灰砂磚和加氣混凝土磚復(fù)合墻體的熱工性能

（華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640）

　　摘要：提出灰砂磚與加氣混凝土磚復(fù)合砌筑墻體的構(gòu)造，采用標(biāo)定熱箱法測(cè)定其傳熱系數(shù)，計(jì)算了相關(guān)的K、D 值。通過測(cè)試和比較分析證明，灰砂磚和蒸壓加氣混凝土磚復(fù)合墻體不僅熱工性能優(yōu)越、價(jià)格便宜，而且能夠在一定程度上減輕單一加氣混凝土墻體吸濕和開裂的問題，施工操作簡(jiǎn)單，是一種可以在廣州地區(qū)建筑工程上大力推廣應(yīng)用的新型節(jié)能墻體。

　　關(guān)鍵詞：灰砂磚；加氣混凝土；復(fù)合墻體；標(biāo)定熱箱法；傳熱系數(shù)

　　隨著建筑節(jié)能在我國(guó)的廣泛開展，墻體作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要部分，與墻體有關(guān)的節(jié)能技術(shù)在建筑節(jié)能中發(fā)揮著重要作用，墻體節(jié)能材料和構(gòu)造的研究與開發(fā)受到越來越多的關(guān)注。長(zhǎng)期的實(shí)踐和研究經(jīng)驗(yàn)表明，單一墻體由于蓄熱系數(shù)和傳熱系數(shù)難以兩全，通常通過高效保溫材料（EPS、XPS 等）與墻體材料組成復(fù)合墻體的形式實(shí)現(xiàn)墻體節(jié)能，而對(duì)2 種不同墻體材料復(fù)合的研究相對(duì)較少。本文通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試與性能分析探討灰砂磚與加氣混凝土磚的復(fù)合效果。

1 墻體材料的構(gòu)造方式

　　灰砂磚和加氣混凝土磚都是我國(guó)大力發(fā)展代替黏土磚的新型墻體材料?；疑按u是一種密實(shí)硅酸鹽混凝土磚，強(qiáng)度高，耐用性好，蓄熱能力強(qiáng)，排氣好，是很好的承重墻體材料。加氣混凝土磚是一種應(yīng)用較多的新型輕質(zhì)建筑材料，其密度僅相當(dāng)于普通混凝土密度的1/5，并且強(qiáng)度較大，導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫效果好，以上2 種材料各具特色，是組成復(fù)合節(jié)能墻體的理想選擇。

　　本文提出灰砂磚與加氣混凝土磚組合砌筑新型復(fù)合墻體，厚度為180 mm。其中灰砂磚位于墻體外側(cè)，加氣混凝土磚位于墻體內(nèi)側(cè)?；疑按u尺寸為240 mm×115 mm×53 mm；蒸壓加氣混凝土磚由實(shí)驗(yàn)室特制，尺寸也為240 mm×115 mm×53
mm?；疑按u干密度為1900 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.1 W/（m·K），蓄熱系數(shù)為12.72 W/（m2·K）；加氣混凝土磚干密度為700 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.22 W/（m·K），蓄熱系數(shù)為3.59 W/（m2·K）。磚體間縫隙用水泥砂漿填充，墻體內(nèi)外表面各抹25 mm 厚水泥砂漿。復(fù)合墻體構(gòu)造方式見圖1。

圖1 復(fù)合墻體構(gòu)造方式示意

2 復(fù)合墻體傳熱性能測(cè)試

　　2.1 測(cè)試原理

　　本測(cè)試基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理，模擬實(shí)際條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳熱。構(gòu)件放置于冷箱和熱箱之間，在兩箱體內(nèi)分別建立室內(nèi)外環(huán)境條件進(jìn)行測(cè)試，其中，熱箱模擬室內(nèi)空氣溫度、風(fēng)速和輻射條件，冷箱模擬室外空氣溫度和風(fēng)速。熱量傳遞通過試件與箱體各表面的熱輻射和試件表面與周圍空氣的對(duì)流換熱進(jìn)行。傳熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，根據(jù)熱平衡有如下公式：

