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孔型结构设计研究
1.孔洞形状：目前，国内生产的烧结页岩空心砖孔洞的形状主要有：圆形孔、正方形孔、椭圆形孔、矩形孔、菱形孔等。烧结页岩空心砖的孔洞形状与热工性能紧密相关，而与制砖工艺存在矛盾。生产工艺希望孔洞形状越简单越好，但相同条件下，孔的形状对导热系数有较大的影响。孟繁华等[1]研究了不同孔型的烧结页岩空心砖和空心砌块的平均导热系数，其研究结果见表1。由表1可以看出，空心砖和空心砌块不同形状的孔洞对其导热系数有较为显著的影响。圆形孔的平均导热系数最大，方形孔的平均导热系数次之，菱形孔平均导热系数略低于方形孔，矩形孔的平均导热系数最小。其原因是，在空心砖体系中，空气的导热系数最小，传热能力最差，有很好的绝热作用。矩形孔中的空气容易形成长路对流，而菱形、方形、圆形中的空气倾向于形成短路对流。而长路对流的传热量远低于短路对流的传热量。因此，在进行烧结页岩空心砖和空心砌块的孔型设计时，在相同孔洞面积下，应选择加大孔洞长度，以减少温差传热量，提高其保温隔热性能。
2.孔洞方向：烧结页岩空心砖主要应用非承重结构和框架结构填充。但是，在满足建筑各方面性能的前提下，应尽量提高其抗压强度。不合理的孔型设计将导致空心砖砌体强度偏低。当烧结页岩空心砖的孔洞为矩形条孔时，矩形条孔排列方式不同，其抗压强度也不一致。研究结果表明，空心砖垂直于孔洞方向受压的强度较平行于孔洞方向的强度低60%～80%，这就是承重空心砖的孔洞大多为垂直孔，而非承重空心砖的孔洞大多为水平孔的原因。因此，在进行空心砖和砌块孔洞方向排布时，应选择使矩形条孔的长边平行于受压方向。
3.孔洞排列及排数
1）孔洞排列方式：烧结页岩空心砖的孔洞排列分为有序排列和交错排列。在孔洞率相同的条件下，孔洞错排的空心砖导热系数要比有序排列的空心砖导热系数小，这是因为通过空心砖的热流绝大部分是借助实体的孔壁来传导的。传导的热量与传导的横截面积和传导的流程长度有关。在横截面积一定时，传导的流程越长，热阻越大，传热量越小。如果把空心砖中横向有序连接孔壁交错排列，加长了空心砖内热传导的路径，就相当于增加了空心砖的厚度，也就相应提高了烧结页岩空心砖的热阻。从导热热阻公式R=δ/λ可以看出，导热热阻R与材料的厚度δ成正比(式中λ为导热系数)。因此，空心砖孔洞错排分布，相当于增大了空心砖内热传导的路径，可以提高其保温隔热性能。
2）孔洞排数：烧结页岩空心砖的孔洞排数对其热工性能有一定影响。研究表明，沿平行热流方向把一个大孔分成几个小孔，传热渠道的总宽相等，其导热系数不变；但如果在垂直于热流方向将孔洞重叠排列，把一个大孔分成几个小孔，则热阻增加，其导热系数变小，也就是说，沿垂直热流方向的孔洞排数越多，相应的其热工性能也就越好。因此，烧结页岩空心砖排数的选择原则为：①以多个小孔代替一大孔；②在温差方向上以短距离小孔代替长距离孔。
4.孔洞大小：为了达到建筑节能的效果，目前烧结页岩空心砖和砌块的孔洞率也向不断增大的方向发展，但并不是孔洞率越高、孔洞越大，其保温效果越好。相关研究[5]表明，对于孔径＜5mm的空心砖，当孔壁两侧壁面的温差Δt=10℃时，孔洞内对流热导率的计算为：λ=0.00123λ几乎等于零，说明空心砖孔洞的热导率近似等于静止空气的热导率。但是，当空心砖孔洞内空气层厚度超过10mm时，空气层内开始出现对流换热现象，而对流换热强度随空气层厚度的增加而增强。因此，空心砖内孔洞越大，空气运动越激烈，保温隔热效果越差。
5.孔壁厚度：在国家标准GB13545—2003《烧结空心砖和空心砌块》中，没有对烧结空心砖孔壁厚度提出具体规定。然而，空心砖的孔壁厚度对其性能有一定影响。一方面，空气的热导率比孔壁材料的热导率低得多，通过空心砖的大部分热量是借助孔壁进行传递的，因此，孔壁构成了空心砖的热桥。由此可知，降低空心砖的孔壁厚度，可以在一定程度上改善其保温隔热性能。另一方面，在实际应用中，使用者对空心砖墙面的吊挂性能有一定的要求。如果孔壁过薄，锚栓锚固过程中有可能就会引起空心砖的开裂，即使不开裂，其有效锚固深度不足，也不能满足吊挂重物的要求。在国家标准《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》、《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》中均规定，系统基本构造中应按需要采用锚栓将保温层与基层锚固，其有效锚固深度不小于25mm。为此，重庆设计了薄壁型和厚壁型两种不同类型的空心砖，其壁厚分别为15～20mm和25～28mm，以满足不同应用的需求。
6.孔的倒角：从生产工艺的角度，烧结页岩其中空心砖和砌块的孔洞形状越简单，越容易生产，圆形孔是最容易生产的。但是由相关分析可知，圆形孔的保温隔热性能较差，国家现已取消了圆形孔的设计。国家标准GB13545—2003《烧结空心砖和空心砌块》和重庆设计的空心砖和空心砌块示意图如图1所示。调查研究表明，方形孔烧结页岩空心砖在生产工艺上存在劣势，具体表现在：①方孔砖要求颗粒细度比较严格，为≤1mm，因此，对相应的生产设备有较高要求。②粉碎颗粒过程耗能大，不利于环保。③方孔砖成品率低，原料消耗大。其原因是在方形孔的直角边处容易产生应力集中，在生产、烧结、搬运、施工中易导致破损。研究表明，大部分的裂缝都是沿着结构中的薄弱环节产生的，因此，在孔形设计上，选择将其直角边处设计为倒圆角，可以有效降低空心砖开裂破损的风险。
结论
(1)空心砖的孔洞形状为矩形条孔时，热工性能最好；对其直角边处进行倒圆角处理，可以减少应力集中，降低开裂风险。(2)空心砖的开孔方向和孔洞形状影响其抗压强度。当空心砖为矩形条孔时，应使其长边垂直向上分布，以提高空心砖抗压强度。(3)空心砖孔洞交错排列，可以增大热传导的路径，提高热阻。沿热流方向孔洞排数越多，热工性能越好。孔洞越大，孔内空气对流传热越激烈，保温隔热效果越差。(4)空心砖孔壁厚度增大，吊挂性能增强，但其导热系数相应增加，保温隔热性能有所降低。
本文作者：黄孝云 朱惠英 陶尚儒 卢凌寰 张小静
