陳彥文，劉天琦，謝辰星

[1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.匯張思建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所（上海）有限公司，上海 200233]

0 引 言

建筑物內(nèi)外的熱量傳遞主要通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在服役時(shí)不僅要滿足結(jié)構(gòu)要求、還要滿足環(huán)境和居住時(shí)舒適度的要求，研究兼顧保溫和結(jié)構(gòu)功能建筑材料也成為了行業(yè)發(fā)展的新方向之一[1]。

目前傳統(tǒng)的外墻及外保溫結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)組成多，保溫材料種類多，施工工藝復(fù)雜，質(zhì)量控制難度大等特點(diǎn)。自保溫砌塊主要通過(guò)材料本身的多孔結(jié)構(gòu)，具有較好的保溫隔熱性能，并簡(jiǎn)化了施工工藝，近年來(lái)在南方地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用。嵇鷹等[2]在發(fā)泡混凝土的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，摻入40%的Ⅰ級(jí)粉煤灰時(shí)其導(dǎo)熱系數(shù)最低，同時(shí)發(fā)泡混凝土的氣孔均勻分布。Zhang等[3]研究發(fā)現(xiàn)，硅灰可以顯著提高發(fā)泡混凝土的力學(xué)性能，但也會(huì)加劇混凝土收縮。Wang等[4]研究表明，陶粒發(fā)泡混凝土的抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)與密度存在線性關(guān)系，提出B06級(jí)陶粒發(fā)泡混凝土在陶粒摻量不超過(guò)45%時(shí)，可以在保證強(qiáng)度的同時(shí)密度最低。李家和與張志春[5]以礁砂及陶粒作為輕質(zhì)集料制備B09級(jí)陶粒發(fā)泡混凝土，其抗壓強(qiáng)度11.4 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.312 W/（m·K）。關(guān)凌岳等[6]通過(guò)考察純水泥發(fā)泡混凝土干密度、孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)泡混凝土干密度的降低，其孔隙率逐漸增大，導(dǎo)熱系數(shù)呈線性減小趨勢(shì)。由于發(fā)泡混凝土主要靠固體內(nèi)熱傳導(dǎo)作用，因此高孔隙率不利于熱量傳導(dǎo)。王晴等[7]通過(guò)COMSOL仿真軟件模擬了以地聚物基發(fā)泡混凝土和真空絕熱板為原材料，制備了地聚物基發(fā)泡混凝土屋面保溫系統(tǒng)。通過(guò)模擬確定了地聚物基發(fā)泡混凝土屋面保溫系統(tǒng)的構(gòu)造形式。陸家希等[8]研究了真空條件下介觀結(jié)構(gòu)對(duì)纖維多孔介質(zhì)有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響，運(yùn)用Boltzmann方法對(duì)其有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行求解。

發(fā)泡混凝土具有較好的孔結(jié)構(gòu)和較低的導(dǎo)熱系數(shù)，但是強(qiáng)度偏低，耐久性較差，目前在北方地區(qū)已經(jīng)被明令禁止用于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)部位。如何協(xié)調(diào)發(fā)泡混凝土的性能，提高發(fā)泡混凝土的耐久性是本文研究的重點(diǎn)。陶粒質(zhì)輕，具有較高的筒壓強(qiáng)度，在發(fā)泡混凝土中摻入一定量的陶粒，既可以有效提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性，同時(shí)又能保證較低的導(dǎo)熱系數(shù)。本文將陶粒與發(fā)泡混凝土進(jìn)行優(yōu)化組合，探索陶粒發(fā)泡混凝土的制備工藝，提高陶粒發(fā)泡混凝土的性能，并運(yùn)用三維穩(wěn)態(tài)傳熱法分析陶粒發(fā)泡混凝土砌塊的傳熱能力，運(yùn)用Ansys fluent二維穩(wěn)態(tài)傳熱模擬比較分析常用外墻外保溫結(jié)構(gòu)和陶粒發(fā)泡混凝土外墻結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，主要技術(shù)性能見(jiàn)表1；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，密度2.6 g/cm3，需水量比不大于105%；陶粒：密度等級(jí)500、600、700 kg/m3，筒壓強(qiáng)度分別為8.3、9.4、12.0 MPa；發(fā)泡劑：植物蛋白物理發(fā)泡劑，按1∶15進(jìn)行稀釋，采用發(fā)泡機(jī)進(jìn)行發(fā)泡；硅灰：比表面積15 000～20 000 m2/kg。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