　　K=（Q-M1·Δθ1-M2·Δθ2）/（A·Δt）

　　式中：K———試件傳熱系數(shù)，W（/ m·2 K）；

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　　Q———電暖氣加熱功率，W；

　　M1———由標(biāo)定測(cè)試確定的熱箱外壁熱流系數(shù)，W/K；

　　M2———由標(biāo)定測(cè)試確定的試件框熱流系數(shù)，W/K；

　　Δθ1———熱箱外壁內(nèi)、外表面加權(quán)平均溫度之差，℃；

　　Δθ2———試件框熱側(cè)和冷側(cè)表面加權(quán)平均溫度之差，℃；

　　A———試件面積（按試件外邊緣尺寸計(jì)算），m2；

　　Δt———熱箱空氣與冷箱空氣平均溫度之差，℃。

　　這種測(cè)試方法綜合考慮了對(duì)流和輻射的傳熱過程，不單獨(dú)考慮某一種傳熱方式，很好的模擬了墻體實(shí)際的環(huán)境條件，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用非常有參考價(jià)值。

　　2.2 測(cè)量裝置

　　檢測(cè)裝置主要由熱箱、冷箱、試件框和環(huán)境空間4 部分組成，見圖2。

圖2 測(cè)試裝置

　　試件框用于支撐試件，而且是試件側(cè)面迂回?zé)釗p的通路，是可能造成誤差的重要因素，因此是一個(gè)重要的部件，由低導(dǎo)熱系數(shù)材料做成。防護(hù)箱的作用是在計(jì)量箱周圍建立溫度較為穩(wěn)定的空氣環(huán)境，保證測(cè)試更少的受到外界干擾。

　　2.3 測(cè)試過程

　　測(cè)試條件要根據(jù)最終的使用條件和對(duì)準(zhǔn)確度的影響進(jìn)行綜合考慮，并且熱、冷箱空氣溫度的最小溫差不能小于20 ℃。由于本次測(cè)試以屬于夏熱冬暖熱工分區(qū)的廣州應(yīng)用為對(duì)象，測(cè)試熱箱溫度設(shè)定為18 ℃，溫度波幅不大于0.1 ℃；冷箱溫度設(shè)定為- 10 ℃，溫度波幅不大于0.2 ℃。熱箱空氣為自然對(duì)流，其相對(duì)濕度控制在30%左右。試件冷表面風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定平面內(nèi)3.0 m/s。為減少熱箱和環(huán)境空間之間的熱傳遞對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，把環(huán)境空間溫度設(shè)定為18 ℃。

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　　試驗(yàn)開始后需約為9 h 使傳熱達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)冷箱、熱箱和環(huán)境空氣溫度達(dá)到設(shè)定值范圍，監(jiān)控溫度使冷熱箱和環(huán)境空氣溫度維持穩(wěn)定。并在4 h 內(nèi)，逐時(shí)測(cè)量，得到熱箱和冷箱空氣平均溫度每小時(shí)變化的絕對(duì)值分別不大于0.1 ℃和0.3 ℃，且上述變化不是單項(xiàng)變化，則表示傳熱過程已經(jīng)穩(wěn)定。穩(wěn)定之后每隔15 min 測(cè)量相關(guān)參數(shù)，共測(cè)6 次。測(cè)試前還進(jìn)行如下操作，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確與合理：

　　（1）為防止試件中傳熱受到所含水分影響導(dǎo)致傳熱系數(shù)的變化，試件在測(cè)量前要自然晾干；

　?。?）為防止試件與試件框之間因存在縫隙，導(dǎo)致熱箱與冷箱之間流通產(chǎn)生熱量交換，使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，測(cè)試前將試件與試件框進(jìn)行良好密封。

3 測(cè)試結(jié)果和分析

　　復(fù)合墻體的熱工性能測(cè)試結(jié)果見表1。

　　由表1 可以看出，本次測(cè)量的復(fù)合墻體的傳熱系數(shù)均為1.21 W/（m2·K）。廣州地區(qū)屬于夏熱冬暖地區(qū)，依據(jù)JGJ 75—
2003《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，外墻應(yīng)滿足K≤1.5 W/（m2·K），D≥3.0。由于灰砂磚與加氣混凝土磚的
蓄熱系數(shù)都大于3.0，本次測(cè)定的復(fù)合墻體滿足《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》要求。

