烧结页岩空心砖自保温系统研究与应用

摘要

墙体自保温技术是国内学者近年来提出的一个新技术方向，随着外墙保温系统应用中存在问题的暴露，特别防火问题的出现，逐渐得到关注。墙体自保温系统耐候性、耐久性好，与建筑物同寿命，防火、抗冲击性能佳，系统安全、可靠，施工便捷，综合经济性较好。在当前国家全面推进建筑节能的背景下，开展墙体自保温系统研究对支撑建筑节能工作开展具有重要的现实意义。
　　 目前热桥占墙体比例和墙体组成材料与墙体热工性能的关系缺乏基础性研究。本文分析了热桥比例对墙体平均传热系数的影响，热桥比大于0.172时，热桥必须进行保温处理后墙体平均传热系数才能≤1.5 W/(m2·K)，而经调研分析重庆地区当前框架结构和框剪结构建筑热桥占墙体最小比例为0.257，所以墙体自保温系统应以砌体部分为研究对象。配砖和砌筑砂浆等墙体组成材料对砌体热工性能有显著影响。当空心砖当量导热系数为0.25 W/(m·K)时，与实心配砖和普通砌筑砂浆组成砌体的传热系数K≤1.2W/(m2·K)，而与多孔配砖和保温砌筑砂浆组成的砌体传热系数K≤1.0W/(m2·K)。因此，节能型烧结页岩空心砖的当量导热系数应低于0.25 W/(m·K)。
　　 目前烧结空心砖的孔洞结构不合理，且烧结砖几乎没有应用气孔形成剂，其热工性能亟需进一步提高。本文采用数值模拟软件FLUENT计算不同孔洞结构时烧结页岩空心砖的当量导热系数，揭示孔型、矩形孔长宽比、孔排列数、孔洞率、孔排列方式等对烧结空心砖热工性能的影响。结果表明，长边垂直于热流方向的矩形孔有利于提高烧结空心砖的热工性能，其长宽比在3:1～6:1之间为宜；孔洞率相同时，空心砖孔排数增多，空心砖的当量导热系数减小，空气间层宽度减小到10mm左右时，间层内空气的热导率几乎与静止空气的热导率相同，因而烧结空心砖的孔宽宜在10mm左右；孔列数增加，孔肋变薄，每增加一列孔，空心砖的当量导热系数减小5％左右；空心砖的孔洞率与导热系数成反比，在满足烧结空心砖成型性能和强度时，应尽可能增大其孔洞率；交错排列可使孔肋延长线系数变大，有利于提高空心砖的热工性能。
　　 在分析锯末、造纸污泥和煤矸石的热解特性以及对混合料塑性指数影响基础上，研究了气孔形成剂掺量对烧结页岩砖性能的影响。结果表明，锯末、造纸污泥掺量增加，烧结页岩砖体积密度和抗压强度逐渐下降，孔隙率和吸水率逐渐增大，锯末和造纸污泥适宜掺量分别为6％和7％；煤矸石成孔能力较弱，可作为烧结页岩砖的内燃料，减少燃煤用量。相同密度等级的烧结页岩空心砖抗压强度高于微孔砖，但微孔砖显气孔率较高、导热系数较低。对于优化设计出的9排孔烧结空心砖，在设置阻断砌筑砂浆灰缝热桥凹槽的基础上，通过在原料中掺入气孔形成剂和优化生产工艺，可得到节能型烧结页岩空心砖，其当量导热系数小于0.25W/(m·K)，满足墙体自保温体系的要求。
　　 在孔洞结构优化的基础上，采用泡沫混凝土填充烧结页岩空心砖制备复合型烧结页岩空心砖以进一步提高其热工性能。填充用泡沫混凝土干表观密度为224kg/m3，导热系数为0.063W/(m·K)，吸水率为11.02％。发明的灌注设备结构简单、耗能低、高效，从根本上解决了复合空心砖浆料灌注问题，并已申请国家发明专利。根据复合空心砖各组成材料的厚度及导热系数，确定了泡沫混凝土最佳灌注厚度及位置并对砖结构进行了优化，制备出了干表观密度867 kg/m3、当量导热系数0.24W/(m·K)、吸水率18％、抗压强度5.35 MPa复合空心砖，并已获得国家实用新型专利。
　　 理论计算和实验测试了砌筑砂浆和配砖对烧结页岩空心砖自保温系统热工性能的影响，并在实际工程中利用热流计法实测了烧结页岩空心砖自保温墙体的传热系数和利用红外热像仪分析墙体内表面温度分布。保温砌筑砂浆砌体的传热系数比水泥砌筑砂浆砌体的传热系数降低13％；多孔配砖墙体内表面温度比实心配砖高0.5℃左右，保温砌筑砂浆砌筑的墙体的温度比普通水泥砂浆砌筑的墙体的温度高0.4℃左右。利用防护热箱法测试结果表明，玻化微珠砌筑砂浆砌筑的烧结页岩空心砖自保温墙体传热系数比水泥砌筑砂浆砌筑时降低了20％，选择12孔配砖的烧结页岩空心砖自保温墙体传热系数比实心配砖降低8％左右，因而烧结页岩空心砖自保温系统应选用砌筑型玻化微珠砂浆和多孔配砖。利用建筑节能分析软件分析了不同类型烧结空心砖砌体、不同类型砌筑砂浆、配砖对自保温墙体热工性能和建筑能耗的影响，结果表明保温砌筑砂浆和多孔配砖与节能型烧结页岩空心砖组成的自保温墙体的当量导热系数为0.32W/(m·K)、保温砌筑砂浆和多孔配砖与和复合烧结页岩空心砖组成的自保温墙体的当量导热系数为0.31W/(m·K)，满足夏热冬冷地区建筑节能65％的设计标准要求。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 发展墙体自保温技术的意义

