基于新型复合相变保温砂浆的砖混结构墙体抗裂性能有限元研究

摘要 本研究聚焦于新型复合相变保温砂浆对砖混结构墙体抗裂性能的影响。随着空调使用导致室内外温差加大，砖混结构墙体裂缝问题愈发突出。新型复合相变保温砂浆具备提升砌体结构保温及蓄放热能力的潜力，有望改善墙体抗裂性能。研究借助有限元软件，以湖南湘潭地区某住宅楼为参考，建立模型分析不同工况下墙体温度应力及其分布情况。结果显示，该砂浆可有效降低墙体温度应力，提升抗裂性能。本研究为实际工程中解决砖混结构墙体裂缝问题提供了理论依据与技术支持。

关键词 新型复合相变保温砂浆；砖混结构墙体；抗裂性能；有限元研究

一、引言

砌体结构曾经在中国五千年的文明史上扮演者很重要的角色，随着科技的发展，人类的进步，砌体结构并没有因此退出社会的舞台。时至今日，砌体结构仍在多层住宅、学校、医院、科研用房等建筑中被广泛应用。从古烁今，砌体结构一直以来都是建筑工程中最常用的结构形式，与其的诸多优点是分不开的，砌体结构具有材料来源广泛，易于就地取材，可以节省钢材、水泥，有很好的耐火性和较好的耐久性，建设周期短且使用年限长，隔热隔声性能好，节能效果明显，砌体砌筑时，不需要模板及特殊的技术设备，施工流程易被普通百姓所接受等优点。

然而，其抗拉与抗剪强度低的特性，导致墙体易出现裂缝。近年来，空调的普及使室内外温差加大，由此产生的空调效应成为墙体开裂的新诱因。韶山市某商住楼项目顶层室内隔墙开裂，经研究发现，夏季高温时，外墙及楼板受热膨胀，而内墙因空调保持恒温，致使内墙承受外墙及屋面板的拉应力，最终引发裂缝。

与此同时，全球气候变化促使夏冬季节空调使用频率显著提升，这进一步加剧了室内外温差，使得基于空调效应的砖混结构墙体裂缝问题愈发严重。在这样的背景下，新型复合相变保温砂浆应运而生，其能够有效提高砌体结构的保温及蓄放热能力，为解决墙体裂缝问题带来了新的契机。因此，开展基于新型复合相变保温砂浆的砖混结构墙体抗裂性能研究具有重要的现实意义。

二、新型复合相变保温砂浆作用机理

2.1 新型复合相变保温砂浆的组成与特性

新型复合相变保温砂浆主要由相变材料、保温骨料、胶凝材料以及外加剂等组成。相变材料作为核心成分，通常选用具有合适相变温度和较大相变潜热的物质，如石蜡、脂肪酸等有机相变材料，或者水合盐等无机相变材料。这些相变材料在温度变化时能够发生相态转变，吸收或释放大量的热量，从而起到调节温度的作用[1]。

以石蜡为例，其相变温度一般在 40 - 60℃之间，相变潜热可达 200 - 300J/g 。当环境温度升高时，石蜡从固态转变为液态，吸收热量，抑制墙体温度的上升；当环境温度降低时，石蜡从液态转变为固态，释放热量，减缓墙体温度的下降。这种特性使得新型复合相变保温砂浆能够有效地降低墙体内部的温度波动，减少温度应力的产生，从而提高墙体的抗裂性能。

保温骨料则是新型复合相变保温砂浆的重要组成部分，常用的保温骨料有膨胀珍珠岩、玻化微珠等。膨胀珍珠岩是一种酸性火山玻璃质熔岩经破碎、筛分、预热、焙烧膨胀而制成的轻质骨料，具有密度小、导热系数低、保温隔热性能好等优点[2] 。保温骨料的存在不仅能够降低砂浆的密度，提高其保温性能，还能增强砂浆的骨架结构，改善其力学性能。

胶凝材料在新型复合相变保温砂浆中起到粘结和固化的作用，常见的胶凝材料有水泥、石膏等。水泥是最常用的胶凝材料之一，其具有强度高、耐久性好等优点。在新型复合相变保温砂浆中，水泥能够将相变材料、保温骨料等粘结在一起，形成一个坚固的整体，保证砂浆的力学性能和稳定性。外加剂则是为了改善砂浆的某些性能而添加的辅助材料，如可再分散乳胶粉、纤维素醚、减水剂等。可再分散乳胶粉能够提高砂浆的粘结强度和柔韧性，纤维素醚可以增加砂浆的保水性和施工性，减水剂则能减少砂浆的用水量，提高其强度和耐久性。

