混凝土夹芯秸秆块砌块传热特性及优化措施.pdf

全 国中文核心期刊 杆 建巍 中 国 科 技 核 心 期 刊 混凝士夹芯秸秆块砌块传热辅牲 及优化措施 邱淑军， 刘福胜 ， 王少杰， 马飞 ( 山东农业大学 水利土木工程学 院， 山东 泰安2 7 1 0 1 8 ) 摘要 ： 采用数值计算的方法对混凝土夹芯秸秆块砌块的传热进行模拟， 得出砌块的稳态温度场、 热流密度场等， 计算出平均传 热系数 ； 与测试结果进行 比较 ， 得 出模拟值与试验值相差仅为 5 6 ； 根据模拟 结果 ， 认为砌块肋部热桥是影响保温性能的重要因素， 并提 出提高砌块保温性能 的具体方案和措施 。 关键词 ： 混凝土夹芯秸秆块砌块； 传热系数； 热桥； 优化 中图分类号 ： T U 5 2 2 3 + 4 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 5 4 0 3 He a t t r a n s f e r p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e b l o c k fil l i n g wi t h c o m p r e s s e d b l o c k s o f s t r a w a n d o p t i mi z a t i o n m e a s u r e s Q I U S h u j u n ， L I U F u s h e n g ， WA N G S h a o j i e ， M A F e i ( Wa t e r Co n s e r v a n c y a n d C i v i l En g i n e e r i n g C o l l e g e ， Sh a n d o n g A c u l t u r a l U n i v e r s i t y ， Ta i a n 2 71 01 8， S h a n do n g ， C h i na ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， s t e a d y s t a t e t e mp e r a t u r e fie l d a n d h e a t flu x fi e l d o f b l o c k a r e o b t a i n e d t h r o u g h h e a t t r a n s f e r s i mu l a t i o n o f c o n c r e t e b l o c k fi l l i n g wi t h c o mp r e s s e d b l o c k s o f s t r a w wi t h n u me ric a l c a l c u l a t i o n me t h o d a n d t h e a v e r a g e t h e r ma l c o n d u c - t i v i t y c o e ffi c i e n t i s c alc u l a t e d C o mpa rin g wi t h t h e e x p e rime n t a l t e s t r e s u l t s ， t h e d i f f e r e n c e b e twe e n t h e s i mu l a t i o n v a l u e a n d t h e e x p e r i me n t al v a l u e i s o n l y 56 T he s i mu l a t i o n r e s u l t s h o ws t h a t t h e t h e rm a l b rid g e o f t h e b l o c k r i b b i n g p a r ts i s a n i mp o r t a n t f a c t o r i n t h e i mp a c t o f t h e r ma l i n s u l a t i o n a n d