范军，胡玉秋，张玉稳，张传杰，刘惠

（山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018）

0 引言

围护结构热损失占整个建筑热损失比例高达70%～80%，外墙的热损失占围护结构热损失的大部分，提高外墙的保温性能是实现建筑节能目标的关键[1]。建筑外墙的保温体系分为外保温、内保温、自保温3种。外墙外保温存在成本高、施工复杂、耐火性差，保温材料与建筑不同寿命等缺点，外墙内保温存在占用室内空间、影响美观、二次装修困难等问题，外墙自保温可实现与建筑同寿命、造价低、防火A级，安全且保温性能好等优点而得到日益重视[2]。自保温砌块主要是通过混凝土或轻质混凝土空心砌块，或者是其它轻质空心砌块，在空心处填充保温材料复合而成[3-7]。山东农业大学开展了秸秆夹芯自保温混凝土砌块的相关研究[8-9]，所研制的砌块能够达到寒冷地区节能65%的要求。随着国家建筑节能标准的进一步提高，山东省出台了DB 375026—2014《山东省居住建筑节能设计标准》，将节能标准提升到75%，这就对自保温砌块提出了更高的要求。S形断桥式自保温砌块，是在前期的砌块块型基础上提出的一种新的砌块型式[10]。混凝土砌块的肋是自保温砌块的主要的热桥，通过设计S形的混凝土砌块结构，然后将S形的混凝土结构打断，用玻璃纤维增强筋拉杆连接，达到阻断热桥，增强砌块整体保温性能，而且不降低砌块强度的目的。

1 S形断桥式自保温砌块的研制

S形断桥式自保温砌块的制作工艺，包括以下步骤：

（1）将多根玻璃纤维增强筋用塑料绑带绑扎好，放入断桥连接块模具中。

（2）往模具中填充聚氨酯或聚苯乙烯保温材料，待成型后从模具中取出，制成的断桥连接块，其两端露出一定长度的带弯折的玻璃纤维增强筋便于和混凝土连接，如图1所示。

图1 断桥连接块及其剖面

（3）将断桥连接块放入S形混凝土空心砌块模具两端的相应连接位置，将干硬性混凝土放入模具内，通过振动成形机经过振动成形S形断桥式空心砌块，如图2所示。

图2 S形断桥式空心混凝土砌块平面示意

混凝土空心砌块尺寸为390 mm×280 mm×190 mm，所用的材料水泥：P·C32.5，中联水泥有限公司；砂：细度模数3.0，汶河粗砂；碎石：5～10 mm，道朗石料厂；水：自来水。实验混凝土的配合比为：m（水泥）∶m（砂）∶m（碎石）∶m（水）=1∶2.17∶3.85∶0.60。将拆模后的空心混凝土砌块放入养护室养护，砌块养护条件为温度（20±3）℃，相对湿度90%以上，养护龄期28 d。

（4）将聚苯板或其它保温材料填入S形断桥式空心砌块的空心处，即制作成S形断桥式自保温混凝土砌块，如图3所示。

图3 S形断桥式自保温砌块

S形断桥式自保温砌块具有以下特点：

（1）由于保温材料对传热的阻碍作用，本砌块热量主要是沿S形的混凝土路径传递的，这样的设计延长了热量传递的路径，增大了传热的热阻，提高了砌块整体的保温性能。砌块的块型设计，使得砌块整体力学性能较好，满足其承重的要求。

