混凝土复合自保温砌块热工性能研究与优化设计

摘要：混凝土复合自保温砌块因其可实现保温结构一体化，具有耐久性好、防火、施工方便等，受到业界广泛关注。为了提高砌块的保温隔热性能，许多研究主要从两方面进行优化，一是优化砌块的孔洞排列和形状大小；二是优化砌块基材材料。利用粉煤灰代替天然骨料生产出抗压强度达到 MU3.5 的混凝土自保温砌块，并对其砌筑墙体的保温性能进行了测试。研究表明：粉煤灰混凝土自保温砌块墙体的实测传热系数低于 1.0 W/（m2·K），保温性能明显优于烧结空心砌块和普通混凝土空心砌块。本试验以粉煤灰主要原料，研制粉煤灰混凝土自保温砌块，对用空心砌块和空腔填充发泡水泥砌块墙体的热工性能进行了分析。

关键词：混凝土；自保温砌块；性能

一、背景

我国地域非常广阔，冬寒夏热现象十分突出，与同纬度其他国家相比，从长江以北到东北地区冬季温度大约偏低10℃～18℃，夏季温度偏高2℃。因为我国对建筑物的隔热、保温、气密性重视不足，使得新建建筑和既有建筑物的采暖系统热效率普遍偏低，隔热气密性、保温大部分都很差。根据国家建设部、国家建材局统计资料，我国房屋建筑材料中70％都是各类墙体材料，其中粘土砖还占据主导地位，生产粘土砖每年耗用达10多亿立方米的粘土资源，约相当于毁田50万亩，与此同时，我国每年生产粘土砖消耗7000多万吨标准煤，不仅增加墙体材料的生产能耗，而且导致新建建筑的采暖和空调能耗大幅度增加，严重加剧了能源供需矛盾。为了切实贯彻国家的可持续发展战略方针，节约能源，保护土地资源和生态环境，全国各地都加大了建筑墙体改革和节能的力度。2005年以来，国家有关部门出台的一系列文件对建筑节能提出了新的要求，新建建筑要向强制执行国家已颁布的建筑节能设计标准推进，增加节能建筑面积，逐步提高新型墙体材料的生产和应’用比例。新建建筑严格执行建筑节能设计标准，有条件的城市率先执行节能率65％的标准。因此，现有墙体材料的保温性能已不能满足节能建筑的要求，开发完全符合国家政策和建筑工程实际的新型保温墙体材料是一种发展趋势。

二、试验用原材料

水泥：试验采用某水泥厂生产的 P·C 32.5 级水泥，其技术性能应符合 GB 175《通用硅酸盐水泥》的要求，28 d 抗压强度 36.9 MPa。粉煤灰：试验采用郑州新力热电厂的干排 III 级粉煤灰，烧失量 3.07%。

1、试验配合比的确定。根据以往试验经验，选定轻骨料混凝土配合比为：水泥∶粉煤灰∶砂∶水 =290 kg∶70 kg∶420 kg∶360 kg∶160 kg，成型 100 mm×100 mm×100 mm 立方体抗压强度试件和250 mm×250 mm×20 mm 导热系数试件，标准养护 28 d 后进行抗压强度和导热系数试验。粉煤灰混凝土立方体 28 d 抗压强度测试结果为19.7 MPa，导热系数测试结果为 0.248 W/（m·K），根据混凝土小型砌块强度与混凝土试配强度间的关系，能够满足生产 MU5.0 级以下轻骨料混凝土自保温砌块的强度要求，且其具有较低导热系数。

2、混凝土空心砌块的块型。为了延长砌块壁、肋作为冷热桥的长度，增大热量沿砌块壁、肋传递的距离，不采用传统的长方形砌块块型，改为 Z 字型块型为主块型，见图。

3、混凝土自保温砌块抗压强度。按选定的配合比作为混凝土砌块的生产配合比，并在试生产的砌块选取一批在空腔中填充密度不大于 400 kg/m3 的发泡水泥，进行抗压强度和墙体传热系数试验，并进行对比分析。抗压强度按照 GB/T 4111《混凝土小型空心砌块试验方法》进行检测，砌块的抗压强度结果可以看出，选取的 5 块带空腔粉煤灰陶粒混凝土砌块抗压强度平均值为 4.4 MPa，单块最小值 3.5 MPa，而用发泡水泥填充空腔的砌块抗压强度平均值为 4.6 MPa，单块最小值 3.1 MPa，能够满足 GB/T 15229《轻集料混凝土小型空心砌块》中 MU3.5 级的要求，也就是说，利用质轻的粉煤灰陶粒做骨料生产自保温砌块是完全可行的。对于空腔填充发泡水泥的砌块，其抗压强度平均值仅比为填充的高 0.2 MPa，排除试验误差的影响，可以认为，二者强度基本一致，混凝土空心砌块空腔填充发泡水泥并不能提高其强度。

