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最大，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最小。其原因是，在空心磚體系中，空氣的導熱系數最小，傳熱能力最差，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，圓形孔是最容易生產的。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，熱工性能最好；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