吳德義,汪曉東,口永剛

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑健康監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)防國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥,230601;2.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥,230601;3.中鐵四局集團(tuán)建筑工程有限公司,安徽 合肥,230000)

研究建筑外墻保溫材料,對(duì)我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展起到了較重要作用[1-2]。隨著中國(guó)節(jié)能建設(shè)飛速發(fā)展,可持續(xù)發(fā)展理念不斷深入人心[3],人民生活舒適度不斷提高,節(jié)能建筑愈發(fā)重視,維持室內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定,復(fù)合保溫模板在工程中得到廣泛運(yùn)用[4]。但是,外墻免拆復(fù)合保溫模板長(zhǎng)期使用過(guò)程中由于冬季低溫、夏季高溫、淋雨、暴曬的交替變換作用,外墻免拆復(fù)合保溫模板的結(jié)構(gòu)逐漸變化,保溫效果逐漸減弱[5]。所以,這類保溫模板是否能夠長(zhǎng)期保持保溫性能就變得尤為重要[6]。分析EPS復(fù)合保溫模板長(zhǎng)期使用過(guò)程中的傳熱過(guò)程建筑環(huán)境室內(nèi)溫度,保證外墻免拆復(fù)合板長(zhǎng)期使用的保溫效果,具有工程應(yīng)用價(jià)值[7],并且建筑節(jié)能保溫工程將是未來(lái)發(fā)展的重中之重[8-10]。

1 模板長(zhǎng)期使用過(guò)程中的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定

選擇的試件分為兩組,每組3塊標(biāo)準(zhǔn)板,分別進(jìn)行材料導(dǎo)熱系數(shù)的耐凍融試驗(yàn)和耐候試驗(yàn)。第一組為耐凍融試驗(yàn),在凍融試驗(yàn)中,首先,模板放入水中8 h,然后,在具有冷凍功能的試驗(yàn)機(jī)當(dāng)中冷凍16 h,這個(gè)過(guò)程為1個(gè)周期,3次循環(huán)過(guò)后,觀察模板的情況。第二組為耐候性試驗(yàn),模板耐候性大致分為3個(gè)過(guò)程:熱雨循環(huán)、調(diào)整狀態(tài)和熱冷循環(huán)(先升高溫度再降低溫度,升高溫度在50 ℃左右,維持8 h;然后降低溫度到-20 ℃左右,維持住14 h,用時(shí)22 h)。

凍融試驗(yàn)和耐候試驗(yàn)?zāi)０褰Y(jié)構(gòu)變化見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 凍融試驗(yàn)?zāi)０褰Y(jié)構(gòu)變化Fig.1 Structural changes in freeze-thaw test template

圖2 耐候試驗(yàn)?zāi)０褰Y(jié)構(gòu)變化Fig.2 Structural changes in weathering test template

試驗(yàn)使用雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀去測(cè)定試件。

根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)φ=-λA*(dt/dx)計(jì)算,其中,φ為熱流量;λ為導(dǎo)熱系數(shù);A為傳熱面積;dt表示微元厚度兩面的溫差;dx表示微元厚度。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,導(dǎo)出數(shù)據(jù),生成Excel數(shù)據(jù)表格,其中,標(biāo)準(zhǔn)板A、B、C經(jīng)過(guò)耐凍融試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表1、表2、表3。

表2 標(biāo)準(zhǔn)板B試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表3 標(biāo)準(zhǔn)板C試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

其中,試驗(yàn)板D、E、F耐候性實(shí)驗(yàn)后導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、表5、表6。

表4 試驗(yàn)板D試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表5 試驗(yàn)板E試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表6 試驗(yàn)板F試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由此可見(jiàn),模板在經(jīng)過(guò)2次試驗(yàn)之后,標(biāo)準(zhǔn)版的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)有所增加。

2 EPS保溫材料傳熱數(shù)值模擬

2.1 CL外墻免拆復(fù)合保溫模板的構(gòu)造

本文以EPS聚苯板作為保溫層為例,其中,模板材料包括耐堿網(wǎng)格布、EPS聚苯板、抗裂砂漿、水泥聚苯板顆粒砂漿。模板構(gòu)造大致分為4個(gè)部分:復(fù)合保溫模板兩側(cè)最外部有耐堿網(wǎng)格布抗裂砂漿,此抗裂砂漿厚5 mm。在復(fù)合保溫模板的外側(cè)包裹著水泥聚苯板顆粒砂漿,其位置在EPS聚苯板和網(wǎng)格布之間。與邊緣連接件連接的是鋼筋網(wǎng)片,鋼筋網(wǎng)片孔徑20 cm×20 cm,直徑為4 mm,鋼筋網(wǎng)片布置在抗裂砂漿中。通過(guò)預(yù)制,將所有材料合在一起,這樣的復(fù)合板既保溫又有承載能力。EPS外墻免拆保溫板構(gòu)造形式見(jiàn)圖3。

圖3 EPS外墻免拆保溫板構(gòu)造示意圖Fig.3 Schematic diagram of the construction of EPS exterior wall no-dismantling insulation board

2.2 EPS復(fù)合保溫模板條件模擬

本文以安徽省合肥市夏季最熱的7月露天日為研究對(duì)象,在冬季調(diào)查了1月最冷露天日24 h氣溫變化規(guī)律,見(jiàn)圖4和圖5。夏季,14:00,溫度達(dá)到最高值39 ℃,在02:00,溫度最低23 ℃。冬季從02:00到16:00,溫度達(dá)到最低時(shí)在-9 ℃,溫度峰值時(shí)刻在14:00,溫度為2 ℃。

