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      燒結頁巖空心磚孔型設計綜述

      2013-05-16 17:21 來源:冶金工業論文 人參與在線咨詢

      孔型結構設計研究

      1.孔洞形狀:目前,國內生產的燒結頁巖空心磚孔洞的形狀主要有:圓形孔、正方形孔、橢圓形孔、矩形孔、菱形孔等。燒結頁巖空心磚的孔洞形狀與熱工性能緊密相關,而與制磚工藝存在矛盾。生產工藝希望孔洞形狀越簡單越好,但相同條件下,孔的形狀對導熱系數有較大的影響。孟繁華等[1]研究了不同孔型的燒結頁巖空心磚和空心砌塊的平均導熱系數,其研究結果見表1。由表1可以看出,空心磚和空心砌塊不同形狀的孔洞對其導熱系數有較為顯著的影響。圓形孔的平均導熱系數較大,方形孔的平均導熱系數次之,菱形孔平均導熱系數略低于方形孔,矩形孔的平均導熱系數較小。其原因是,在空心磚體系中,空氣的導熱系數較小,傳熱能力較差,有很好的絕熱作用。矩形孔中的空氣容易形成長路對流,而菱形、方形、圓形中的空氣傾向于形成短路對流。而長路對流的傳熱量遠低于短路對流的傳熱量。因此,在進行燒結頁巖空心磚和空心砌塊的孔型設計時,在相同孔洞面積下,應選擇加大孔洞長度,以減少溫差傳熱量,提高其保溫隔熱性能。

      2.孔洞方向:燒結頁巖空心磚主要應用非承重結構和框架結構填充。但是,在滿足建筑各方面性能的前提下,應盡量提高其抗壓強度。不合理的孔型設計將導致空心磚砌體強度偏低。當燒結頁巖空心磚的孔洞為矩形條孔時,矩形條孔排列方式不同,其抗壓強度也不一致。研究結果表明,空心磚垂直于孔洞方向受壓的強度較平行于孔洞方向的強度低60%~80%,這就是承重空心磚的孔洞大多為垂直孔,而非承重空心磚的孔洞大多為水平孔的原因。因此,在進行空心磚和砌塊孔洞方向排布時,應選擇使矩形條孔的長邊平行于受壓方向。

      3.孔洞排列及排數

      1)孔洞排列方式:燒結頁巖空心磚的孔洞排列分為有序排列和交錯排列。在孔洞率相同的條件下,孔洞錯排的空心磚導熱系數要比有序排列的空心磚導熱系數小,這是因為通過空心磚的熱流絕大部分是借助實體的孔壁來傳導的。傳導的熱量與傳導的橫截面積和傳導的流程長度有關。在橫截面積一定時,傳導的流程越長,熱阻越大,傳熱量越小。如果把空心磚中橫向有序連接孔壁交錯排列,加長了空心磚內熱傳導的路徑,就相當于增加了空心磚的厚度,也就相應提高了燒結頁巖空心磚的熱阻。從導熱熱阻公式R=δ/λ可以看出,導熱熱阻R與材料的厚度δ成正比(式中λ為導熱系數)。因此,空心磚孔洞錯排分布,相當于增大了空心磚內熱傳導的路徑,可以提高其保溫隔熱性能。

      2)孔洞排數:燒結頁巖空心磚的孔洞排數對其熱工性能有一定影響。研究表明,沿平行熱流方向把一個大孔分成幾個小孔,傳熱渠道的總寬相等,其導熱系數不變;但如果在垂直于熱流方向將孔洞重疊排列,把一個大孔分成幾個小孔,則熱阻增加,其導熱系數變小,也就是說,沿垂直熱流方向的孔洞排數越多,相應的其熱工性能也就越好。因此,燒結頁巖空心磚排數的選擇原則為:①以多個小孔代替一大孔;②在溫差方向上以短距離小孔代替長距離孔。

      4.孔洞大小:為了達到建筑節能的效果,目前燒結頁巖空心磚和砌塊的孔洞率也向不斷增大的方向發展,但并不是孔洞率越高、孔洞越大,其保溫效果越好。相關研究[5]表明,對于孔徑<5mm的空心磚,當孔壁兩側壁面的溫差Δt=10℃時,孔洞內對流熱導率的計算為:λ=0.00123λ幾乎等于零,說明空心磚孔洞的熱導率近似等于靜止空氣的熱導率。但是,當空心磚孔洞內空氣層厚度超過10mm時,空氣層內開始出現對流換熱現象,而對流換熱強度隨空氣層厚度的增加而增強。因此,空心磚內孔洞越大,空氣運動越激烈,保溫隔熱效果越差。

      5.孔壁厚度:在國家標準GB13545—2003《燒結空心磚和空心砌塊》中,沒有對燒結空心磚孔壁厚度提出具體規定。然而,空心磚的孔壁厚度對其性能有一定影響。一方面,空氣的熱導率比孔壁材料的熱導率低得多,通過空心磚的大部分熱量是借助孔壁進行傳遞的,因此,孔壁構成了空心磚的熱橋。由此可知,降低空心磚的孔壁厚度,可以在一定程度上改善其保溫隔熱性能。另一方面,在實際應用中,使用者對空心磚墻面的吊掛性能有一定的要求。如果孔壁過薄,錨栓錨固過程中有可能就會引起空心磚的開裂,即使不開裂,其有效錨固深度不足,也不能滿足吊掛重物的要求。在國家標準《膨脹聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統》、《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統》中均規定,系統基本構造中應按需要采用錨栓將保溫層與基層錨固,其有效錨固深度不小于25mm。為此,重慶設計了薄壁型和厚壁型兩種不同類型的空心磚,其壁厚分別為15~20mm和25~28mm,以滿足不同應用的需求。

      6.孔的倒角:從生產工藝的角度,燒結頁巖其中空心磚和砌塊的孔洞形狀越簡單,越容易生產,圓形孔是較容易生產的。但是由相關分析可知,圓形孔的保溫隔熱性能較差,國家現已取消了圓形孔的設計。國家標準GB13545—2003《燒結空心磚和空心砌塊》和重慶設計的空心磚和空心砌塊示意圖如圖1所示。調查研究表明,方形孔燒結頁巖空心磚在生產工藝上存在劣勢,具體表現在:①方孔磚要求顆粒細度比較嚴格,為≤1mm,因此,對相應的生產設備有較高要求。②粉碎顆粒過程耗能大,不利于環保。③方孔磚成品率低,原料消耗大。其原因是在方形孔的直角邊處容易產生應力集中,在生產、燒結、搬運、施工中易導致破損。研究表明,大部分的裂縫都是沿著結構中的薄弱環節產生的,因此,在孔形設計上,選擇將其直角邊處設計為倒圓角,可以有效降低空心磚開裂破損的風險。

      結論

      (1)空心磚的孔洞形狀為矩形條孔時,熱工性能較好;對其直角邊處進行倒圓角處理,可以減少應力集中,降低開裂風險。(2)空心磚的開孔方向和孔洞形狀影響其抗壓強度。當空心磚為矩形條孔時,應使其長邊垂直向上分布,以提高空心磚抗壓強度。(3)空心磚孔洞交錯排列,可以增大熱傳導的路徑,提高熱阻。沿熱流方向孔洞排數越多,熱工性能越好。孔洞越大,孔內空氣對流傳熱越激烈,保溫隔熱效果越差。(4)空心磚孔壁厚度增大,吊掛性能增強,但其導熱系數相應增加,保溫隔熱性能有所降低。

      本文作者:黃孝云 朱惠英 陶尚儒  盧凌寰 張小靜

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