a s ug g e s t i o n t o i mp r o v e t h e b l o c k s h e a t p r e s e r v a t i o n p e r f o r ma n c e i s p u t f o r wa r d Ke y wo r d s ： c o n c r e t e b l o c k fi l l i n g w i t h c o mp r e s s e d b l o c k s o f s t r a w ： t h e rm a l c o n d u c t i v i t y c o e ff i c i e n t ； t h e rm a l b ri d g e ； o p t i m i z a t ； o n 0 引言 随着节能标准对墙体保温性能要求的提高， 热工性能良 好的砌块不断出现。 本文课题组开发了一种将秸秆压缩块放 入混凝土空心砌块制成的混凝土夹心秸秆块砌块， 弥补了单 纯混凝土空心砌块和秸秆压缩块性能的不足。前期研究表 明， 该混凝土夹芯秸秆块砌块具有保温性能好、 吸水率低、 抗 冻融性能高、 防火、 节能环保等优点， 而且取材容易、 制作简 单、 施工方便、 成本低廉， 是一种新型的建筑材料， 为秸秆资 基金项 目： 山东省科技发展计划项 目( 2 0 0 9 G G1 0 0 0 9 0 6 0 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 3 2 4 作者 简介 ： 邱淑 军 ， 男 ， 1 9 8 5 年 生， 山东潍坊 人 ， 硕士研 究生 。通讯 作 者： 刘福胜 ， 地址 ： 山东省泰 安市岱宗大街 6 1 号 ， E ma i l ： l i u f s h s d a u e d u C R 。 5 4 新型建筑材料 2 0 1 1 9 源化利用提供了一条新的途径 】 。 本文采用有限元方法对混 凝土夹芯秸秆块砌块 1 个砌筑单元进行数值模拟， 得出材料 的平均传热系数， 并与试验测试结果进行对比； 对砌块温度 场及热流密度场进行分析， 提出优化方案， 以期提高砌块的 热工性能。 1 物理模型 物理模型为1 块混凝土夹芯秸秆块砌块( 见图1 ) ， 尺寸 ( Kx 宽 高) 为3 9 0 m m x l 9 0 m m x l 9 0 m m ， 砌块共有2 个孔腔， 孔腔内放置秸秆块， 秸秆块的尺寸( 长x 宽X 高) 为 1 4 0 m m X 1 3 0 m m x l 7 0 m m ， 实物如图2 所示。 砌筑时按照图l 形式砌筑 而成， 砌块之间的连接水泥砂浆 1 0 m m厚( 计算单元内每侧5 m m ) ， 内外墙水泥砂浆抹灰的厚度均取为 1 0 m n l ， 墙体总厚度 为2 1 0 h i m 。各组成部分的导热系数见表 1 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 邱淑军， 等： 混凝土夹芯秸秆块砌块传热特性及优化措施 外墙抹灰 秸秆块 图 1 单块砌 块几何尺寸 图 2 混凝土夹芯秸秆块砌块实物 表 1 混凝土夹芯秸秆 块砌块组成部分的导热系数 材 料 夹 芯秸秆块混凝土 水泥砂浆抹灰砂浆 导热系数I WI ( m K ) 】0 0 3 1 1 7 3 2 O 9 3 0 O 8 1 0 2 数值模型及边界条件 2 1 混凝土夹芯秸秆块砌块稳态热分析的 理论基础 在稳态热分析中， 任一节点的温度不随时间变化。其能 量平衡方程为： K 【 T ) = Q ) ( 1 ) 式中： 【 K 卜 _ _ 传导矩阵， 包含导热系数、 对流系数及辐射率和 形状系数； f T 卜 _ 一 节点温度向量； Q _ 一 节点热流率向量， 包含热生成。 有限元方法利用模型几何参数、材料热性能参数以及所 施加的边界条件， 生成【 K 】 、 T 以及 Q 。 2 2 基本假设及边界条件 在实际环境中， 墙壁内的热传递比较复杂， 为了使问题简 化又不影响分析结果的准确性， 做以下简化： ( 1 ) 同一构造层内材料是均质、 各向同性的； ( 2 ) 认为墙体各层材料紧密接触， 不考虑接触热阻； ( 3 ) 忽略湿传递。 