从力学性能来看，虽然相变材料和保温骨料的加入会在一定程度上降低砂浆的强度，但通过合理调整胶凝材料和外加剂的比例，可以使新型复合相变保温砂浆的力学性能满足建筑工程的要求[3]。研究数据显示，在优化配合比后，新型复合相变保温砂浆的抗压强度可达到 3.0 - 5.0MPa，抗折强度可达到 0.5 - 1.0MPa ，能够满足一般墙体抹面砂浆的强度要求。 这些特性对墙体抗裂性能具有重要的潜在影响。稳定的温度场可以减少因温度变化引起的墙体材料膨胀和收缩，从而降低温度应力，减少裂缝的产生。良好的保温性能有助于保持墙体内部温度的均匀性，避免温度梯度过大导致的应力集中。适当的力学性能则保证了砂浆在承受一定荷载和变形时不会轻易开裂，增强了墙体的整体稳定性。

2.2 保温及蓄放热原理

新型复合相变保温砂浆的核心在于相变材料。相变材料在温度变化时会发生物态转变，如从固态变为液态或从液态变为固态，在这个过程中会吸收或释放大量的热量，即相变潜热。当外界温度升高时，相变材料吸收热量发生相变，将热量储存起来，延缓墙体温度的上升速度；当外界温度降低时，相变材料释放储存的热量，使墙体温度保持相对稳定。这种特性使得复合相变保温砂浆具备优异的保温及蓄放热能力，有效减少了墙体因温度波动产生的温度应力。

在夏季空调使用时，室内温度较低，而室外温度较高。此时，复合相变保温砂浆中的相变材料吸收室外传入的热量，降低了外墙内表面的温度，减少了外墙与室内隔墙之间的温差，从而降低了因空调效应产生的温度应力。在冬季，相变材料则释放储存的热量，提高室内温度，减少室内外温差，进一步减轻墙体的温度应力。

2.3 对墙体抗裂性能的影响机制

一方面，复合相变保温砂浆的保温性能减少了墙体在空调效应下的温度变化幅度，降低了温度应力的产生。另一方面，其蓄放热特性有助于调节墙体内部的温度分布，避免局部温度过高或过低，减少了因温度不均匀产生的内应力。此外，相变材料在发生相变时，会产生一定的体积变化，这种变化可以在一定程度上补偿墙体因温度变化产生的收缩或膨胀变形，从而提高墙体的抗裂性能。

在实际工程中，由于砖混结构墙体材料的线膨胀系数不同，在温度变化时会产生不同程度的变形，导致墙体内部产生应力。复合相变保温砂浆的应用可以有效缓解这种应力集中现象，降低墙体开裂的风险。例如，当外墙受到太阳辐射温度升高时，复合相变保温砂浆吸收热量，减缓外墙的升温速度，同时其体积变化可以补偿墙体的膨胀变形，减少了外墙与内隔墙之间的相对变形，从而降低了内隔墙开裂的可能性。

三、研究方法

3.1 软件选择及有限元建模

本研究选用 SAP2000 软件进行有限元分析。该软件建模方便，荷载计算功能完善，该软件具备强大的结构分析功能，能够进行线性和非线性静力分析、动力分析以及反应谱分析等，能够满足砖混结构墙体在不同荷载工况下的分析需求。在处理砌体结构时，SAP2000 可以方便地定义墙体的材料属性、边界条件和荷载分布，快速准确地计算结构的内力和变形。能对复杂工程进行计算分析，分析结果更符合实际。

考虑，模型采用剪力墙模板建模，运用壳单元模拟楼板及墙体，支座采用固定铰支座，根据湘潭市某住宅楼顶层建筑平面图，进行1：1整层模型建立，其三维视图模型如下图所示：

3.2 温度荷载参数设置

参考叶甲淳[4]的实测数据可知，在夏季，屋面顶板的日照最高温度为61℃，西面墙体的的日照最高温度为43.5℃，东面墙体的的日照最高温度为36.7℃，北面墙体的的日照最高温度为34.7℃，南面墙体的的日照最高温度为35.8℃，假定室内隔墙温度与室内温度相同，室内温度因为空调恒温的缘故，故室内温度仅为25℃，其温度荷载通过温度梯度来实现，通过公式计算，顶层各墙面温度荷载值详见表3.1 顶层温度荷载参数表。

