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加气混凝土自节能墙体温度应力数值模拟

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全国中文核心期刊 新鲤建巍 中国科技核心期刊 加气混凝土自节能墙体温度应力 数值模拟 柏国辉 (四川大学锦城学院,四川成都611731) 摘要:加气混凝土能满足建筑节能65%的要求,因轻质、保温、优异的抗震性能同时兼具一定强度,被广泛的用作建筑结构填充 墙。在使用普通水泥砂浆砌筑和抹面时,容易出现墙体热桥、表面砂浆开裂、脱落等问题。针对加气混凝土墙体在使用过程中出现的 温度应力以及温度变形,运用ANSYS软件进行模拟分析。结果表明,外抹保温砂浆后,墙体基体在冬季、夏季的温度变化分别降低 1.668℃和5.315 oC,嵌固墙板界面处温度应力降低49%,自由墙板界面处温度应力降低30%,墙体变形也更小。 关键词:加气混凝土;自节能墙体;温度应力;墙体变形 中图分类号:TU52 文献标识码:A 文章编号:1001—702X(2017)o4—0030—04 Numerical modeling on temperature stress of aerated concrete energy-saving wall BAI Guohui ’  ̄incheng College,Sichuan University,Chengdu 61 1731,China) Abstract:Aerated concrete can meet 65%of building energy efficiency.It is widely used as an infilled wall of building structure because of its light weight,good insulation,excellent seismic performance and certain strength.In the use of ordinary ce— ment mortar masonry and wiping the surface,prone to wall thermal bridge,surface mortar cracking,shedding and other issues.In this paper,the temperature stress and temperature deformation of the aerated concrete wall during the application have been ana— lyzed by ANSYS software.The results show that the temperature of the wall substrate is reduced by 1.668℃and 5.315℃in win- ter and summer respectively,and the temperature stress is reduced by 49%and 30%at the interface of the build—in wall and free wal1.Wall deformation is alSO smallet. Key words:aerated concrete,energy—saving wall,temperature stress,wall deformation O引言 但能耗却高达 40%t2-3J。同时,我国在建筑节能方面与发达国 家还有一定差距,在冬季采暖时期,建筑单位面积的能源消耗 随着经济的快速发展,能源问题已引起各国的重视,能源 为发达国家的3倍以上。在即将到来的建筑业快速发展的大 短缺已经成为地区社会经济发展的主要原因之一,要实 潮种,推进我国北方严寒地区的建筑外墙围护结构的保温隔 现经济的可持续发展,节约资源、降低能源消耗是必要的手段, 热性能改革,迫在眉睫。 