为方便验证达到所需温差条件，模拟时施加D i r i c h l e t 条 件， 设定墙体内、 外壁面恒定温度分别为1 0 和3 0 ， 其余4 个面是对称界面， 故设置成为绝热表面。 2 3 模型数值计算 根据边界条件对模型施加荷载，并对单元体模型进行求 解， 可以得出单元体的温度场及热流矢量。 图3 为稳态传热时 砌块的温度场， 直观表现出砌块内部的温度变化； 图4为砌块 的热流密度场， 热流线的长短表示热流的大小， 矢量的箭头表 示热流的方向。 图 3 砌筑单元等值温度线 黧 一 图 4 砌筑单元热流失量 3 模拟结果及分析 从图3 的等温线可以看出，砌块温度场图符合热传递的 基本规律， 外侧温度最高， 内侧温度最低。受材料导热性能影 响， 在混凝土砌块肋部温度场云图分布不再规则， 温度等值线 发生了弯曲， 这说明秸秆块的保温效果明显好于混凝土砌块， 秸秆块内部温度变化迅速而混凝土砌块温度变化相对缓慢， 温度梯度最大值出现在砌块肋部， 而秸秆块的温度梯度最小， 这是由材料的导热系数决定的，不同温度线的弯曲方向也表 明热量向肋部汇聚，可见混凝土肋部形成的热桥大大削弱了 砌块的保温效果。 从图4热流矢量图可以看出，热流在混凝土肋部及水泥 砂浆连接部位传递较多，这是因为混凝土和水泥砂浆的导热 系数大【 分别为 1 7 3 2 、 0 9 3 W ( m K ) 】 引起的。由于混凝土肋 的存在， 在砌块内、 外壁之间形成了热桥， 虽然砌块内部填充 了秸秆块， 通过墙体的总热量减小， 但是通过砌块肋部热桥的 热量却增加了， 这是因为热桥周围部分热阻增大， 使得周围部 分的热量从热阻较小的肋部流过。 再有， 秸秆块在阻断热量传 递方面有明显作用，热流在经过秸秆块时，由于秸秆块的阻 N E W BUI L DI NG MAT E RI AL S 55 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 邱淑军 ， 等： 混凝土夹芯秸秆块砌块传热特性及优化措施 挡， 改变了热流原来的流向， 使热流呈S 形流动， 混凝土砌块 肋部和底部就起到热桥的作用， 导致热量流失较多。砌块表 面热流大小随砌块长度方向的分布趋势见图5 。 8 O 7 0 6 O 5 0 亨 4 o 3 0 幂 2 O l 0 0 _ _ 器 器 誉 兰 蚤 量 曼 至 善 鸯 冀 蕊 嚣 蓦 夏 嚣 嚣 蚕 莩 长度 m m 图 5 热流值随砌块 长度方 向的分布趋势 从图5 可以看出， 在混凝土夹芯秸秆块砌块的两边及中 间肋处出现热流量峰值， 其中两侧热流值较高是由连接部位 浇筑水泥砂浆增加热量流通宽度引起的。按面积统计， 每个 砌筑单元有 1 9 2 3 的肋部热桥， 而通过它们传递的热量占总 热量的8 1 5 2 。因此， 砌块的热桥是造成本文所研究砌块传 热量大、 热工性能差的最主要因素。要提高砌块热工性能最 主要的是削弱砌块热桥作用。 W ( n l 2 t K ) ， 比原模型减小1 3 5 3 ， 保温效果明显提高。 图 7 优化后砌块热流 ( 侧面) 5 平均传热系数数值模拟和实测结果比较 为验证数值计算结果的可靠性，本文将计算结果与文献 3 的测试结果进行对比。文献【 3 】 对3 9 0 m m x 1 9 0 m in x 1 9 0 m m 混凝土夹芯秸秆块砌块构成墙体的稳态性热工性能进行了测 试。试验设备采用哈尔滨工业大学建筑节能技术研究所研制 的B E S D L 冷( 热) 箱式围护结构传热系数测试装置， 采用热 箱法进行测试， 控温的热箱尺寸为 1 2 0 0 m m x l 0 0 0 I n m。测试 结果和数值模拟结果见表2 。 表 2 混凝土夹芯秸秆块砌块 实测值 与模拟值对 比 4砌 块 的 优 化 措 施 卖 篓 z 差 从图4 可以看出， 在砌筑单元肋部及底部形成的热桥， 减 小了墙体的热阻值， 可以说在建筑围护结构中要彻底避免“ 热 桥” 的存在几乎不可能， 只能通过精心设计和建造来减小和削 弱“ 热桥” 。