热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟

工程科学学报，第40卷，第6期：754-759,2018年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.6:754-759,June 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.014:http://journals.ustb.edu.cn 热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 程杰”，许鑫华2)区，张晓颖)，窦鹏”，石芸慧”，张茜”，黄振利 1)天津大学材料科学与工程学院，天津3003502)天津市材料复合与功能化重点实验室，天津300072 3)公安部天津消防研究所，天津3003814)北京振利节能环保科技股份有限公司，北京100073 ☒通信作者，E-mail:xhxutju@gmail.com 摘要为了从墙体温度稳定性角度探讨外墙外保温系统的耐候性能，利用ABAQUS有限元软件，对采用胶粉聚苯颗粒保温 浆料涂料饰面的外墙外保温墙体，建立三维瞬态热结构耦合模型并进行数值模拟分析，计算其在热冷循环下不同功能层的实 时温度场、热应力及位移分布.计算结果表明：在热冷循环过程中，涂料饰面层温差最大，墙体内饰面层温差最小，日变化量 在2℃以内：沿墙厚方向保温浆料层温度变化率均大于其他材料.涂料饰面层经历拉压循环，低温时受拉，高温时受压：在整 个循环过程中基层墙体内表面始终受压，基层墙体内应力变化幅度较小.与保温浆料层相比，界面砂浆层所受应力较大，保温 浆料层应力几乎为零.沿墙厚方向最大位移出现在保温浆料层 关键词外墙外保温：热冷循环：耐候性能：数值模拟：温度场：热应力 分类号TU111.4 Numerical simulation of the weathering performance of an exterior wall external insulation system under heating-cooling cycles CHENG Jie,XU Xin-hua,ZHANG Xiao-ying',DOU Peng",SHI Yun-hui,ZHANG Qian",HUANG Zhen-i 1)School of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300350,China 2)Tianjin Key Laboratory of Composite and Functional Materials,Tianjin 300072,China 3)Tianjin Fire Research Institute of the Ministry of Public Security,Tianjin 300381,China 4)Beijing Zhenli Company of Energy Saving and Environmental Protection,Beijing 100073,China Corresponding author,E-mail:xhxutju@gmail.com ABSTRACT In the current construction industry,exterior wall external insulation systems are widely used but suffer some obvious weathering problems such as deformation,drop in thermal insulation,and fracture of the surface layers.To investigate the weathering performance of an exterior wall external insulation system from the perspective of wall temperature stability,ABAQUS finite element software was used to establish a three-dimensional transient thermal-structural coupling model of the effect of paint finishes,with added adhesive powder polystyrene particle insulation slurries,on exterior wall external insulation.Numerical simulation analysis was carried out to calculate the real-time temperature field,thermal stress,and displacement distribution of different functional layers under heat- ing-cooling cycles.Results show that during the heating-cooling cycles,the temperature difference in the coating layer is the greatest, that in the interior layer is the smallest,and the daily change is within 2 C.The rate of temperature change in the insulation slurry lay- er in the thickness direction is higher than that in the other materials.The coating layer is subjected to tension-compression cycles with tension at low temperatures and compression at high temperatures.The inner surface of the primary wall is always under compression throughout these cycles and the stress variation in the primary wall is small.By comparison,the stress in the interfacial mortar layer is large and that in the insulation slurry layer is almost zero.The maximum displacement in the thickness direction occurs in the insulation slurry layer. KEY WORDS exterior wall external insulation;heating-cooling cycles:weathering performance:numerical simulation:temperature 收稿日期：2017-07-22

