)為0.64 W/（m·K），可推算出2 mm厚的基材熱阻為0.003125 m2·K/W，從文獻(xiàn)[2-3]中可查到，當(dāng)空氣層厚度由16 mm增加到18 mm時(shí)，熱阻增加約0.00258 m2·K/W，較2 mm厚基材熱阻更小。因此，當(dāng)孔寬大于16 mm時(shí)，增加肋厚比增加孔寬可獲得更好的熱工性能。

2.6 墻體含濕狀況對(duì)熱工性能的影響

用同一種砌塊砌墻后，測(cè)試不同干燥齡期墻體的傳熱系數(shù)，研究墻體含濕狀況對(duì)傳熱系數(shù)的影響。燒結(jié)保溫砌塊C3在不同干燥齡期的墻體傳熱系數(shù)見(jiàn)表5。

表5 燒結(jié)保溫砌塊C3在不同干燥齡期的墻體傳熱系數(shù)

從表5可以看出，墻體干燥齡期從30 d延長(zhǎng)到172 d，墻體傳熱系數(shù)從1.81 W/（m2·K）逐漸降低到1.58 W/（m2·K），降低了12.7%。由此可見(jiàn)，墻體含濕狀況對(duì)傳熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果影響非常大。

3 結(jié)論

（1）江西省內(nèi)常用的燒結(jié)多孔磚傳熱系數(shù)為1.99～2.43 W/（m2·K）（190墻），燒結(jié)空心磚的傳熱系數(shù)為1.81～2.18 W/（m2·K）（190墻），燒結(jié)保溫磚/砌塊的傳熱系數(shù)為1.20～1.58 W/（m2·K）（240墻）。

（2）采用瞬態(tài)熱線法測(cè)試燒結(jié)制品基材的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明，各企業(yè)燒結(jié)制品的基材導(dǎo)熱系數(shù)差異很大，在其它條件一定的情況下，基材導(dǎo)熱系數(shù)的差異會(huì)導(dǎo)致砌體熱工性能有較大的差異。

（3）墻體含濕狀況對(duì)傳熱系數(shù)影響很大。對(duì)于燒結(jié)保溫砌塊C3墻體，干燥至絕干后的傳熱系數(shù)較含濕墻體的傳熱系數(shù)最大可降低12.7%。

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