三、混凝土自保温砌块墙体热工性能测试

混凝土自保温砌块的热工性能测试按照 GB/T13475《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》进行，测试墙体为粉煤灰混凝土空心砌块砌筑，砌筑砂浆和抹面砂浆均采用 1∶0.5∶2.5 水泥混合砂浆，砌筑缝厚度 10 mm，墙体两侧抹灰层厚度均为 10 mm。本试验是采用防护热箱法对混凝土空心砌块砌筑墙体的传热系数进行测试，它是基于一维传热原理，模拟现实条件下围护结构构件的传热过程。热箱模拟室内空气温度、风速和辐射条件，冷室模拟室外空气温度和风速条件，构件放置于冷箱和热箱之间。热量传递通过试件与箱体各表面的热辐射和试件表面的热辐射和试件表面与周围空气的对流换热系数。传热达到稳定状态后，根据热平衡有如式：

墙体热工性能测试采用MW-B/WT-1821/1515 型门窗稳态综合检测设备，测试墙体厚度为砌块原厚 200 mm，两侧抹面砂浆各 10 mm，面积 2.30 m2，试验装置见图 3～5。设定冷室温度 263.00 K，热室温度 303.00 K。试验过程由设备自动控制，设定稳定状态维持时间 3～4 d，有效数据记录时间 3 h。试验期间随时观察设备运行情况，并适当调整设备冷室和环境空间冷热供给量，使各项参数达到设置值。稳定结束后开始记录数据，每个 0.5 h 记录一次各项参数平均值，共计测量 6 次，测试结果可以看出，空心砌块墙体的实测传热系数为0.97 W/（m2·K），空腔填充发泡水泥砌块墙体的传热系数为 0.88 W/（m2·K），基本能赶上加气混凝土砌块墙体的传热系数，远远低于烧结多孔砖墙体的 1.90 W/（m2·K）左右和普通混凝土多孔砖墙体的 2.20 W/（m2·K）左右，具有良好的保温性能。但是同这两类墙体传热系数的理论计算值相比较，空心砌块墙体 0.45 W/（m2·K），空腔填充发泡水泥砌块墙体 0.61 W/（m2·K），还是偏大，考虑这是由于砂浆砌缝成为主要冷热桥造成的影响。还有一点，理论计算值空腔填充发泡水泥的砌块墙体传热系数比空心砌块高很多，应为空气的导热系数要比发泡水泥的导热系数小得多，从实测值来看，空腔填充发泡水泥砌块的传热系数却比空心砌块要低，分析其原因，虽然空气的导热系数远远小于发泡水泥的导热系数，大概为 0.020 W/（m·K）左右。但是由于空心砌块的空洞是上下贯通的，试验墙体大概高约 1.6 m左右，在试验墙体内部，空腔其实相当于一个个 1.6 m 的小烟囱，靠近热室一侧的空气受热向上方运动，到空腔顶部运动受阻转向冷室方向，而靠近冷室一侧的空气遇冷则向下方运动，到空腔底部运动受阻转向热室方向，于是空腔内的空气层在温度的作用下来回上下左右循环，在空腔内部形成了一个个内部环流层，加速的热量由热室往冷室传递的速递过程，因此，虽然空气的导热系数远小于发泡水泥，但是填充发泡水泥还是能够增强砌块的保温性能。

结语

（1）利用粉煤灰作为骨料可以生产出 MU3.5 级的混凝土自保温砌块。与当前的普通混凝土多孔砖相比，粉煤灰混凝土多孔砖具有较小的密度和良好的保温性能，其采用普通砂浆砌筑墙体的实测传热系数就能够达到 1.0 W/（m2·K）以下。

（2）相同配合比生产出来的混凝土砌块空腔填充发泡水泥与空心相比，抗压强度并没有明显增加。但从其保温性能来讲，填充发泡水泥的砌块墙体传热系数为0.88W/（m2·K），低于空心砌块墙体传热系数为 0.97 W/（m2·K），空腔填充发泡水泥能提高砌块的保温性能。

参考文献：

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