建筑行业是目前公认的能源消耗三大来源之一,推进建筑节 加气混凝土材料具有轻质、隔声、保温、抗震等良好的优 能,缓解目前的能源危机,实现可持续发展具有重大意义『1]。 点,目前得到大范围的应用嘲。在砌筑蒸压加气混凝土砌块墙 我国在建筑方面的能源消耗约占社会全部能源消耗的 体时,一般的情况下会采用普通水泥砂浆或混合砂浆,由于普 1/3左右,尤其是北方地区,虽然其居住面积仅为全国10%, 通砂浆的干密度、导热系数、收缩变形等物理性能均同蒸压加 气混凝土砌块有较大差别,结构在实际使用过程中将会经历 基金项目:四川省教育厅重点研究项目(15SB0482) 受力以及干湿循环,使得砌块受到约束,会产生与砂浆的不协 收稿日期:2016—11-15 调变形,干缩裂缝或受力变形裂缝随之产生,也将导致结构发 作者简介:柏国辉,女,1976年生,四川南充人,硕士,讲师,研究方 生总体性破坏,不利于结构的抗震性能。因此,研究加气混凝 向:建筑技术及土木工程。地址:成都市高新西区西源大道1号建管 土自节能墙体的相关力学性能,是保证墙体节能性质达到要 系,E—mail:baohello@163.corn。 求的情况下,也要使得墙体在受力条件下的力学性能满足实 ・3O・ 新型建筑材料 2017.4 柏国辉:加气混凝土自节能墙体温度应力数值模拟 际需求。通过研究加气混凝土自节能墙体的力学性能,可以在 季节时墙体温度场分布以及温度应力和变形,墙体物理模型 做建筑设计或者建筑材料选择时,为之提供可参考的数据,以 工提供可靠的理论基础。 选定2种情况进行比较:一种为240 mm厚的加气混凝土基体 体外抹20 mm普通水泥砂浆。图l为外抹不同砂浆的墙体在 使建筑设计紧密结合实际工程,为建筑节能墙体的设计和施 外抹20 mm厚的保温砂浆;另一种为240 mm厚加气混凝土基 冬季、夏季时墙体温度场分布的计算结果。 l试验 1.1研究方法 本文利用ANSYS有限元分析软件 t,对加气混凝上自节 能墙体在冬季、夏季不同环境条件下进行实体建模,对白节能 系统温度分布、应力分布及温度变形进行分析。 1.2计算模型 本文对墙体建立合适的数学、物理模型,数学模型采用通 用的微分方程,物理模型根据实际应用过程中埔体尺寸确定l6I。 假设墒体为均匀连续、多种材料组合结构,忽略层问热阻,根 据能量守恒定律以及傅立叶定律,综合考虑温度梯度和热流 向量,建立空间点任意时刻的温度丁的函数 : p。 (a)普通妙浆、冬季 (b)静通砂浆、复季 OT=砉(A )+ 0v(a O T)+ 0(A O T) Q (c)保温砂浆、冬季 ∞ m一0 O (d)保温砂浆、夏季 m 如 式中:A——导热系数,W/(m・K): c——材料的比热容,J/(kg・K); 图1 2种墙体温度分布模拟结果 p——材料的密度,kg/m ; p ——单位时间单位体积所散热晕,W/m 。 从 l可看出,无论在冬季还时在夏季,加气混凝土墙体 基体外抹20 mm保温砂浆时,墙体的隔热保温能力都有加强。 沿墙体厚度方向上的温度变化曲线如图2所示 =0时 针对不同的传热过程,附加各自的条件,算出特解,得到 所需要的传热结果。墙体基体的尺寸为3000 mmx2000 millX 为窀内墙体表面)。 240 mm,抹面砂浆厚度为20 mm。 1.3材料参数 根据GB 50176--2002《民用建筑热1二设计规范》,选取室 内对流换热系数I ih =8.7 W/(m2 ̄K),室外对流换热系数 = 23.3 w/(m:・K)。分析计算过程中的材料参数见表l。 表1材料的性能参数 材料/【导热系W/(m" ,)sO0 热 予删/惟M模量Pa --o z000 E 。 6 抹 囊温 。.06 sO0 1.2xlO-s- ts 000。.zs 普嚣囊泥 o.93 一s。。 1.2x10-s s。。。。2s 2加气混凝土自节能墙体温度场模拟 为探索保温抹面砂浆对加气混凝土墙体保温所起到的改 善程度,同时探索抹面保温砂浆在实际应用中所需要具有的 性能l9I。