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玻璃轻石混凝土砌块孔型优化设计分析

添加时间:2019-03-20 10:28 来源:混凝土与水泥制品 作者:杨正俊 邹昀 高传超
  摘要:在研发一种以玻璃轻石为骨料的轻质混凝土的基础上, 研制了玻璃轻石混凝土自保温砌块。为了得到最优的自保温砌块的孔型设计方案, 设计了三种自保温砌块孔型, 利用ABAQUS有限元软件进行数值模拟, 研究块型对热工性能的影响, 得到有利用实际生产和工程应用的孔型方案。结果表明, 三种块型的导热系数减小在17.1%以上。增大孔洞率、减小孔间距可以减小热桥的横截面积, 有利于提高空心砌块的保温隔热能力。
 
  关键词:玻璃轻石混凝土; 自保温砌块; ABAQUS; 孔型优化;
 
 
  0前言
 
  相关研究表明, 砌块的热工性能不仅仅取决于混凝土, 块型的影响也较大, 尤其是孔洞的形状、大小、排列及孔洞率等[1,2,3]。因此, 空心砌块孔型的优化设计对提高砌块的保温隔热性能有重要意义。马保国等[4]设计了三种孔型结构的空心砌块并进行了优化, 结果表明, 减小孔间距、增大多孔砌块厚度和采用复合墙体的方法, 可以明显减小传热系数, 提高砌块墙体的保温隔热效果;麻建锁等[5]通过分析自保温砌块的块型、孔型和肋型, 设计了交叉肋多孔自保温砌块, 并对其进行了优化研究;刘建龙等[6]通过对不同块型烧结页岩多孔砌块的数值模拟, 系统地分析了孔洞率、孔洞数及孔排数等因素对砌块热工性能的影响。
 
  本文所研究的玻璃轻石混凝土自保温砌块是一种新型的节能砌块, 其规格为240 mm×190 mm×90 mm。在保证力学性能要求和便于实际生产成型的前提下, 对孔型进行设计, 并运用ABAQUS软件对不同孔型的空心砌块进行数值模拟, 分析砌块的热工性能, 可为这种砌块的生产和应用提供参考。
 
  1 砌块孔型设计方案
 
  1.1 砌块孔型优化的理论分析
 
  空心砌块孔洞的形状大部分是圆形、菱形、正方形和矩形, 在孔洞率相同情况下, 热阻由大到小的顺序为矩形孔、菱形孔、正方形孔、圆形孔[7]。在矩形孔中空气比较利于产生长路对流, 从而增长传热路径, 增大空心砌块的热阻;而对于菱形孔、正方形孔、圆形孔而言, 空气较容易产生短路对流, 导致空心砌块的传热路径变短, 从而减小空心砌块的热阻。
 
  在自保温空心砌块中, 穿过空心砌块的热流量绝大多数是来自于孔壁的热传递, 且热传递的大小与传递的横截面积和传递长度有关, 当横截面积不变时, 传递长度越长, 砌块的热阻就越高。
 
  1.2 砌块孔型设计方案
 
  采取以下原则设计自保温砌块的孔型结构:
 
  (1) 孔洞形状宜为矩形或T形, 空心砌块的主要传热方向以垂直于孔洞长边为佳。
 
  (2) 增加孔洞数, 提高孔洞率。
 
  (3) 孔洞应交错排列。
 
  (4) 减少孔肋及边肋的宽度。
 
  共设计了三种孔型方案, 砌块的截面图如图1所示。方案A的孔洞率为37.34%;方案B的孔洞率为36.08%;方案C的孔洞率为38.82%。
 
  图1 孔型设计方案 (单位:cm)

 
  2 参数设定
 
  (1) 材料和空气间层导热系数
 
  砌块基材部分选用课题组研发的玻璃轻石混凝土, 导热系数为0.417 W/ (m·K) 。空气层导热系数按照GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》取值, 具体见表1。
 
  表1 不同空气间层厚度的空气当量导热系数

 
  (2) 边界条件
 
  选用第三类边界条件作为边界条件, 给定室内、外温度和相应温度下室内、外表面与空气间的换热系数。按照GB 50176—93中规定的参数范围进行选择, 所取数值见表2。
 