1.2 制備方法

B08級(jí)發(fā)泡混凝土的配合比為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（硅灰）=16∶3∶1，水膠比0.43，泡沫引入量為50%，陶粒按照設(shè)計(jì)摻量加入。將干料按比例加入攪拌機(jī)攪拌30 s后加入水再充分?jǐn)嚢?0 s。將泡沫引入后攪拌30 s至漿體均勻后入模，養(yǎng)護(hù)24 h拆模后，再8 h熱養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行28 d自然養(yǎng)護(hù)。

1.3 正交試驗(yàn)

以B08級(jí)陶粒發(fā)泡混凝土配合比為基礎(chǔ)，以養(yǎng)護(hù)溫度、陶粒摻量、陶粒筒壓強(qiáng)度為因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，因素水平見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，極差分析見(jiàn)表4。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試結(jié)果

表4 正交試驗(yàn)極差分析

由表4可見(jiàn)：

（1）各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響排序?yàn)椋禾樟５耐矇簭?qiáng)度＞陶粒摻量＞養(yǎng)護(hù)溫度，最優(yōu)組合為A2B1C1。陶粒密度等級(jí)600 kg/m3，摻量在30%～50%時(shí)，陶粒摻量對(duì)發(fā)泡混凝土表觀密度的影響不大，陶粒筒壓強(qiáng)度對(duì)發(fā)泡混凝土的表觀密度和強(qiáng)度影響較大。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為100℃，陶粒摻量為50%，筒壓強(qiáng)度最大時(shí)，陶粒發(fā)泡混凝土的表觀密度最大，為957 kg/m3，密度等級(jí)達(dá)到B09級(jí)。

（2）陶粒的筒壓強(qiáng)度、陶粒摻量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)具有重要作用，養(yǎng)護(hù)溫度影響較弱。分析發(fā)現(xiàn)最優(yōu)組為A3B3C1。陶粒摻量在30%的情況下導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到0.062 W/（m·K）。陶粒筒壓強(qiáng)度越高，其陶粒發(fā)泡混凝土表觀密度越大，結(jié)構(gòu)越密實(shí)，其自身的導(dǎo)熱系數(shù)也越大，在陶粒摻量相同的情況下，筒壓強(qiáng)度越高陶粒發(fā)泡混凝土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)就越高。陶粒內(nèi)部疏松多孔、強(qiáng)度高、耐久性好，其導(dǎo)熱系數(shù)相較于普通粗骨料小。而發(fā)泡混凝土質(zhì)輕、高強(qiáng)、保溫性能好[9]。

3 陶粒發(fā)泡混凝土砌塊保溫性能模擬分析

運(yùn)用Ansys fluent軟件對(duì)陶粒發(fā)泡混凝土砌塊進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)模擬分析，研究陶粒發(fā)泡混凝土砌塊作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)在寒冷地區(qū)的保溫隔熱性能。揭示了陶粒發(fā)泡混凝土的傳熱機(jī)理，對(duì)提高自保溫砌塊在嚴(yán)寒地區(qū)的保溫隔熱性能研究提供參考。通過(guò)Ansys fluent二維穩(wěn)態(tài)傳熱模擬，對(duì)比分析了陶粒發(fā)泡混凝土砌塊自保溫外圍護(hù)結(jié)構(gòu)與目前常用的外墻外保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體的傳熱性能。

研究采用SpaceClaim建立傳熱模型，在Ansys workbench環(huán)境下，使用icem cfd劃分模型網(wǎng)格，運(yùn)用fluent模擬計(jì)算模型的傳熱性能，根據(jù)JC/T 890—2017《蒸壓加氣混凝土墻體專用砂漿》專用保溫抹面砂漿的各項(xiàng)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果，各種材料的具體熱工參數(shù)[10-12]見(jiàn)表5。

表5 砌塊與墻體材料的熱工參數(shù)

在Space Claim中建立100 mm×100 mm×100 mm的陶粒發(fā)泡混凝土砌塊模型，在立方體內(nèi)陳列出不同體積摻量的球體代表陶粒，模型中的球形陶粒大小一致且均勻地分布在砌塊內(nèi)部。陶粒體積摻量分別為0、5%、10%、20%、30%，以陶粒摻量20%的砌塊為例建立如圖1（a）所示的三維立體軸對(duì)稱導(dǎo)熱模型。由于陶粒發(fā)泡混凝土砌塊為復(fù)合結(jié)構(gòu)，陶粒與發(fā)泡混凝土結(jié)構(gòu)接觸處存在邊界層，因此邊界層網(wǎng)格采取局部加密[如圖1（b）所示]。網(wǎng)格類型選擇八叉樹(shù)算法，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。模型整體最大網(wǎng)格尺寸為4.0 mm，最小網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。球體內(nèi)部最大網(wǎng)格設(shè)置為1.0 mm，模型整體網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到200萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)格尺寸越細(xì)化，模擬傳熱結(jié)果就越精密。

