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介休粉煤灰加气混凝土墙体温度及节能效应研究


粉煤灰蒸压加气混凝土砌块具有轻质、防火、保温隔热、隔声等功能,是一种目前应用最广泛的新型墙体材料,逐渐成为绿色建筑、建筑节能等领域中最受欢迎的节能材料。然而粉煤灰蒸压加气混凝土墙体产生的开裂问题影响了它的推广应用,其中粉煤灰蒸压加气混凝土墙体受温度影响而产生的开裂是不可忽视的,因此对其温度效应试验及应用研究具有一定的重要意义。本文主要对粉煤灰蒸压加气混凝土墙体的温度场、墙体稳态传热试验、温度应力、墙体的节能效应进行分析。通过墙体温度效应理论研究与墙体的试验研究,探讨粉煤灰蒸压加气混凝土墙体在温度作用下的温度场、应力场、位移场的分布规律。

本课题对粉煤灰蒸压加气混凝土墙体温度分布的各种热传递方式以及影响因素进行了分析,总结了多种温度场的计算方法。通过改变粉煤灰蒸压加气混凝土墙体内、外面的温度及湿度,对其进行稳态传热试验研究,探究不同条件下墙体内、外表面不同位置的应变值。采用有限单元法对粉煤灰蒸压加气混凝土墙体的温度作用进行理论分析,结合有限元模拟分析软件ANSYS对其进行数值模拟。对建筑节能的原理进行了阐述,分析了粉煤灰蒸压加气混凝土墙体的保温隔热性能,按照国家相关的规范对粉煤灰蒸压加气混凝土墙体传热系数进行了计算,并对其在工程中的应用进行了分析。

研究表明:温度场沿墙体厚度方向成线性分布,温度沿着墙体厚度方向的温度分布情况与温度分布函数相关。墙体内、外表面的不同位置在不同的温差、湿度的条件下,温差越大应变值越大,湿度对应变值的影响较小。位移场与应力场随着温差增大而增大,在位移场中:沿着墙体厚度方向的位移值最大,最大位移的位置在墙体的四周;沿着墙体高度方向的位移值较小,但其最大位移的位置在墙体外表面的上部;在沿着墙体长度方向上的位移值最小,但其最大位移的位置在墙体外表面的左侧;在应力场中:墙体的第一主应力中,墙体的拉应力要大于墙体的压应力。墙体拉应力在沿着墙体高度方向为最大,墙体的压应力最大则在墙体的厚度方向,而沿着墙体高度方向的拉、压应力则与沿着墙体的长度方向大小一致,且拉应力最大的位置在靠近墙体外表面的内部。应变场与墙体的稳态传热试验结果测出墙体的内、外表面的应变值基本一致。在夏热冬冷地区居住建筑以及部分的公共建筑中粉煤灰蒸压加气混凝土砌块可以作为自保温材料使用,相比与其它墙体材料,节能率有很大的提高。本课题可为粉煤灰蒸压加气混凝土墙体在工程中应用提供相应的理论依据。
第一章绪论

1.1加气混凝土的墙体的发展

1866年美国哈契逊获第一次申请了加气混凝土砌块专利,至今加气混凝土砌块已经有100多年的发展了,在1890年H.S.Palmar的工厂开始大量生产加气混凝土砌块应用于建筑市场中,第一栋加气混凝土墙体建筑物于1897年建成。到第一次世界大战结束时,全美国大约有2000家的加气混凝土砌块生产厂家,年产量有5000多万块砌体[1]。

加气混凝土砌块在我国建筑市场中的应用相对欧美建筑市场较晚,我国第一栋加气混凝土砌块建筑物诞生于1923年,被应用在上海静安寺附近的一栋住宅中,该建筑面积大约有1.6万平方米。到目前为止,该建筑物仍然能够正常使用,其保温隔热效果较好。