  表2 模拟参数取值

 
  3 模拟结果分析
 
  模拟得到的温度、热流密度云图见图2~图4。
 
  从图2~图4可以看出, 砌块的温度分布处出现了不规则变化, 这种情况的出现主要有两个主要原因:一是由于孔洞内壁面间的辐射传热和孔洞内空气的对流传热等复杂的传热过程导致该部位的温度呈现非线性分布的现象;二是由于传热过程中在孔间肋处产生了导热短路路径。温度分布有明显变化的地方正是孔间肋分布的地方, 这表明在空心砌块的孔间肋处确有形成使导热短路的热桥, 而其他位置的温度分布则沿主要传热方向均匀变化。
 
  均匀分布的孔洞在空间肋处更容易形成热桥, 如图2 (b) 所示, 方案A垂直长边方向的热流密度云图中, 排列均匀的矩形孔洞之间几乎都形成了热桥。同时可以发现, 热桥多出现在矩形孔洞的短边附近, 肋间混凝土上的热流密度远大于空气间层的热流密度, 这是因材料导热系数不同, 不同材料上的热流密度在此处产生明显差异。
 
  图2 方案A温度及热流密度分布图

 
  图3 方案B温度及热流密度分布图

 
  根据规范规定, 要满足建筑节能65%的需要, 需使外围护结构中外墙的传热系数K≤1.5 W/ (m2·K) 。传热系数K如公式 (1) 所示。
 
  图4 方案C温度及热流密度分布图

 
  砌筑所用砂浆及两侧抹灰砂浆取R砂浆+R抹灰=0.022 m2·K/W;内表面换热阻Ri取0.11 m2·K/W;外表面换热阻Re取0.04 m2·K/W, 因此, 要满足建筑节能65%的需要, 玻璃轻石混凝土自保温砌块的自身热阻R多孔砖应大于0.6 m2·K/W。
 
  各方案的模拟结果如表3所示, 计算得到玻璃轻石混凝土空心砌块的导热系数如表4所示。
 
  由表4可以得到, 方案A、方案B、方案C三种块型的导热系数减小在17.1%以上。砌块垂直长边方向热工优化程度排序如下:方案A>方案B>方案C;垂直短边方向热工优化程度排序如下:方案C>方案A>方案B。从云图中可以看出, 在孔壁处很容易产生热桥, 减小孔壁的厚度, 尽可能多地减小热桥的横截面积, 降低孔壁的热流量, 有利于提高空心砌块的保温隔热能力。从孔型的设计及传热路径来看, 方案C沿垂直于长边方向的传热路径较短, 从而导致了其优化程度偏小的情况, 而方案A沿垂直于长边方向的传热路径较长, 在矩形孔中空气比较利于产生长路对流, 且方案A中沿垂直于长边方向上的孔壁交错组合较多, 间接增加了空心砌块的厚度, 从而增大了空心砌块在该方向上的热阻。由此可见, 通过孔型设计及优化对改善砌块的热工性能具有可行性。
 
  表3 各方案模拟结果

 
  表4 不同方案空心砌块导热系数

 
  4 结语
 
  (1) 根据相关研究分析孔型结构及其分布对自保温小型空心砌块热工性能的影响规律总结出砌块孔型设计的原则, 在该原则指导下设计了三种块型方案, 并利用软件进行了数值模拟, 同时兼顾空心砌块的结构强度来确定较优的方案, 最终选取方案A。
 
  (2) 砌块各项热工性能指标均得到了优化。增大孔洞率、减小孔间距有利于减小热桥的横截面积, 提高玻璃轻石自保温砌块的热工性能。
 
  参考文献
 
  [1] 张睿骁, 苏有文.稻草纤维粉末混凝土空心砌块热工性能试验研究[J].混凝土与水泥制品, 2017 (9) :48-50.
  [2] 李文胜, 江昔平.N型混凝土自保温空心砌块的热工性能研究[J].混凝土与水泥制品, 2014 (2) :64-67.
  [3] 李萍, 孙道胜, 丁益, 等.自保温砌块的热工测试与模拟[J].混凝土与水泥制品, 2015 (8) :63-66.
  [4] 马保国, 黄祥, 穆松, 等.基于ANSYS的烧结多孔砖热模拟研究[J].砖瓦, 2009 (12) :14-16.
  [5] 麻建锁, 蔡焕琴, 白润山, 等.交叉肋自保温砖的优化设计及性能研究[J].建筑技术, 2016, 47 (11) :974-977.
  [6] 刘建龙, 谢洁南, 刘鹏, 等.烧结页岩多孔砖孔型优化设计与数值模拟研究[J].建筑热能通风空调, 2016, 35 (1) :49-52.
  [7] 王智, 钱觉时, 王沁芳, 等.节能型混凝土多孔砖孔型设计与热工分析[J].新型建筑材料, 2008 (2) :43-46.
 
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