本文利用空气层导热系数明显小于混凝土导热系 数的物理特性， 对该砌块肋部增加了1 0 0 m m x l 0 m m的凹槽， 增加热量流通的路径以减少热桥效应， 同时考虑在砌块连接 处用保温砂浆代替水泥砂浆， 增加砌块热阻。图6 给出了优 化后砌块的结构及尺寸。 图 6 优 化后保温砌块几何尺寸 ( 侧面) 优化后所选择的保温砂浆导热系数为0 2 9 W ( m K ) 。 优 化后砌块热流( 侧面) 见图7 。由图7 可以看出， 优化模型后， 由于空气层的阻挡， 热流由原来的一维直线传递变为曲线传 递，流通路径明显加长。经计算得到平均传热系数K = O 8 8 2 5 6 新型建筑材料 2 0 1 1 9 由表2 可知，数值模拟得到的混凝土夹芯秸秆块砌块的 平均传热系数基本上接近实测结果，表明本文选取的单元类 型、 计算模型和进行的传热过程理论分析是比较合理可行的， 同时也说明有限元模拟所设定的条件也比较合适。数值模拟 结果较实测结果略低， 是因为实际传热过程非常复杂， 而所建 立的单元模型是经过设定条件下的简化模型， 混凝土砌块与 秸秆块的连接处不能完全模拟真实情况； 试验用砌块传热系 数不可能完全为定值等因素所致。 6 优化后砌块的承载力 优化后的混凝土夹芯秸秆块砌块在承载力方面应满足7 层房屋底层墙体承载力要求。当采用优化后的混凝土夹芯秸 秆块砌块作承重墙( 墙厚 1 9 0 m m ) ， 且混凝土夹芯秸秆块砌块 砌体抗压强度设计值按G B 5 0 0 3 -2 0 0 1 砌体结构设计规范 中表 3 2 1 3 选用， 砌块的强度等级为 M U 7 5 ， 砂浆的强度等 级为M 5 时， 即可满足竖向抗压承载力的要求。 本文对优化后 的混凝土夹芯秸秆块砌块进行竖向抗压承载力试验，表明砌 块的强度等级能够达到M U I O ， 完全达到规范要求。 ( 下转第 6 6页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王成启， 等： 粉煤灰海工 自密实高性能混凝土的试验研 究 表 1 0 粉煤灰自密实混凝土的电通量和扩散系数 1 0 m 2 s ， 能满足海洋环境下抗氯盐侵蚀的耐久性要求。 参考文献 ： 1 O k a n mr a H， O u c h i M S e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e ： d e v e l o p m e n t ， p r e 从表 1 0可以看出， 随着龄期的增加， 混凝土的电通量不 3 断降低。 随着粉煤灰掺量的增加， 自 密实混凝土的电通量先降 低后升高； 粉煤灰掺量为4 0 的自密实混凝土电通量相对较 f 4 小， 5 6 d 和9 0 d 的电通量均小于 1 0 0 0 C ， 具有较高的抗氯盐 侵蚀能力； 粉煤灰掺量为5 0 、 6 0 时， 混凝土的电通量相对 5 较高， 均大于 1 0 0 0 C 。 扩散系数的变化规律与电通量基本相同，粉煤灰掺量为 6 4 0 的自密实混凝土的扩散系数较小。粉煤灰掺量为3 0 、 4 0 的自密实混凝土9 0 d 扩散系数分别为 1 4 3 5 x 1 0 m 2 s 、 7 1 1 1 6 3 x 1 0 m 2 s ， 小于 1 5 1 0 m 2 s ， 具有较高的抗氯盐侵蚀 性能。因此， 掺3 0 4 0 粉煤灰的自 密实混凝土可满足海洋 8 】 环境下抗氯盐侵蚀的耐久性要求。 f 9 1 4 结论 通过优选原材料和配合比的优化设计，研究了粉煤灰海 1 0 工白密实高性能混凝土， 系统研究了其工作性、 抗压强度和耐 久性等性能指标。 