1.2 墙体自保温技术研究进展

1.2.1 墙体自保温系统性研究现状

1.2.2 自保温墙体材料研究现状

1.2.3 配套材料研究现状

1.3 烧结页岩空心砖墙体自保温系统研究意义与不足

1.3.1 烧结页岩空心砖墙体自保温系统研究的意义

1.3.2 烧结页岩空心砖墙体自保温系统研究存在的不足

1.4 本课题的提出

1.5 本课题的主要工作

1.5.1 墙体自保温系统热工性能影响因素研究

1.5.2 节能型烧结页岩空心砖研究

1.5.3 复合型烧结页岩空心砖研究

1.5.4 烧结页岩空心砖自保温系统及工程应用研究

2 自保温系统热工性能影响因素研究

2.1 墙体热工性能影响因数研究

2.1.1 热桥比调研分析

2.1.2 热桥比对墙体热工性能影响

2.1.3 配砖对砌体热工性能的影响

2.1.4 砌筑砂浆对砌体热工性能的影响

2.2 自保温系统组成材料与传热系数的关系

2.2.1 计算模型

2.2.2 计算参数

2.2.3 计算公式

2.2.4 自保温系统用页岩空心砖当量导热系数目标值分析

2.3 小结

3 节能型烧结页岩空心砖的研制

3.1 原材料与研究方法

3.1.1 原材料

3.1.2 实验仪器与设备

3.1.3 实验测试方法

3.1.4 烧结空心砖孔型研究方法

3.2 孔洞结构对烧结空心砖热工性能的影响

3.2.1 孔洞形状对空心砖热工性能的影响

3.2.2 矩形孔长宽比对空心砖热工性能的影响

3.2.3 孔洞排数和列数对空心砖热工性能的影响

3.2.4 孔洞率对空心砖热工性能的影响

3.2.5 孔洞排列对空心砖热工性能的影响

3.3 气孔形成剂对烧结页岩制品性能的影响

3.3.1 锯末对烧结页岩制品性能的影响

3.3.2 造纸污泥掺量对烧结页岩制品性能的影响

3.3.3 煤矸石掺量对烧结页岩制品性能的影响

3.3.4 微孔砖的烧成机理

3.3.5 烧结微孔砖与多孔砖性能对比

3.4 节能型烧结页岩空心砖的优化与性能

3.4.1 节能型烧结页岩空心砖的优化

3.4.2 节能型烧结页岩空心砖的性能

3.5 节能型烧结页岩空心砖生产工艺的研究

3.5.1 原材料与配合比

3.5.2 工艺流程

3.6 小结

4 复合型烧结页岩空心砖的研究

4.1 填充用泡沫混凝土的制备及性能

4.1.1 制备方式的选择

4.1.2 密度等级的确定

4.1.3 配合比

4.1.4 性能

4.2 砖形设计

4.2.1 灌注孔宽及位置的确定

4.2.2 孔型优化

4.3 泡沫混凝土灌注设备及工艺研究

4.3.1 灌注工艺原理

4.3.2 灌注工艺主要参数

4.3.3 灌注容器及均分次数的确定

4.3.4 灌注流程

4.3.5 灌注设备

4.4 复合空心砖性能及模拟优化

4.4.1 复合空心砖性能

4.4.2 复合空心砖模拟优化

4.5 复合空心砖制备及成本分析

4.5.1 复合空心砖制备

4.5.2 复合空心砖成本分析

4.6 小结

5 烧结页岩空心砖自保温系统及工程应用

5.1 自保温系统组成材料的选择

5.1.1 配套砌筑砂浆的选择

5.1.2 配套配砖的选择

5.2 烧结页岩空心砖自保温系统热工性能

5.2.1 砌筑砂浆对建筑能耗的影响

5.2.2 配砖对建筑能耗的影响

5.2.3 自保温系统对建筑能耗的影响

5.3 烧结页岩空心砖自保温系统工程应用及测试

5.3.1 测试对象

5.3.2 测试内容和方法

5.3.3 测试结果及分析

5.4 小结

6 结论及展望

致谢

参考文献

附 录

A.作者在攻读博士学位期间发表的论文

B.作者在攻读博士学位期间出版的专著

C.作者在攻读博士学位期间获得的专利

D.作者在攻读博士学位期间获得的奖项

E.作者在攻读博士学位期间参与的重大科研项目