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烧结页岩空心砖孔型设计综述

2013-05-16 17:21 来源:冶金工业论文 人参与在线咨询

孔型结构设计研究

1.孔洞形状:目前,国内生产的烧结页岩空心砖孔洞的形状主要有:圆形孔、正方形孔、椭圆形孔、矩形孔、菱形孔等。烧结页岩空心砖的孔洞形状与热工性能紧密相关,而与制砖工艺存在矛盾。生产工艺希望孔洞形状越简单越好,但相同条件下,孔的形状对导热系数有较大的影响。孟繁华等[1]研究了不同孔型的烧结页岩空心砖和空心砌块的平均导热系数,其研究结果见表1。由表1可以看出,空心砖和空心砌块不同形状的孔洞对其导热系数有较为显著的影响。圆形孔的平均导热系数最大,方形孔的平均导热系数次之,菱形孔平均导热系数略低于方形孔,矩形孔的平均导热系数最小。其原因是,在空心砖体系中,空气的导热系数最小,传热能力最差,有很好的绝热作用。矩形孔中的空气容易形成长路对流,而菱形、方形、圆形中的空气倾向于形成短路对流。而长路对流的传热量远低于短路对流的传热量。因此,在进行烧结页岩空心砖和空心砌块的孔型设计时,在相同孔洞面积下,应选择加大孔洞长度,以减少温差传热量,提高其保温隔热性能。

2.孔洞方向:烧结页岩空心砖主要应用非承重结构和框架结构填充。但是,在满足建筑各方面性能的前提下,应尽量提高其抗压强度。不合理的孔型设计将导致空心砖砌体强度偏低。当烧结页岩空心砖的孔洞为矩形条孔时,矩形条孔排列方式不同,其抗压强度也不一致。研究结果表明,空心砖垂直于孔洞方向受压的强度较平行于孔洞方向的强度低60%~80%,这就是承重空心砖的孔洞大多为垂直孔,而非承重空心砖的孔洞大多为水平孔的原因。因此,在进行空心砖和砌块孔洞方向排布时,应选择使矩形条孔的长边平行于受压方向。

3.孔洞排列及排数

1)孔洞排列方式:烧结页岩空心砖的孔洞排列分为有序排列和交错排列。在孔洞率相同的条件下,孔洞错排的空心砖导热系数要比有序排列的空心砖导热系数小,这是因为通过空心砖的热流绝大部分是借助实体的孔壁来传导的。传导的热量与传导的横截面积和传导的流程长度有关。在横截面积一定时,传导的流程越长,热阻越大,传热量越小。如果把空心砖中横向有序连接孔壁交错排列,加长了空心砖内热传导的路径,就相当于增加了空心砖的厚度,也就相应提高了烧结页岩空心砖的热阻。从导热热阻公式R=δ/λ可以看出,导热热阻R与材料的厚度δ成正比(式中λ为导热系数)。因此,空心砖孔洞错排分布,相当于增大了空心砖内热传导的路径,可以提高其保温隔热性能。

2)孔洞排数:烧结页岩空心砖的孔洞排数对其热工性能有一定影响。研究表明,沿平行热流方向把一个大孔分成几个小孔,传热渠道的总宽相等,其导热系数不变;但如果在垂直于热流方向将孔洞重叠排列,把一个大孔分成几个小孔,则热阻增加,其导热系数变小,也就是说,沿垂直热流方向的孔洞排数越多,相应的其热工性能也就越好。因此,烧结页岩空心砖排数的选择原则为:①以多个小孔代替一大孔;②在温差方向上以短距离小孔代替长距离孔。

4.孔洞大小:为了达到建筑节能的效果,目前烧结页岩空心砖和砌块的孔洞率也向不断增大的方向发展,但并不是孔洞率越高、孔洞越大,其保温效果越好。相关研究[5]表明,对于孔径<5mm的空心砖,当孔壁两侧壁面的温差Δt=10℃时,孔洞内对流热导率的计算为:λ=0.00123λ几乎等于零,说明空心砖孔洞的热导率近似等于静止空气的热导率。但是,当空心砖孔洞内空气层厚度超过10mm时,空气层内开始出现对流换热现象,而对流换热强度随空气层厚度的增加而增强。因此,空心砖内孔洞越大,空气运动越激烈,保温隔热效果越差。

5.孔壁厚度:在国家标准GB13545—2003《烧结空心砖和空心砌块》中,没有对烧结空心砖孔壁厚度提出具体规定。然而,空心砖的孔壁厚度对其性能有一定影响。一方面,空气的热导率比孔壁材料的热导率低得多,通过空心砖的大部分热量是借助孔壁进行传递的,因此,孔壁构成了空心砖的热桥。由此可知,降低空心砖的孔壁厚度,可以在一定程度上改善其保温隔热性能。另一方面,在实际应用中,使用者对空心砖墙面的吊挂性能有一定的要求。如果孔壁过薄,锚栓锚固过程中有可能就会引起空心砖的开裂,即使不开裂,其有效锚固深度不足,也不能满足吊挂重物的要求。在国家标准《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》、《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》中均规定,系统基本构造中应按需要采用锚栓将保温层与基层锚固,其有效锚固深度不小于25mm。为此,重庆设计了薄壁型和厚壁型两种不同类型的空心砖,其壁厚分别为15~20mm和25~28mm,以满足不同应用的需求。

6.孔的倒角:从生产工艺的角度,烧结页岩其中空心砖和砌块的孔洞形状越简单,越容易生产,圆形孔是最容易生产的。但是由相关分析可知,圆形孔的保温隔热性能较差,国家现已取消了圆形孔的设计。国家标准GB13545—2003《烧结空心砖和空心砌块》和重庆设计的空心砖和空心砌块示意图如图1所示。调查研究表明,方形孔烧结页岩空心砖在生产工艺上存在劣势,具体表现在:①方孔砖要求颗粒细度比较严格,为≤1mm,因此,对相应的生产设备有较高要求。②粉碎颗粒过程耗能大,不利于环保。③方孔砖成品率低,原料消耗大。其原因是在方形孔的直角边处容易产生应力集中,在生产、烧结、搬运、施工中易导致破损。研究表明,大部分的裂缝都是沿着结构中的薄弱环节产生的,因此,在孔形设计上,选择将其直角边处设计为倒圆角,可以有效降低空心砖开裂破损的风险。

结论

(1)空心砖的孔洞形状为矩形条孔时,热工性能最好;对其直角边处进行倒圆角处理,可以减少应力集中,降低开裂风险。(2)空心砖的开孔方向和孔洞形状影响其抗压强度。当空心砖为矩形条孔时,应使其长边垂直向上分布,以提高空心砖抗压强度。(3)空心砖孔洞交错排列,可以增大热传导的路径,提高热阻。沿热流方向孔洞排数越多,热工性能越好。孔洞越大,孔内空气对流传热越激烈,保温隔热效果越差。(4)空心砖孔壁厚度增大,吊挂性能增强,但其导热系数相应增加,保温隔热性能有所降低。

本文作者:黄孝云 朱惠英 陶尚儒  卢凌寰 张小静

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