灰砂砖和加气混凝土砖复合墙体的热工性能
水泥 任鹏，白云龙，张宇峰，孟庆林 2008-06-24
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（华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州510640）
摘要：提出灰砂砖与加气混凝土砖复合砌筑墙体的构造，采用标定热箱法测定其传热系数，计算了相关的K、D 值。通过测试和比较分析证明，灰砂砖和蒸压加气混凝土砖复合墙体不仅热工性能优越、价格便宜，而且能够在一定程度上减轻单一加气混凝土墙体吸湿和开裂的问题，施工操作简单，是一种可以在广州地区建筑工程上大力推广应用的新型节能墙体。
关键词：灰砂砖；加气混凝土；复合墙体；标定热箱法；传热系数
随着建筑节能在我国的广泛开展，墙体作为建筑围护结构的主要部分，与墙体有关的节能技术在建筑节能中发挥着重要作用，墙体节能材料和构造的研究与开发受到越来越多的关注。长期的实践和研究经验表明，单一墙体由于蓄热系数和传热系数难以两全，通常通过高效保温材料（EPS、XPS 等）与墙体材料组成复合墙体的形式实现墙体节能，而对2 种不同墙体材料复合的研究相对较少。本文通过实验测试与性能分析探讨灰砂砖与加气混凝土砖的复合效果。
1 墙体材料的构造方式
灰砂砖和加气混凝土砖都是我国大力发展代替黏土砖的新型墙体材料。灰砂砖是一种密实硅酸盐混凝土砖，强度高，耐用性好，蓄热能力强，排气好，是很好的承重墙体材料。加气混凝土砖是一种应用较多的新型轻质建筑材料，其密度仅相当于普通混凝土密度的1/5，并且强度较大，导热系数小，保温效果好，以上2 种材料各具特色，是组成复合节能墙体的理想选择。
本文提出灰砂砖与加气混凝土砖组合砌筑新型复合墙体，厚度为180 mm。其中灰砂砖位于墙体外侧，加气混凝土砖位于墙体内侧。灰砂砖尺寸为240 mm×115 mm×53 mm；蒸压加气混凝土砖由实验室特制，尺寸也为240 mm×115 mm×53
mm。灰砂砖干密度为1900 kg/m3，导热系数为1.1 W/（m·K），蓄热系数为12.72 W/（m2·K）；加气混凝土砖干密度为700 kg/m3，导热系数为0.22 W/（m·K），蓄热系数为3.59 W/（m2·K）。砖体间缝隙用水泥砂浆填充，墙体内外表面各抹25 mm 厚水泥砂浆。复合墙体构造方式见图1。
图1 复合墙体构造方式示意
2 复合墙体传热性能测试
2.1 测试原理
本测试基于一维稳态传热原理，模拟实际条件下围护结构构件的传热。构件放置于冷箱和热箱之间，在两箱体内分别建立室内外环境条件进行测试，其中，热箱模拟室内空气温度、风速和辐射条件，冷箱模拟室外空气温度和风速。热量传递通过试件与箱体各表面的热辐射和试件表面与周围空气的对流换热进行。传热达到稳定状态后，根据热平衡有如下公式：
K=（Q-M1·Δθ1-M2·Δθ2）/（A·Δt）
式中：K———试件传热系数，W（/ m·2 K）；
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Q———电暖气加热功率，W；
M1———由标定测试确定的热箱外壁热流系数，W/K；
M2———由标定测试确定的试件框热流系数，W/K；
Δθ1———热箱外壁内、外表面加权平均温度之差，℃；
Δθ2———试件框热侧和冷侧表面加权平均温度之差，℃；
A———试件面积（按试件外边缘尺寸计算），m2；
Δt———热箱空气与冷箱空气平均温度之差，℃。
这种测试方法综合考虑了对流和辐射的传热过程，不单独考虑某一种传热方式，很好的模拟了墙体实际的环境条件，对实际工程应用非常有参考价值。
2.2 测量装置
检测装置主要由热箱、冷箱、试件框和环境空间4 部分组成，见图2。
图2 测试装置
试件框用于支撑试件，而且是试件侧面迂回热损的通路，是可能造成误差的重要因素，因此是一个重要的部件，由低导热系数材料做成。防护箱的作用是在计量箱周围建立温度较为稳定的空气环境，保证测试更少的受到外界干扰。
2.3 测试过程
测试条件要根据最终的使用条件和对准确度的影响进行综合考虑，并且热、冷箱空气温度的最小温差不能小于20 ℃。由于本次测试以属于夏热冬暖热工分区的广州应用为对象，测试热箱温度设定为18 ℃，温度波幅不大于0.1 ℃；冷箱温度设定为- 10 ℃，温度波幅不大于0.2 ℃。热箱空气为自然对流，其相对湿度控制在30%左右。试件冷表面风速为标准规定平面内3.0 m/s。为减少热箱和环境空间之间的热传递对测试结果的影响，把环境空间温度设定为18 ℃。