墙体温度场分析设定在2种温度条件F,以模拟 同 图2 2种墙体的温度分布曲线 N EW BU J LDlNG MATERlA LS ・3l・ 柏国辉:加气混凝土自节能墙体温度应力数值模拟 从图2可以看出,往冬季室外温度一20℃的情况下,外 抹普通砂浆的墙体内外表面温度分别为15.399 ̄C ̄ii一19.029 ℃,外抹保温砂浆后墙体1人j外表 温度分别为15.806℃和 一19.181℃;夏季室外温度为3O℃时,外抹普通砂浆的墙体内 外表面温度分别为18.832℃和29.693℃,外抹保温砂浆的加 气混凝上墙体内外表衄温度则为18.693 qC和29.741℃。 加气混凝土墙体基体内部温度变化定义为L=240 iflm处 的温度与L=O mm处的温度差。从图2可以看出,冬季和夏季 一 j (c)保温砂浆、冬季 (d)保温砂浆、夏季 时,外抹普通砂浆的加气混凝土墙体基体内部温度变化分别为 33.941和10.708 qC,外抹保温砂浆的加气混凝土墙体基体内 部温度变化分别为28.626和9.040 oC,分别降低了5.315 oc ̄li 1.668℃,说明其对于埔体的保温隔热性能具有更好的效果。 总的来说,由于保温砂浆的导热系数比普通水泥砂浆的 导热系数更低,因此,保温砂浆将起到更大的保温隔热作用, 表现为砂浆层内的温度变化更大,加气混凝土基体层内的温 的耐久性有积极作用。 图3外抹不同砂浆的加气混凝土墙体嵌固墙板 在冬季、夏季温度应力分布 度变化减小,砂浆对墙体基体的保护作用增强,对于墙体基体 对加气混凝:L墙体抹面可以有效地降低面 砂浆”裂、脱落 的风险。比较夏季时2种墙体的温度应力lIJ’以发现,最大 值仍然出现在墙体砂浆层内,外抹保温砂浆的_『Jl_气混凝上端 体基体内部的应力分布变化范崮史小,也I]r以说叫外抹保温 现象的出现。 3加气混凝土自节能墙体温度应力数值模拟 体内部出现温度应力以及温度变形I ol。温度应力及温度变形 …r温度分布不均及墙体各层材料的性质差异,导致墙 砂浆后,对加气混凝土 体保护作用增强,缓解端体j占体,『裂 的存在会使得墙体的耐久性能有一定的降低,因此对墙体内 部的温度应力及变形进行分析探讨。 3.1嵌固墙板温度应力分析 进行温度场分布分析时,边界条件是绝热条件,因此, 温度只在沿墙体厚度方向变化。嵌同板是指墙体四周与建筑 ; 3.2嵌固墙板变形分析 图4为在冬季、夏季温度场作用下外抹普通水泥砂浆的 加气混凝土墙体和外抹保温砂浆的加气混凝土墙体嵌围墙板 的温度变形。 相连接,均为同定约束,在墙体的变形过程中既不能转动,也 小能伸缩。相对 自由约束来说,这种情况下墙体的变形较 小,但墙体内部的应力值则较大。图3为外抹不同砂浆的墙体 嵌l舌=I墙板在冬季、夏季时温度应力分布。 从图3可以看出,冬季时,2种墙板应力最大值均出现在 墙体的最外表层,分别呵达到8.07 MPa和l7.32 MPa,显然墙 体外袭 抹保温砂浆时,砂浆层内部的温度应力值史大,外抹 保温砂浆时加气混凝土齄体内部的温度应力在0.009 1.930 MPa范 内变化,而外抹普通水泥砂浆的墙体基体应力变化 范围则为0.013—3.750 MPa,前者最大值为后者的51%,即保 温砂浆对于加气混凝土基体的保护作用增强,墙体基体层温 度变化范围减小,墙体基体温度应力更小,减小了墙体基体开 裂风险。 一 (c)保温砂浆、冬李 (d) 妙浆、 拿 图4外抹不同砂浆的加气混凝土墙体嵌固墙板 在冬季、夏季的温度变形 2种墙体在基体界面处应力值分别为3.750 MPa和1.930 由于边界条件为 q周固定支撑, 此端板叫 的变肜_}}{= MPa,外抹保温砂浆的墙体界面处应力值更小,而保温砂浆的 都为0,冬季时,室内温度为正温,墙体膨胀,窀外温度为负 粘结强度为普通砂浆粘结强度的2.5倍。因此,使用保温砂浆 值,墙体则出现收缩,墙体变形最人值出现 加气混凝土基体 ・32・ 新型建筑材料 2017.4 柏国辉:加气混凝土自节能墙体温度应力数值模拟 层内,外抹保温砂浆的墙体基体最大变形吏小,约为外抹普通 水泥砂浆的墙体基体最大变形的83%;夏季时,墙体变形为 热膨胀,变形的最大值则m现 墙体最外层砂浆层内:外抹普 通水泥砂浆的墙体变形最大值为9.58x10 m,外抹保温砂浆 的墙体最人变形值}』Jj显减小,约为6.74x10 nl,降低幅度可 以达到30%。 