掺入3 0 4 0 粉煤灰的自 密实混凝土具有 H J 较高的流动性、 填充性、 间隙通过性和抗离析性等， 能满足白 密实混凝土的施工要求，并具有较高的抗压强度和抗氯盐侵 1 2 蚀耐久性， 9 0 d的电通量小于 1 0 0 0 C ， 9 0 d 扩散系数小于1 5 x s e n t u s e a n d f u t u r e C I I n t e r n a t i o n a l R I L E M S y m p o s i u m o n S e l f - Co mp a c t i n g Co n c r e t e ， S t o c k h o l m ， 1 9 9 9 ： 3 -1 4 郭景强 ， 陈贺 新， 翟延波 免振 自密实混凝土 综述 及其应用 J 1 天 津建材， 2 0 0 0( 3 ) ： 2 7 3 2 陈剑雄 ， 张旭 ， 刘巧玲 自密实混凝土 的研 究进展 J 建筑 技术开 发 ， 2 0 0 3 ( 1 2 ) ： 9 2 9 4 朱炳喜 粉煤 灰 白密实混凝土 配合 比正交试验研 究与应用 【 J 1 混 凝土 ， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 1 3 0 1 3 2 王成启， 汪冬冬 上海液化天 然气码 头高性能混凝土配制与施 工 技术 J j _ 水运工程 ， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 1 0 8 1 1 2 盛峰平， 华 自勇海工 高性能混凝土在 东海 大桥工程中的应用l J 1 中国市政工程 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 2 9 3 2 盖 国晖， 李超 ， 熊建波 青岛海湾 大桥海 工高性能混 凝土配 制技 术研 究 J 1 公路， 2 0 0 9( 9 ) ： 1 5 5 1 6 1 周 国强 杭 州湾跨海大桥 承台海工 高性 能混凝土 的试验研 究【 J J 城市道桥与 防洪 ， 2 0 0 8 ( 1 2 ) ： 1 0 2 1 0 4 李 维 ， 王献 军 粉 煤灰 高性 能混凝 土 的试验 研究 f J 铁 道 建筑 ， 2 0 0 8( 5 )： 1 0 9 1 l 2 杨跃 ， 袁杰 ， 王晓博 粉煤灰高性能混凝土氯离子渗透性 能研究 J lI _低温建筑技术 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 1 3 1 5 刘萍华 ， 许志敏， 殷波 大掺量粉煤灰高性能混凝土试验研 究【 J I 扬州大学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 7( 1 ) ： 6 7 7 1 曾艳 大掺量粉煤 灰高性能混凝 土配制及性 能研 究I J 1 粉 煤灰 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 1 6 1 7 A ( 上接第 5 6页) 可见， 虽然对砌块进行优化后， 传力途径较为复杂， 但竖 向抗压承载力不会成为限制优化混凝土夹芯秸秆块砌块保温 性能的因素。 7 结语 ( 1 ) 利用有限元方法模拟了混凝土夹芯秸秆块砌块墙体 的三维稳态传热过程， 计算了墙体的平均传热系数， 并与试验 结果进行了比较， 两者基本一致， 相对误差小于5 6 。 ( 2 ) 通过对混凝土夹芯秸秆块砌块内部传热机理的研究 表明， 砌块肋部所形成的固体热桥对其保温性能起着主导因 素。 6 6 新型建筑材料 2 0 1 1 9 ( 3 ) 在对原砌块内部结构进行改造， 并用保温砂浆代替水 泥砂浆后， 平均传热系数减小 1 3 5 3 ， 在承载能力不削弱的 条件下可有效地提高砌块的保温性能。 参考文献 ： 【 1 刘永 ， 刘福胜 ， 范军， 等 混凝土秸秆砌块墙 的保温性 能试验 研究 f J 】 _ 新型建筑材料， 2 0 0 9( 1 2 ) ： 7 8 7 9 2 刘永 ， 刘福胜 ， 路则光 ， 等- J 、 麦秸秆砌块干燥 过程中水分挥发规 律研究 J 1 _建筑节能 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 4 9 5 0 3 范军， 刘福胜 ， 刘永 ， 等 秸秆纤维 混凝 土砌块的强度和保温性 能 试验研究f J J 建筑科学 ， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 4 5 4 7 A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m