灰砂磚和加氣混凝土磚復合墻體的熱工性能

（華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東廣州510640）

　　摘要：提出灰砂磚與加氣混凝土磚復合砌筑墻體的構造，采用標定熱箱法測定其傳熱系數，計算了相關的K、D 值。通過測試和比較分析證明，灰砂磚和蒸壓加氣混凝土磚復合墻體不僅熱工性能優(yōu)越、價格便宜，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，施工操作簡單，是一種可以在廣州地區(qū)建筑工程上大力推廣應用的新型節(jié)能墻體。

　　關鍵詞：灰砂磚；加氣混凝土；復合墻體；標定熱箱法；傳熱系數

　　隨著建筑節(jié)能在我國的廣泛開展，墻體作為建筑圍護結構的主要部分，與墻體有關的節(jié)能技術在建筑節(jié)能中發(fā)揮著重要作用，墻體節(jié)能材料和構造的研究與開發(fā)受到越來越多的關注。長期的實踐和研究經驗表明，單一墻體由于蓄熱系數和傳熱系數難以兩全，通常通過高效保溫材料（EPS、XPS 等）與墻體材料組成復合墻體的形式實現墻體節(jié)能，而對2 種不同墻體材料復合的研究相對較少。本文通過實驗測試與性能分析探討灰砂磚與加氣混凝土磚的復合效果。

1 墻體材料的構造方式

　　灰砂磚和加氣混凝土磚都是我國大力發(fā)展代替黏土磚的新型墻體材料?；疑按u是一種密實硅酸鹽混凝土磚，強度高，耐用性好，蓄熱能力強，排氣好，是很好的承重墻體材料。加氣混凝土磚是一種應用較多的新型輕質建筑材料，其密度僅相當于普通混凝土密度的1/5，并且強度較大，導熱系數小，保溫效果好，以上2 種材料各具特色，是組成復合節(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合墻體，厚度為180 mm。其中灰砂磚位于墻體外側，加氣混凝土磚位于墻體內側。灰砂磚尺寸為240 mm×115 mm×53 mm；蒸壓加氣混凝土磚由實驗室特制，尺寸也為240 mm×115 mm×53
mm?；疑按u干密度為1900 kg/m3，導熱系數為1.1 W/（m·K），蓄熱系數為12.72 W/（m2·K）；加氣混凝土磚干密度為700 kg/m3，導熱系數為0.22 W/（m·K），蓄熱系數為3.59 W/（m2·K）。磚體間縫隙用水泥砂漿填充，墻體內外表面各抹25 mm 厚水泥砂漿。復合墻體構造方式見圖1。

圖1 復合墻體構造方式示意

2 復合墻體傳熱性能測試

　　2.1 測試原理

　　本測試基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理，模擬實際條件下圍護結構構件的傳熱。構件放置于冷箱和熱箱之間，在兩箱體內分別建立室內外環(huán)境條件進行測試，其中，熱箱模擬室內空氣溫度、風速和輻射條件，冷箱模擬室外空氣溫度和風速。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流換熱進行。傳熱達到穩(wěn)定狀態(tài)后，根據熱平衡有如下公式：

　　K=（Q-M1·Δθ1-M2·Δθ2）/（A·Δt）

　　式中：K———試件傳熱系數，W（/ m·2 K）；

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　　Q———電暖氣加熱功率，W；

　　M1———由標定測試確定的熱箱外壁熱流系數，W/K；

　　M2———由標定測試確定的試件框熱流系數，W/K；

　　Δθ1———熱箱外壁內、外表面加權平均溫度之差，℃；

　　Δθ2———試件框熱側和冷側表面加權平均溫度之差，℃；

　　A———試件面積（按試件外邊緣尺寸計算），m2；

　　Δt———熱箱空氣與冷箱空氣平均溫度之差，℃。

　　這種測試方法綜合考慮了對流和輻射的傳熱過程，不單獨考慮某一種傳熱方式，很好的模擬了墻體實際的環(huán)境條件，對實際工程應用非常有參考價值。

　　2.2 測量裝置

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

圖2 測試裝置

　　試件框用于支撐試件，而且是試件側面迂回熱損的通路，是可能造成誤差的重要因素，因此是一個重要的部件，由低導熱系數材料做成。防護箱的作用是在計量箱周圍建立溫度較為穩(wěn)定的空氣環(huán)境，保證測試更少的受到外界干擾。