温度场作用下冬季、夏季时外抹-4<1司砂浆的加气混凝土 墙体自由墙板的温度变形计算结果如图6所示。 由此可见,㈨外抹普通水泥砂浆村j比,加气混凝土基体外 抹保温砂浆时日Jj 可以减/J,DII气混凝 墙体 体的变形,同 时,保温砂浆自身的优异性能有效地减小了保温砂浆层内应 力值,降低了墙体基休和抹面保温砂浆的开裂风险。 3_3 自由墙板温度应力分析 自由墙板是指墙体四周 受约束,住变形过程中既能转 动又能伸缩。在这种情况下,墙体内部的应力值较小,而墙体 的变形较大,既有转动变形,同时还有位移变形。图5为在冬 季、夏季温度场作用下外抹普通水泥砂浆的加气混凝 自由 墙板和外抹保温砂浆的加气混凝上墙体自由墙板的温度应力 分析。 一 一一 (t:)保温砂浆、冬季 (d)保温砂浆、夏季 图6外抹不同砂浆的加气混凝土墙体自由墙板 在冬季、夏季的温度变形 从图6可以看出,2种墙体在 受约束的情况下变形较 四刷剧定约束时明显增大,主要 为墙体I,q周均可自由变形, 。 =j二 。一 llW,. 落。 (c)保温砂浆、冬季 (d)保温砂浆、夏季 建筑结构不对其起到抑制约束作用,而且.最大变形均出现在 墙体。分别对比2种墙体在夏季和冬季的总变形量,相差 不大,外抹保温砂浆墙体变形略小,砂浆和墙体也能达到变形 协调。因此,在这种情况下,能够有效的减少墙体面层开裂、脱 4结论 本文从加气混凝土白节能墙体实际应用出发,运用有限 元分析软件ANSYS对2种墙体体系在冬季和夏季的温度场 分布、温度应力及变形进行了分析。通过以上试验及计算机模 拟研究,得出以下结论: (1)依据严寒地区的温度条件,分别模拟计算了加气混凝 图5外抹不同砂浆的加气混凝土墙体自由墙板 在冬季、夏季的温度应力分布 土外抹普通水泥砂浆和外抹保温砂浆2种墙体在冬季和夏季 时墙体的温度场分布,分析结果表明,外抹抹面保温砂浆 668℃, 从图5可以看出,在无约束的情况下,外抹普通水泥砂浆 后,夏季时加气混凝土墙体基体层温度变化降低了1.315℃,说明抹面保温砂浆的保温隔热效 时,墙体的温度应力最大值出现在基体与砂浆的界面层;冬季 冬季时则降低了5.时为0.33 MPa,夏季时为0.07 MPa:外抹保温砂浆时,最大应 果更好。 力出现在砂浆层内,冬季时为0.91 MPa,夏季时为0.24 MPa, (2)以温度场分布作为输入条件,求解了2种墙体在冬季 而砂浆界面层的应力值分别为0.22 MPa和0.05 MPa。相对来 和夏季时的墙体温度应力分布以及墙体变形,计算结果表明, 说,保温砂浆层内的温度应力比普通水泥砂浆层内的应力值 作为嵌固墙板时,外抹保温砂浆的墙体基体应力更小,界面处 %,同时外 更大,但在砂浆和基体界面处应力值更小,约为前者的70%。 应力值仅为外抹普通砂浆墙体界面处应力值的5l因此,保温砂浆和墙体的界面处出现空鼓、开裂现象的风险更 抹保温砂浆墙体变形更小;作为自由墙板时,外抹保温砂浆可 小。 以降低30%左右的界面应力,也可以减小墙体变形。 (1,-转第71页) 3.4 自由墙板变形分析 N EW BUI LDING MATERIALS ・33・ 江金贵,等:抽}生NEH涂料粘结强度的影响因素探讨 2.4涂膜厚度对水性NEH地坪涂料粘结强度的影响 可以获得良好的粘结强度。 (2)涂刷同样基于NEH的水性底涂可以显著提高面漆与 通常涂膜厚度对整个涂层体系的物理和机械性能有很大 的影响,如附着力、遮盖力、色差、光泽度、耐候性、隔热性能、 基层的粘结强度。基于NEH树脂的涂料与其它基层如自流平 粘结性能、耐化学品、耐久性等 。另外,出于干燥速度的控 砂浆也可以获得良好的粘结性能。 制,水性涂料对涂膜厚度有苛刻的。本研究采用PVC为 粘结强度的影响,结果见表6。 表6涂膜湿膜厚度对水性NEH地坪涂料粘结强度的影响 (3)这种水性涂料与混凝土基层的粘结性能与其PVC和 0.50 mm时粘结强度达到最高。