3.3 工况设定

顶层楼房的室内隔墙拉应力最大，且其拉应力值与室外气温有直接关系。但是结合金伟良[5]在其文献里面的描述可知，室外墙体根据建筑平面位置不同，夏季最大日照温度有所不同，其中屋面顶板温度＞西外墙面温度＞东外墙面温度＞南外墙面温度＞北外墙面温度。考虑到西墙温度梯度表现最大，故本次分析主要研究西面墙体温度梯度保持不变的情况下，改变砖砌体砂浆材料，分析在两种不同工况下的温度应力分布云图及变化，其中工况1是使用普通砂浆的砖砌体墙体，工况2是使用复合相变保温砂浆的砖砌体墙体。

四、结果与分析

4.1 温度应力云图分析

经过有限元计算分析，其西面墙体应力云图对比如下图：

经过限元计算分析，其最大拉应力值幅度变化如下表所示：

通过 SAP2000 软件计算得到不同工况下的温度应力云图。在普通砂浆工况下和新型复合相变保温砂浆工况下，墙体东面墙角处均出现较大拉应力，但在复合相变保温砂浆工况下，随着相变材料掺量的增加，墙体东面墙角处的拉应力值逐渐降低。当使用较高掺量的复合相变保温砂浆时，拉应力值下降明显，甚至低于砌体的抗拉强度设计值。这表明复合相变保温砂浆能够有效降低墙体的温度应力，提高墙体的抗裂性能。

4.2 不同工况下抗裂性能对比

综合分析不同工况下墙体的温度应力和开裂情况，对其抗裂性能进行对比。结果表明，使用复合相变保温砂浆的墙体抗裂性能明显优于普通砂浆墙体。在相同的温度荷载作用下，普通砂浆墙体更容易出现裂缝，且裂缝宽度和长度较大；而复合相变保温砂浆墙体能够承受更大的温度应力，裂缝出现的概率和程度均显著降低。

在实际工程中，墙体开裂不仅影响美观，还可能导致墙体渗漏、保温性能下降等问题。复合相变保温砂浆的应用为解决这些问题提供了有效的途径，能够提高砖混结构墙体的耐久性和安全性。

五、结论与展望

本研究通过有限元分析，深入探讨了新型复合相变保温砂浆对砖混结构墙体抗裂性能的影响，得出以下结论：新型复合相变保温砂浆能够有效降低砖混结构墙体在空调效应下的温度应力，提高墙体抗裂性能。随着相变材料掺量的增加，墙体拉应力值逐渐降低，开裂风险显著减少。

尽管本研究取得了一定成果，但仍存在可深化的方向。在调整内墙刚度以转移温度应力方面，可进一步研究不同构造措施和材料选择对墙体刚度的影响，以及如何通过优化设计使内墙更好地承受温度应力，避免开裂。

对于有限元分析中改变内墙刚度对外墙温度应力云图变化趋势的研究，可开展更多工况模拟，详细分析不同内墙刚度变化情况下外墙温度应力的分布规律和变化特点，为工程设计提供更全面的理论支持。

在实际工程应用方面，建议在老旧小区砖混结构改造中推广使用新型复合相变保温砂浆，并根据不同地区的气候特点和建筑结构形式，制定合理的应用方案。同时，加强对复合相变保温砂浆生产和施工过程的质量控制，确保其在实际工程中充分发挥抗裂性能优势，提高砖混结构墙体的质量和耐久性。

参考文献

[1] 赵立，王勇.《相变材料在建筑节能中的应用研究进展》[J].《新型建筑材料》， 2022（05）： 1-5.

[2] 孙明，李华.《膨胀珍珠岩在保温砂浆中的应用性能分析》[J].《建筑材料学报》， 2021（03）：45-50.

[3] 张辉，刘畅.《新型复合相变保温砂浆的性能及应用前景》[J].《建筑技术开发》， 2023（08）：78-82.

[4]叶甲淳．混凝土小型空心砌块建筑裂缝控制的温度效应研究[D]．浙江：浙江大学博士学位论文，2003，92-98．

[5]金伟良. 混凝土空心小砌块建筑温度场[J].工业建筑，2002，30.