粉煤灰蒸压加气混凝土砌块是由粉煤灰、煤渣、石灰、水泥等主要材料制作而成的一种加气混凝土小型砌块,由粉煤灰蒸压加气混凝土砌块砌筑成的墙体称为粉煤灰加气混凝土墙体(以下简称加气混凝土墙体)。加气混凝土墙体是拥有质轻、保温、隔热、抗震、吸声隔音、施工简便等诸多优点的新型墙体。我国地大物博,但能源资源相对匮乏,主要的能源资源以煤炭资源为主。随着科技技术发展,我国电力生产方式主要有火力发电、水利发电、风能发电、太阳发电等,但主要的以火力发电为主,火力发电是以煤炭主要燃料的一种发电方式,对煤炭资源消耗的量巨大,造成了能源问题越来越突出[2]。并且火力发电的工业废渣的随意排放、处置,对坏境的污染有重大影响。粉煤灰废渣作的排放量是工业废渣中最大的,对粉煤灰废渣的综合利用具有重大的意义,能够带来一定经济、社会和环境效益。根据国家的相关统计,到目前为止每年全国粉煤灰生产量达到了5.7亿吨,对其综合利用的具有相当的挑战性。用大量粉煤灰为主要材料的生产成的建筑材料是的提高粉煤灰综合利用率的最有效途径之一。每生产一立方米将采用350kg粉煤灰做为主要原料,生产出的粉煤灰蒸压加气混凝土砌块应用于建筑工程中,是对粉煤灰综合利用的最有效的方法[3]。这种利用粉煤灰为主要材料制着成的墙体材料是新型的绿色墙体,与传统采用优质粘土烧结而成的墙体材料相比,具有节土节能、自身总量轻、施工方便、节省砂浆等众多优点。相关数据表明,每亩耕田的粘土自能生产出100万块粘土砖,每生产一块标准的粘土砖则需要消耗3.8MJ的能量,而每生产一块标准的粉煤灰蒸压加气混凝土砌块只需要1.8MJ的能量,它的能量消耗比粘土砖减少了一倍。加气混凝土墙体自重不足粘土砖墙体的自重一半,减轻了建筑的自身荷载,有利建筑的基础处理;建筑的自重减少,其建筑的自振周期增加、自振频率减少,从而有利于建筑的抗震[4]。对于同样的墙体采用加气混凝土砌块比使用粘土砖能够节省砌筑砂浆70%以上,由于加气凝土砌块的制作工艺完整使得砌块的外形比粘土砖完整,从而加气混凝土墙体的表面的使用的抹灰砂浆更少。到目前为止,加气混凝土砌块在建筑市场已经成为粘土砖的代替品,被大量的应用在建筑工程中,加气混凝土墙体在墙体材料中将起到主导地位。

1.2国内、外研究现状

1.2.1国外研究现状

加气混凝土砌块首先在美国制造出来,并被用于建筑工程中,随后加气混凝土在欧洲快速的发展,通过蒸压釜养护制作而成的加气混凝土被称为蒸压加气混凝土,这种制着加气混凝土的方法首先由瑞典的伊通公司采用。世界上,第一栋建筑采用加气混凝土做为墙体材料是由西波列公司建造而成的。1945年以后,加气混凝土在建筑材料市场中快速发展,在上个世纪八十年代左右,大量的国家开始大批量的生产加气混凝土并用于建筑工程中,此时全世界的加气混凝土每年的生产总量达到了2000万立方米。

在欧洲,到目前为止,加气混凝土材料占到了整个建筑材料市场的80%左右,依据欧洲加气混凝土协会统计,每年加气混凝土产量约1630万立方米,占全世界的40%。英国采用加气混凝土作为保温墙体材料,加气混凝土墙体占英国的墙体材料市场的40%左右,德国的外挂板与实心墙板就是采用配筋的加气混凝土制成的,在波兰由加气混凝土制成的建筑材料总类众多,波兰混凝土研发中心、高校与厂家通过多年的研究,研究出小密度、低容重的加气混凝土,在加气混凝土领域取得了突破性的研究成果,整个波兰每年的加气混凝土产量高达400多万立方米,占欧洲市场的四分之一。
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到目前为止,加气混凝土与加气混凝土的制品广泛的用于美国的建筑中。全美的低层商业建筑与工业建筑的加气混凝土的用量占75%,民用建筑的加气混凝土制品的用量占25%。由加气混凝土制成的板材,多应用在全美民用建筑的外墙及隔墙,其使用较大。美国AERCON公司生产加气混凝土制品种类有200多种,主要以梁板、楼板、屋面板、外墙等加气混凝土制品为主[5]。美国加气混凝土制品协会的研究数据发现,在建筑工程造价相同的条件下,建筑使用加气混凝土或加气混凝土制品可多减少建筑能耗12%,具有良好的经济效益与节能效应。

日本和韩国则将加气混凝土多用于桥梁工程与港口工程中。20世纪80年代。随着日本、韩国的经济快速发展,加气混凝土在日本、韩国迅速发展,每年的加气混凝土产量突出200万立方米。由于加气混凝土及其制品质轻,日本主要以使用加气混凝土的板材为主,有利于日本建筑的抗震。

1.2.2国内研究现状

与欧美加气混凝土生产和应用相比,虽然我国历史比较短,但其发展迅速。我国的加气混凝土技术首次是从瑞典引进,随后加气混凝土的工业化生产快速发展,制造处了以墙板、屋面板为主的加气混凝土制品。