　　根據(jù)材料參數(shù)，計(jì)算得到180 mm厚灰砂磚內(nèi)外抹灰25mm 厚墻體的傳熱系數(shù)為2.582 W/（m2·K），單純用灰砂磚不能達(dá)到廣州地區(qū)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，在工程中不能單獨(dú)使用。同理計(jì)算得到180 mm 厚加氣混凝土砌塊（700 kg/m3）內(nèi)外抹灰25 mm 厚墻體的傳熱系數(shù)為0.976 W/（m2·K），較本文復(fù)合墻體的傳熱系數(shù)小。但本復(fù)合墻體與單一加氣混凝土砌塊墻體相比，有其特有優(yōu)勢(shì)：

　?。?）加氣混凝土雖然是一種很好的新型保溫隔熱材料，但由于其屬于多孔材料，孔隙率可達(dá)70%～80%，吸水率高達(dá)65%，浸在水中最初1 h 內(nèi)含水率可達(dá)到吸水率的50%，并且氣孔呈密閉型，水分滲入后很難釋放出來。試驗(yàn)表明，加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與其含水率密切相關(guān)，含水率為46.5%狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)約為平衡含水率（3.6%～3.8%）狀態(tài)下的3 倍[1]。廣州屬于濕熱地區(qū)，年平均相對(duì)濕度為79%，加之加氣混凝土的吸水特性，如果下雨時(shí)沒有很好的防范措施，加氣混凝土磚實(shí)際含水率可以達(dá)到其吸水率。這將使加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)大大增加，嚴(yán)重影響外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能。本復(fù)合墻體中的加氣混凝土磚在室內(nèi)一側(cè)，可以杜絕加氣混凝土由于降雨而導(dǎo)致含水率增加，保證了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。

　　（2）加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.22 W/（m·K），線膨脹系數(shù)為8×10- 6 mm/（m·℃），而普通抹灰砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.93 W/（m·K），線膨脹系數(shù)為10- 4 mm/（m·℃）左右。由此可見，普通抹灰砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)都比加氣混凝土材料大很多[2]。在廣州地區(qū)，夏季西墻外表面溫度可達(dá)50 ℃，夜間圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度可降至27 ℃以下，溫差達(dá)20 多℃。

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　　在這種導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)差異引起熱脹冷縮而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力的每天反復(fù)作用下，加氣混凝土墻面抹灰層出現(xiàn)大面積開裂及脫落。這不僅影響建筑美觀，還會(huì)進(jìn)一步影響到建筑的整體性能。由于重型圍護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗外界空氣溫度波動(dòng)能力比輕型結(jié)構(gòu)強(qiáng)，因此，復(fù)合墻體的灰砂磚砌在室外一側(cè)可以很好減弱室外溫度波動(dòng)對(duì)加氣混凝土磚的影響?；疑按u的溫度劇烈波動(dòng)層厚度為86.5 mm，而復(fù)合墻體中灰砂磚平均厚度為84 mm，加之墻面外抹灰對(duì)溫度波動(dòng)的消減作用，可以認(rèn)為內(nèi)側(cè)的加氣混凝土磚在溫度劇烈波動(dòng)層以外。從而有效減少加氣混凝土磚與抹灰砂漿由于線膨脹系數(shù)相差較大而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，在一定程度上緩解墻體開裂問題。

　　（3）據(jù)調(diào)查，在廣東地區(qū)，灰砂磚0.17 元/塊，約合115 元/m3；加氣混凝土砌塊170～180 元/m3。由于復(fù)合墻體中兩者使用率大概是1∶1，所以，復(fù)合墻體要比單獨(dú)使用加氣混凝土砌塊有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

　　通過測(cè)試和比較分析證明，灰砂磚和蒸壓加氣混凝土磚復(fù)合墻體不僅熱工性能優(yōu)越、價(jià)格便宜，而且能夠在一定程度上減輕單一加氣混凝土墻體吸濕和開裂的問題，施工操作簡(jiǎn)單，是一種可以在廣州地區(qū)建筑工程上大力推廣應(yīng)用的新型節(jié)能墻體。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1] 王秀芬.加氣混凝土性能優(yōu)化及的試驗(yàn)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2006：41- 48.
　　[2] 唐京華.夏熱冬冷地區(qū)加氣混凝土節(jié)能墻體研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2006.