圖1 陶粒發(fā)泡混凝土模型與模型網(wǎng)格劃分細(xì)節(jié)

陶粒發(fā)泡混凝土砌塊邊界條件：模型四周設(shè)置為絕熱壁面，上表面設(shè)置為wall up一側(cè)，冬季室外溫度-18.1℃，下表面設(shè)置為wall down一側(cè)，室內(nèi)溫度17℃。陶粒與發(fā)泡混凝土熱工參數(shù)見(jiàn)表5。在模擬過(guò)程中迭代1000次計(jì)算產(chǎn)生結(jié)果，不做邊界條件的設(shè)置。

在Workbench環(huán)境下，運(yùn)用cfd-post后處理，操作中可以獲得陶粒發(fā)泡混凝土砌塊的溫度分布云圖。陶粒的摻入改善了發(fā)泡混凝土的性能，但隨著陶粒的摻入，發(fā)泡混凝土溫度與熱流密度分布云圖變化較大。以陶粒摻量20%的發(fā)泡混凝土砌塊為例，溫度梯度分布云圖見(jiàn)圖2。

圖2 冬季條件在陶粒摻量20%下的溫度梯度分布云圖

由圖2可知，陶粒發(fā)泡混凝土砌塊的溫度分布從高溫側(cè)到低溫側(cè)表現(xiàn)為均勻降低，高溫梯度區(qū)間的寬度與低溫梯度區(qū)間的寬度相似。通過(guò)三維透視圖可以看出，陶粒發(fā)泡混凝土砌塊溫度排布均勻降低，同時(shí)內(nèi)部陶粒的溫度隨著泡沫混凝土的溫度降低而降低。由于陶粒其本身為疏松多孔結(jié)構(gòu)，此外在作為發(fā)泡混凝土增強(qiáng)材料的摻入不僅可以提高發(fā)泡混凝土砌塊強(qiáng)度，還可以保證發(fā)泡混凝土砌塊的保溫隔熱性能。由圖2標(biāo)記處可見(jiàn)，陶粒處的等溫線出現(xiàn)不規(guī)則的畸變，畸變呈波浪狀、山丘狀，陶粒與發(fā)泡混凝土的交接處溫度場(chǎng)分布畸變較明顯。由于陶粒附近區(qū)域密度場(chǎng)不均勻，陶粒與發(fā)泡混凝土的熱流量不同，導(dǎo)熱系數(shù)不同，所以導(dǎo)致溫度場(chǎng)分布不均勻。

沿著熱流傳遞的方向，取從0到100 mm的砌塊厚度，記錄20個(gè)溫度點(diǎn)。不同陶粒摻量時(shí)砌塊內(nèi)部溫度分布如圖3所示。

圖3 不同陶粒摻量時(shí)砌塊內(nèi)部溫度分布

由圖3可見(jiàn)，經(jīng)模擬測(cè)算，相較于陶粒摻量為0的平均溫度，陶粒摻量從5%至30%的變化率分別為11.77%、3.15%、1.37%、-0.36%，由此可知，砌塊溫度變化與陶粒摻量成反比。砌塊溫度變化隨著陶粒摻量的增加曲線波動(dòng)相對(duì)平緩。陶粒摻量為5%的情況下溫度波動(dòng)最大，熱量損失也最大，陶粒摻量達(dá)到30%的情況下熱量損失最小。陶粒摻量為0和30%的情況下，溫度曲線沿?zé)崃鞣较蚓鶆蚪档汀?/p>

在Ansys fluent中可以直接得到邊界面的熱流量（見(jiàn)圖4），通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)公式可以計(jì)算得到陶粒發(fā)泡混凝土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)，模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比如圖5所示。

圖4 陶粒發(fā)泡混凝土的熱流量

圖5 砌塊導(dǎo)熱系數(shù)模擬值和試驗(yàn)值對(duì)比

由圖5可見(jiàn)，陶粒發(fā)泡混凝土在陶粒摻量為30%的情況下模擬值與試驗(yàn)值的導(dǎo)熱系數(shù)均為最小。模擬值與試驗(yàn)值基本相符。通過(guò)模擬所得到的陶粒發(fā)泡混凝土砌塊當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在陶粒摻量為30%的情況下，模擬值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差僅為3.8%。通過(guò)上述模擬的方法，可以建立陶粒摻量與陶粒發(fā)泡混凝土砌塊導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，數(shù)值可靠性較高。

4 陶粒發(fā)泡混凝土墻體與常用的保溫墻體的比較分析

依據(jù)JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》選擇沈陽(yáng)市冬季室內(nèi)外計(jì)算溫度，進(jìn)行傳熱性能模擬。模擬研究陶粒發(fā)泡混凝土自保溫墻體與常用的保溫墻體傳熱性能。

GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中，墻體內(nèi)、外表面換熱阻分別為0.11、0.04（m2·K）/W，其它各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表5。300 mm厚陶粒發(fā)泡混凝土砌塊基體、20 mm厚專用保溫砂漿層構(gòu)成的陶粒發(fā)泡混凝土墻體總熱阻R為：

式中：R1——內(nèi)表面換熱熱阻，取0.11（m2·K）/W；

R2——外表面換熱熱阻，取0.04（m2·K）/W；

d1——陶粒發(fā)泡混凝土基體厚度，取0.3 m；

d2——專用抹面砂漿層厚度，取0.02 m；

K1——陶粒發(fā)泡混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，取0.083（W/（m·K）；

K2——專用抹面砂漿導(dǎo)熱系數(shù)，取0.129（W/（m·K）。

能夠滿足JGJ 26—2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)中高層以上建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的要求，外墻的傳熱系數(shù)應(yīng)≤0.55 W/（m2·K）。

根據(jù)JGJ 144—2019《外墻外保溫工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》確定外墻外保溫墻體系統(tǒng)中基本結(jié)構(gòu)，本次模擬忽略飾面層錨栓等結(jié)構(gòu)，主要研究基層墻體、粘結(jié)層、保溫層以及抹面層的傳熱性能熱工模擬計(jì)算。本模擬中外墻外保溫體系中保溫板分別選擇巖棉、EPS和陶粒發(fā)泡混凝土（熱工參數(shù)見(jiàn)表5），墻體的構(gòu)造見(jiàn)圖6，通過(guò)Ansys fluent二維穩(wěn)態(tài)傳熱仿真模擬墻體的溫度云分布見(jiàn)圖7。

圖6 墻體構(gòu)造示意

由圖7可以看出：

圖7 墻體溫度分布云圖

（1）將外墻外保溫墻體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)按照電阻的并聯(lián)公式和傳熱熱阻公式進(jìn)行計(jì)算，得到3種方案的傳熱系數(shù)模擬值分別為0.28、0.23、0.36 W/（m2·K）。

（2）EPS保溫板可以高效率地阻隔冷空氣，粘結(jié)砂漿層以及基層混凝土部分的溫度已經(jīng)上升至17℃。分析認(rèn)為EPS保溫板有效阻隔了基層混凝土部位的熱量交換，傳熱被大大的抑制，起到了保溫隔熱的作用。

（3）對(duì)比分析有機(jī)保溫板與無(wú)機(jī)保溫板，有機(jī)保溫版的保溫隔熱性能更好，傳熱系數(shù)最小為0.23（W/m2·K），垂直于傳熱方向的界面，熱通道相比有機(jī)材料變得更短，傳熱更好。

（4）陶粒發(fā)泡混凝土砌塊墻體等溫線分布均勻，溫度逐步降低，內(nèi)層溫度同樣可以達(dá)到17℃，具有更良好穩(wěn)定的保溫隔熱性能。

（5）外保溫系統(tǒng)與陶粒發(fā)泡混凝土砌塊墻體具有相同的保溫隔熱性能，傳熱系數(shù)相差不大，但陶粒發(fā)泡混凝土墻體相較于外保溫系統(tǒng)墻體厚度更薄，材料更環(huán)保。利用陶粒發(fā)泡混凝土砌塊保溫隔熱性能，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)寒地區(qū)冬季建筑供熱耗能的降低，提高能源效率，滿足GB 50574—2010《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一規(guī)范》中節(jié)能率75%的要求。

5 結(jié)論

（1）各因素對(duì)陶粒發(fā)泡混凝土抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋禾樟５耐矇簭?qiáng)度＞陶粒的摻量＞養(yǎng)護(hù)溫度，陶粒的筒壓強(qiáng)度對(duì)陶粒發(fā)泡混凝土的抗壓強(qiáng)度影響最大。

（2）通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，陶粒摻入發(fā)泡混凝土中，陶粒發(fā)泡混凝土砌塊內(nèi)部傳熱均勻，等溫線排布均勻，在陶粒摻量為30%的情況下，陶粒發(fā)泡混凝土的等溫線排布均勻，接近發(fā)泡混凝土，在提高強(qiáng)度的同時(shí)保溫隔熱性能最好。

（3）陶粒發(fā)泡混凝土砌塊墻體與外墻外保溫結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能相差不大，陶粒發(fā)泡混凝土墻體內(nèi)部等溫線分布均勻，室內(nèi)墻體可達(dá)到17℃，具有良好穩(wěn)定的保溫隔熱性能。