圖4 夏季24 h溫度變化曲線圖Fig.4 Temperature change plot for 24 h in summer

圖5 冬季24 h溫度變化曲線圖Fig.5 Temperature change curve in winter 24 h

2.3 EPS復(fù)合模板系統(tǒng)模型構(gòu)建

EPS模塑聚苯板擁有比較不錯(cuò)的隔熱效果和可塑性,在此基礎(chǔ)上,復(fù)合板保溫材料的核心是EPS聚苯板,圖6所示為基本傳熱分析模型路徑。這個(gè)模型所用的材料和厚度依次為5 mm飾面層、5 mm抗裂砂漿、15 mm防水砂漿、5 mm抗裂砂漿、30 mm水泥聚苯板顆粒砂漿、30 mm EPS聚苯板、5 mm抗裂砂漿、200 mm混凝土墻體,模型長(zhǎng)a=700 mm,寬度b=400 mm。

圖6 EPS板模型構(gòu)建圖Fig.6 EPS board model building diagram

EPS復(fù)合板模型各層材料的熱物理參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 模型各層材料熱物理參數(shù)表

2.4 模型熱環(huán)境創(chuàng)建

在材料屬性賦予中,保溫層材料屬性分別設(shè)置密度為20.1 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為0.038 W/(m·K),熱變形系數(shù)設(shè)置為7.0×10-6/K,比熱設(shè)置為1 500 J/(kg·K),彈性模量設(shè)置為0.006 GPa,其余材料層的屬性設(shè)置不變。

在分析步中,時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)選擇24 h,最大增量步數(shù)設(shè)置為100步,初始增量步大小為0.5步,最小增量步為0.000 24步,最大增量步為1步,每荷載步允許最大的輻射變化量為0.1。

在相互作用中,定義裝飾層外表面的膜層換熱系數(shù)為19 W/(m·K),室內(nèi)墻體外表面膜層換熱系數(shù)為8.7 W/(m·K),室內(nèi)環(huán)境溫度為20 ℃。在邊界條件設(shè)定中,分別設(shè)置幅值A(chǔ)mp-1和Amp-2。

在網(wǎng)格劃分中,網(wǎng)格種子選用0.1,最大偏離因子選用0.1,按占全局尺寸比例選用0.1。

在Job模塊中創(chuàng)建作業(yè)并提交分析。

3 EPS復(fù)合板傳熱分析結(jié)果

如圖7所示,左邊為夏季室外溫度達(dá)到峰值模型溫度變化云圖和冬季室外溫度到達(dá)最低值時(shí)模型溫度變化云圖。夏季室外溫度峰值t=39 ℃的時(shí)候,室內(nèi)溫度僅只有25.3 ℃左右;冬季室外溫度到最低峰值t=-9 ℃的時(shí)候,室內(nèi)溫度卻可到16.7 ℃左右。說(shuō)明EPS模塑聚苯板起到了很好保溫作用。

圖7 溫度變化云圖Fig.7 Temperature change cloud

使用ABAQUS有限元軟件導(dǎo)出在不同時(shí)間內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度,節(jié)點(diǎn)選自混凝土墻體內(nèi)表面、EPS模塑聚苯板外表面和EPS模塑聚苯板內(nèi)表面、裝飾層外表面。各節(jié)點(diǎn)上溫度隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖8。不論外界溫度如何變化,在使用EPS模塑聚苯板的室內(nèi)溫度幾乎沒(méi)有變化,說(shuō)明EPS模塑聚苯板起到了很好保溫作用。但是夏季室內(nèi)溫度有非常大的變化,在夏季08:00前,與室外溫度大致相同;在08:00過(guò)后,室內(nèi)的溫度的有所上升,峰值卻只有26 ℃左右,說(shuō)明起到了隔熱作用的是EPS模塑聚苯板。

圖8 溫度變化曲線圖Fig.8 Temperature change cloud

以中午12:00的溫度為準(zhǔn),做出夏冬兩季溫度隨墻體厚度的變化曲線,溫度變化路徑依次從飾面層→抗裂砂漿層→防水砂漿層→水泥聚苯板顆粒砂漿層→EPS板外表面層→EPS板內(nèi)表面層→混凝土墻體內(nèi)外表面層。如圖9所示,可以清楚地看到溫度明顯突變位置發(fā)生在沿著墻體厚度6～9 cm區(qū)間內(nèi),而在這區(qū)間內(nèi)剛好是EPS模塑聚苯板,說(shuō)明起到了保溫隔熱作用的是EPS模塑聚苯板。

圖9 溫度變化路徑曲線圖Fig.9 Temperature change path plot

4 結(jié)論

1)在經(jīng)過(guò)凍融和耐候性兩次試驗(yàn)之后,標(biāo)準(zhǔn)版的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)有所增加。

2)建立了復(fù)合保溫模板傳熱分析模型,得到了一天之內(nèi)24 h中模型4個(gè)不同結(jié)構(gòu)表面溫度變化曲線圖以及沿傳熱路線方向溫度變化曲線圖。起保溫隔熱作用的是EPS復(fù)合板。

3)不管外界溫度如何變化,在冬季,室內(nèi)溫度幾乎保持不變,幾乎維持在16.7 ℃;夏季室內(nèi)溫度有比較明顯的變化,大致以08:00作為一個(gè)分水嶺,在夏季08:00以前,室外溫度變化不大,室內(nèi)溫度也沒(méi)有發(fā)生明顯變化,所以EPS聚苯板內(nèi)側(cè)和室內(nèi)的溫度也基本不變。在夏季08:00過(guò)后,當(dāng)室外溫度逐漸升高,室內(nèi)溫度和EPS塑模板內(nèi)表面的溫度有所升高,但是升高幅度和趨勢(shì)偏于平緩,而且室內(nèi)溫度的峰值只有26 ℃左右。由此分析得出,EPS復(fù)合保溫模板起到了效果良好的隔熱作用。