这些信息可以更好的指导客 户应用水性NEH涂料。 40%的NEH面涂涂覆3种不同的湿膜厚度,考察涂膜厚度对 湿膜厚度有关,在PVC为40%左右、一次施工湿膜厚度约 参考文献: 【1】蒋新.中小城市交通规划与道路优化设计[J】.建材与装饰,2016 从表6可以看出,随着涂膜湿膜厚度从0.25 mm增加到 0.50 mnl,涂膜的粘结强度从3.73 MPa提高到3.87 MPa,粘结 (16):135—136. 【2]袁振,王万金,曹春莉,等.混凝土基层封闭底涂材料配方与性能 性能稳定;但是随着涂膜湿膜厚度继续增加到0.75 mm时,涂 膜的粘结强度反而下降到3.04 MPa。原因可能是由于基材具 有一定的粗糙度,随着涂膜厚度的增加,涂膜和基材的接触面 积增大,因此粘结强度会有所增加。但是随着涂膜厚度的进一 步加大,涂膜和基材的接触面积一直保持不变,但是涂膜中的 颜填料在涂膜干燥固化过程中逐渐沉积,这些沉积的颜填料 研翘J].化工新型材料,2013,41(6):59—63. [3]林良,邱谈,张海慧,等.聚合物水泥防水涂料粘结强度的影响因 素探讨 .中国建筑防水,2016(10):5-12. [4]沈志明,杨丽萍,李晴,等.一种高性能水性环氧丙烯酸外墙涂料 的研究fJ】.化学与黏合,2016,38(2):1 16—1 19. [5】史立平,刘仲阳,孔志元,等.水性环氧地坪涂料的研制[J】.上海涂 料,2013,51(11):5-8. 所在区域的涂膜比较松散,粘结性能下降。因此,在涂布NEH 面涂时,不能一味地依靠增加厚度来提高粘结性能。涂布 NEH涂料时,适宜的涂膜厚度可以达到较高的粘结性能,初 步研究结果表明,湿膜厚度大约为0.5 mm时漆膜与混凝土基 层的粘结性能达到最佳。因此,基于NEH树脂的水性地坪漆 而言,一次涂膜的厚度不宜过厚,以避免粘结强度的下降。 [6】郭军力,王新征.集装箱涂料的膜厚管理叨.中国涂料,2011,26 (1):61—64. [7】马保国,戴璐,张风臣.一种新型隔热涂料的制备及性能研究[J】_ 材料导报,2010,24(10):52—61. [8】赵保刚,谭红梅,孔春花,等.涂膜厚度对拖拉机覆盖件涂膜抗大 气曝晒性能的影响[J].现代涂料与涂装,2010,13(5):7-9. 3结论 A (1)基于陶氏水性NEH树脂开发的涂料在混凝土基层上 (上接第33页) 温措施fJ1.湖南大学学报:自然科学版,2015,42(7):114—120. [6]王宏业,张泽平,杜薇.蒸压粉煤灰加气混凝土砌块填充墙节能 参考文献: 【1]张源,高本立,杜垲.加气混凝土典型自保温墙体结露问题数值 判断[J】.建筑科学,2012,28(4):96.:102. 【2]高原,张君.加气混凝土自保温与聚苯板外保温墙体保温隔热性 能对比[J].新型建筑材料,2010,37(3):48—52. [3 田学春,董孟能,陈乔.3]加气混凝土在外墙自保温体系中的应用 研究[J].混凝土,2014(5):121—123. 【7]张元春,赵书杰.砂加气混凝土砌块自保温体系性能优化的技术 措施[J].墙材革新与建筑节能,201 1(2):48—51. 【8】尹明干,奚新国,马爱群.掺玻化微珠新型加气混凝土外墙自保 温体系的研究[J】_混凝土,2014(3):138—140. [9】陈宁.上海地区三种自保温墙体内部冷凝问题研究们.混凝土与 水泥制品,2014(2):72—75. 分析[J].新型建筑材料,2009,36(2):36—39. 【4]杨芳.力口气混凝土墙体开裂机理分析及其定量控制叨.建筑科学, 2006,22(5):71—75. 【10]闻涛,侯兴华.蒸压砂加气混凝土自保温墙体在某高校留学生 楼中的应用研究叨.建筑节能,2013(5):54—56. 【5]张甜甜,谭羽非,李玉洲.加气混凝土墙体的热桥效应及局部保 A NEW BUI LDING MATERIALS ・71・ 

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