（2）砌块S形路径的两端均设置有断桥连接块，可以更好地阻断热量传递，保温效果更好。断桥连接块设置在砌块的两端，对砌块的整体抗压强度和抗弯强度影响很小。

（3）砌块断桥连接块采用了玻璃纤维增强筋，抗拉强度高（高于同直径的钢筋），导热系数低，中间填充聚氨酯或聚苯乙烯保温材料。

2 S形断桥式自保温砌块的性能试验

2.1 S形断桥式自保温砌块强度试验

将养护龄期为28 d的试件分别取3组进行抗压、抗弯强度试验，结果平均抗压强度为5.81 MPa，平均抗弯强度为1.11 MPa。

2.2 S形断桥式自保温砌块的传热系数的计算

根据GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》的方法和式（1）计算其平均热阻：

式中：Rj——平壁中各层的热阻，（m2·K）/W，可由式（2）求得：

式中：λj——平壁中各层的导热系数，W/（m·K）；

dj——平壁中各层的厚度，m。

围护结构总热阻按式（3）计算：

根据GB50176—93，Ri=0.11（m2·K）/W，Re=0.04（m2·K）/W。

由2种以上材料组成的、两向非均质材料的平均热阻按式（4）计算：

式中：——平均热阻，（m2·K）/W；

Fo——与热流方向垂直的总传热面积，m2；

Fi——按平行于热流方向划分的各传热面积m2；

Rα——各个传热面上的总热阻，（m2·K）/W；

Ri——内表面换热阻，通常取0.11（m2·K）/W；

Re——外表面换热阻，通常取0.04（m2·K）/W；

φ——修正系数，按表4取值。

表1 材料热阻修正系数

将砌块在平行于传热方向上分为3条传热通道，计算通道图如图4所示。

图4 S形断桥式自保温砌块的计算通道

其中有关面积及各个传热通道热阻的计算见表2、表3。

表2 各平壁面积 cm2

表3 各通道的热阻 （m2·K）/W

根据文献[11]，查得所使用细石混凝土导热系数λ1=1.28 W/（m·K），聚苯乙烯泡沫塑料导热系数λ2=0.037 W/（m·K），聚氨酯硬泡的导热系数为λ3=0.022W/（m·K），φ=0.86，代入式（5）得到：

计算得到传热系数K为：

2.3 S形断桥式自保温砌块墙体的传热系数现场测试

将S形断桥式自保温砌块在HTW-1型建筑围护结构传热系数检测仪里面砌好墙，两面用10 mm厚M5级水泥砂浆抹平，周边空隙用聚苯板及泡沫材料密实填充。砌筑完成后放置1个月，待墙体充分干燥后再进行相关试验。

实验结束后，选取达到相对稳定状态时段的数据进行处理。根据实验数据得到砌块墙体的相对稳定状态时的传热系数-时间曲线，如图5所示。

图5 S形断桥式自保温砌块墙体传热系数-时间曲线

图5可以看出，逐时传热系数是随着某一平均值而上下波动，这个平均值就是我们要得到的数据。根据测试结果得到的平均传热系数为：K=0.33 W/（m2·K）。

2.4 对实验和热工计算的讨论

实测值与计算值的误差为：×100%=12.1%，相差不大，误差的主要原因是砌筑墙体时灰缝成了新的热桥部位，导致传热系数比单纯砌块要大些。

DB 375026—2014对外墙传热系数的规定见表4。

表4 外墙的传热系数限值W/（m2·K）

由表4可见，该砌块的传热系数符合DB 375026—2014对外墙传热系数的要求，具有推广价值。

3 结论

（1）S形断桥式自保温砌块具有唯一的S形混凝土热桥路径，将该S形热桥路径打断，用高强度低导热的玻璃纤维增强筋连接起来，连接处空隙填充聚苯乙烯泡沫，既能保证砌块的整体受力特性，又可大大提高该砌块的保温性能。

（2）S形断桥式自保温砌块墙体传热系数实测值为0.33 W/（m2·K）；热工计算得到的传热系数为0.29 W/（m2·K），二者相差12.1%，吻合较好。该传热系数符合DB 375026—2014（节能率75%标准），直接用该砌块砌筑墙体就能满足规范要求，具有推广应用价值。

（3）S形断桥式自保温砌块28 d龄期的抗压强度为5.81 MPa，抗弯强度为1.11 MPa，具有很好的力学性能。

[1] 马彪，秦鸿根，庞超明.一种复合自保温砌体结构设计与热工计算[J].新型建筑材料，2016（2）：12-15.

[2] 郑建三，张高展.炉渣混凝土保温复合砌块的设计与传热性能研究[J].新型建筑材料，2012（5）：63-65.

[3] 王长宝，张茂亮，陈闯，等.陶粒混凝土自保温砌块及其热工性能的研究[J].混凝土，2013（10）：145-150.

[4] Bouchair A.Steady state theoretical model of fired clay hollow bricks for enhanced external w all thermal insulation[J].Building and Environment，2008，43（10）：1603-1618.

[5] 麻建锁，蔡焕琴，白润山，等.复合轻集料混凝土自保温砌块的块型结构设计及性能研究[J].混凝土，2016（5）：122-124.

[6] 张国永，王立，刘亚辉，等.烧结复合保温砌块热工性能数值模拟研究[J].新型建筑材料，2016（11）：40-42.

[7] 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[J].建筑科学，2010，26（8）：45-47.

[8] 王宏斌，范军，刘福胜，等.夹心秸秆混凝土砌块试点建筑墙体保温性能试验研究[J].新型建筑材料，2013（1）：52-54.

[9] 吴聪，刘福胜，范军，等.工字型自保温混凝土夹心秸秆砌块墙体热工性能研究[J].混凝土，2015（6）：127-130.

[10] DB 375026—2014，山东省居住建筑节能设计标准[S].北京：中国建材工业出版社，2014.

[11] 章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学[M].4版.北京：建筑工业出版社，2001.