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试验开始后需约为9 h 使传热达到稳定。当冷箱、热箱和环境空气温度达到设定值范围，监控温度使冷热箱和环境空气温度维持稳定。并在4 h 内，逐时测量，得到热箱和冷箱空气平均温度每小时变化的绝对值分别不大于0.1 ℃和0.3 ℃，且上述变化不是单项变化，则表示传热过程已经稳定。稳定之后每隔15 min 测量相关参数，共测6 次。测试前还进行如下操作，以保证测试结果的准确与合理：
（1）为防止试件中传热受到所含水分影响导致传热系数的变化，试件在测量前要自然晾干；
（2）为防止试件与试件框之间因存在缝隙，导致热箱与冷箱之间流通产生热量交换，使测量结果不准确，测试前将试件与试件框进行良好密封。
3 测试结果和分析
复合墙体的热工性能测试结果见表1。
由表1 可以看出，本次测量的复合墙体的传热系数均为1.21 W/（m2·K）。广州地区属于夏热冬暖地区，依据JGJ 75—
2003《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》规定，外墙应满足K≤1.5 W/（m2·K），D≥3.0。由于灰砂砖与加气混凝土砖的
蓄热系数都大于3.0，本次测定的复合墙体满足《夏热冬暖地区居住建筑节能标准》要求。
根据材料参数，计算得到180 mm厚灰砂砖内外抹灰25mm 厚墙体的传热系数为2.582 W/（m2·K），单纯用灰砂砖不能达到广州地区有关标准规范的要求，在工程中不能单独使用。同理计算得到180 mm 厚加气混凝土砌块（700 kg/m3）内外抹灰25 mm 厚墙体的传热系数为0.976 W/（m2·K），较本文复合墙体的传热系数小。但本复合墙体与单一加气混凝土砌块墙体相比，有其特有优势：
（1）加气混凝土虽然是一种很好的新型保温隔热材料，但由于其属于多孔材料，孔隙率可达70%～80%，吸水率高达65%，浸在水中最初1 h 内含水率可达到吸水率的50%，并且气孔呈密闭型，水分渗入后很难释放出来。试验表明，加气混凝土导热系数与其含水率密切相关，含水率为46.5%状态下的导热系数约为平衡含水率（3.6%～3.8%）状态下的3 倍[1]。广州属于湿热地区，年平均相对湿度为79%，加之加气混凝土的吸水特性，如果下雨时没有很好的防范措施，加气混凝土砖实际含水率可以达到其吸水率。这将使加气混凝土导热系数大大增加，严重影响外墙围护结构热工性能。本复合墙体中的加气混凝土砖在室内一侧，可以杜绝加气混凝土由于降雨而导致含水率增加，保证了围护结构的热工性能。
（2）加气混凝土导热系数一般为0.22 W/（m·K），线膨胀系数为8×10- 6 mm/（m·℃），而普通抹灰砂浆的导热系数约为0.93 W/（m·K），线膨胀系数为10- 4 mm/（m·℃）左右。由此可见，普通抹灰砂浆的导热系数和线膨胀系数都比加气混凝土材料大很多[2]。在广州地区，夏季西墙外表面温度可达50 ℃，夜间围护结构外表面温度可降至27 ℃以下，温差达20 多℃。
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在这种导热系数和线膨胀系数差异引起热胀冷缩而产生的温度应力的每天反复作用下，加气混凝土墙面抹灰层出现大面积开裂及脱落。这不仅影响建筑美观，还会进一步影响到建筑的整体性能。由于重型围护结构抵抗外界空气温度波动能力比轻型结构强，因此，复合墙体的灰砂砖砌在室外一侧可以很好减弱室外温度波动对加气混凝土砖的影响。灰砂砖的温度剧烈波动层厚度为86.5 mm，而复合墙体中灰砂砖平均厚度为84 mm，加之墙面外抹灰对温度波动的消减作用，可以认为内侧的加气混凝土砖在温度剧烈波动层以外。从而有效减少加气混凝土砖与抹灰砂浆由于线膨胀系数相差较大而产生的温度应力，在一定程度上缓解墙体开裂问题。
（3）据调查，在广东地区，灰砂砖0.17 元/块，约合115 元/m3；加气混凝土砌块170～180 元/m3。由于复合墙体中两者使用率大概是1∶1，所以，复合墙体要比单独使用加气混凝土砌块有经济优势。
4 结论
通过测试和比较分析证明，灰砂砖和蒸压加气混凝土砖复合墙体不仅热工性能优越、价格便宜，而且能够在一定程度上减轻单一加气混凝土墙体吸湿和开裂的问题，施工操作简单，是一种可以在广州地区建筑工程上大力推广应用的新型节能墙体。
参考文献:
[1] 王秀芬.加气混凝土性能优化及的试验研究[D].西安：西安建筑科技大学，2006：41- 48.
[2] 唐京华.夏热冬冷地区加气混凝土节能墙体研究[D].长沙：湖南大学，2006.
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