　　2.3 測試過程

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

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　　試驗開始后需約為9 h 使傳熱達到穩(wěn)定。當冷箱、熱箱和環(huán)境空氣溫度達到設定值范圍，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，逐時測量，得到熱箱和冷箱空氣平均溫度每小時變化的絕對值分別不大于0.1 ℃和0.3 ℃，且上述變化不是單項變化，則表示傳熱過程已經穩(wěn)定。穩(wěn)定之后每隔15 min 測量相關參數，共測6 次。測試前還進行如下操作，以保證測試結果的準確與合理：

　?。?）為防止試件中傳熱受到所含水分影響導致傳熱系數的變化，試件在測量前要自然晾干；

　?。?）為防止試件與試件框之間因存在縫隙，導致熱箱與冷箱之間流通產生熱量交換，使測量結果不準確，測試前將試件與試件框進行良好密封。

3 測試結果和分析

　　復合墻體的熱工性能測試結果見表1。

　　由表1 可以看出，本次測量的復合墻體的傳熱系數均為1.21 W/（m2·K）。廣州地區(qū)屬于夏熱冬暖地區(qū)，依據JGJ 75—
2003《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》規(guī)定，外墻應滿足K≤1.5 W/（m2·K），D≥3.0。由于灰砂磚與加氣混凝土磚的
蓄熱系數都大于3.0，本次測定的復合墻體滿足《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能標準》要求。

　　根據材料參數，計算得到180 mm厚灰砂磚內外抹灰25mm 厚墻體的傳熱系數為2.582 W/（m2·K），單純用灰砂磚不能達到廣州地區(qū)有關標準規(guī)范的要求，在工程中不能單獨使用。同理計算得到180 mm 厚加氣混凝土砌塊（700 kg/m3）內外抹灰25 mm 厚墻體的傳熱系數為0.976 W/（m2·K），較本文復合墻體的傳熱系數小。但本復合墻體與單一加氣混凝土砌塊墻體相比，有其特有優(yōu)勢：

　?。?）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70%～80%，吸水率高達65%，浸在水中最初1 h 內含水率可達到吸水率的50%，并且氣孔呈密閉型，水分滲入后很難釋放出來。試驗表明，加氣混凝土導熱系數與其含水率密切相關，含水率為46.5%狀態(tài)下的導熱系數約為平衡含水率（3.6%～3.8%）狀態(tài)下的3 倍[1]。廣州屬于濕熱地區(qū)，年平均相對濕度為79%，加之加氣混凝土的吸水特性，如果下雨時沒有很好的防范措施，加氣混凝土磚實際含水率可以達到其吸水率。這將使加氣混凝土導熱系數大大增加，嚴重影響外墻圍護結構熱工性能。本復合墻體中的加氣混凝土磚在室內一側，可以杜絕加氣混凝土由于降雨而導致含水率增加，保證了圍護結構的熱工性能。

　?。?）加氣混凝土導熱系數一般為0.22 W/（m·K），線膨脹系數為8×10- 6 mm/（m·℃），而普通抹灰砂漿的導熱系數約為0.93 W/（m·K），線膨脹系數為10- 4 mm/（m·℃）左右。由此可見，普通抹灰砂漿的導熱系數和線膨脹系數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50 ℃，夜間圍護結構外表面溫度可降至27 ℃以下，溫差達20 多℃。

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　　在這種導熱系數和線膨脹系數差異引起熱脹冷縮而產生的溫度應力的每天反復作用下，加氣混凝土墻面抹灰層出現大面積開裂及脫落。這不僅影響建筑美觀，還會進一步影響到建筑的整體性能。由于重型圍護結構抵抗外界空氣溫度波動能力比輕型結構強，因此，復合墻體的灰砂磚砌在室外一側可以很好減弱室外溫度波動對加氣混凝土磚的影響?；疑按u的溫度劇烈波動層厚度為86.5 mm，而復合墻體中灰砂磚平均厚度為84 mm，加之墻面外抹灰對溫度波動的消減作用，可以認為內側的加氣混凝土磚在溫度劇烈波動層以外。從而有效減少加氣混凝土磚與抹灰砂漿由于線膨脹系數相差較大而產生的溫度應力，在一定程度上緩解墻體開裂問題。

　　（3）據調查，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。由于復合墻體中兩者使用率大概是1∶1，所以，復合墻體要比單獨使用加氣混凝土砌塊有經濟優(yōu)勢。

4 結論

　　通過測試和比較分析證明，灰砂磚和蒸壓加氣混凝土磚復合墻體不僅熱工性能優(yōu)越、價格便宜，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，施工操作簡單，是一種可以在廣州地區(qū)建筑工程上大力推廣應用的新型節(jié)能墻體。

　　參考文獻:

　　[1] 王秀芬.加氣混凝土性能優(yōu)化及的試驗研究[D].西安：西安建筑科技大學，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].長沙：湖南大學，2006.