工程科学学报，第 40 卷，第 6 期: 754--759，2018 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 40，No． 6: 754--759，June 2018 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2018． 06． 014; http: / /journals． ustb． edu． cn 热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 程 杰1) ，许鑫华1，2) ，张晓颖1，3) ，窦 鹏1) ，石芸慧1) ，张 茜1) ，黄振利4) 1) 天津大学材料科学与工程学院，天津 300350 2) 天津市材料复合与功能化重点实验室，天津 300072 3) 公安部天津消防研究所，天津 300381 4) 北京振利节能环保科技股份有限公司，北京 100073 通信作者，E-mail: xhxutju@ gmail． com 摘 要 为了从墙体温度稳定性角度探讨外墙外保温系统的耐候性能，利用 ABAQUS 有限元软件，对采用胶粉聚苯颗粒保温 浆料涂料饰面的外墙外保温墙体，建立三维瞬态热结构耦合模型并进行数值模拟分析，计算其在热冷循环下不同功能层的实 时温度场、热应力及位移分布． 计算结果表明: 在热冷循环过程中，涂料饰面层温差最大，墙体内饰面层温差最小，日变化量 在 2 ℃以内; 沿墙厚方向保温浆料层温度变化率均大于其他材料． 涂料饰面层经历拉压循环，低温时受拉，高温时受压; 在整 个循环过程中基层墙体内表面始终受压，基层墙体内应力变化幅度较小． 与保温浆料层相比，界面砂浆层所受应力较大，保温 浆料层应力几乎为零． 沿墙厚方向最大位移出现在保温浆料层． 关键词 外墙外保温; 热冷循环; 耐候性能; 数值模拟; 温度场; 热应力 分类号 TU111. 4 收稿日期: 2017--07--22 Numerical simulation of the weathering performance of an exterior wall external insulation system under heating-cooling cycles CHENG Jie1) ，XU Xin-hua1，2)  ，ZHANG Xiao-ying1，3) ，DOU Peng1) ，SHI Yun-hui1) ，ZHANG Qian1) ，HUANG Zhen-li4) 1) School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China 2) Tianjin Key Laboratory of Composite and Functional Materials，Tianjin 300072，China 3) Tianjin Fire Ｒesearch Institute of the Ministry of Public Security，Tianjin 300381，China 4) Beijing Zhenli Company of Energy Saving and Environmental Protection，Beijing 100073，China Corresponding author，E-mail: xhxutju@ gmail． com ABSTＲACT In the current construction industry，exterior wall external insulation systems are widely used but suffer some obvious weathering problems such as deformation，drop in thermal insulation，and fracture of the surface layers． To investigate the weathering performance of an exterior wall external insulation system from the perspective of wall temperature stability，ABAQUS finite element software was used to establish a three-dimensional transient thermal-structural coupling model of the effect of paint finishes，with added adhesive powder polystyrene particle insulation slurries，on exterior wall external insulation． Numerical simulation analysis was carried out to calculate the real-time temperature field，thermal stress，and displacement distribution of different functional layers under heat￾ing-cooling cycles． Ｒesults show that during the heating-cooling cycles，the temperature difference in the coating layer is the greatest， that in the interior layer is the smallest，and the daily change is within 2 ℃ ． The rate of temperature change in the insulation slurry lay￾er in the thickness direction is higher than that in the other materials． The coating layer is subjected to tension-compression cycles with tension at low temperatures and compression at high temperatures． The inner surface of the primary wall is always under compression throughout these cycles and the stress variation in the primary wall is small． By comparison，the stress in the interfacial mortar layer is large and that in the insulation slurry layer is almost zero． The maximum displacement in the thickness direction occurs in the insulation slurry layer． KEY WOＲDS exterior wall external insulation; heating-cooling cycles; weathering performance; numerical simulation; temperature

程杰等：热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 ·755· field:thermal stress 如今，我国面临日益严重的环境污染与能源短 候性能，为实际墙体保温工程安全和外墙保温系统 缺等诸多问题.在建筑物施工和使用过程中，消 使用寿命及耐久性研究提供依据. 耗众多化石能源与自然资源，并伴随温室气体的大 1计算模型 量排放，从而对环境及气候造成不可逆转的巨大破 环.因此，节能与环保是实现国民经济可持续发展 在JG】144一2004《外墙外保温工程技术规程》 的必要途径回.面对日趋严峻的能源短缺形势，大 关于外保温系统耐候性试验的规定中的，对外保温 力发展“绿色建筑”、实施建筑节能势在必行 系统进行加速气候老化试验，模拟冬夏年温差反复 提高围护结构的保温性能是降低建筑能耗的关键. 作用，要求外墙外保温工程经受热一冷循环后，不得 外墙外保温系统具有避免热桥、减小温度应力和增 出现保护层空鼓或脱落、饰面层起泡或剥落等破坏， 大建筑物使用面积等诸多优点，己成为建筑节能中 应能耐受室外冷热气候的长期循环作用而不发生 应用最为广泛的重要手段5-).然而，在昼夜、季节 破环. 作用下引起的环境周期性温差变化对外墙外保温系 针对上述要求，应用ABAQUS有限元模拟软 统整个构造层尤其是保温层产生的影响不容忽视 件，对采用胶粉聚苯颗粒保温浆料涂料饰面的外墙 对于外墙保温系统技术，有关学者开展了相应 外保温墙体（如图1所示）建立三维瞬态热结构耦 的研究。杨晨等圆通过有限元仿真技术模拟了稳态 合模型并进行数值模拟分析，计算其在热冷循环下 条件下墙体温度分布，建立模型描述保温层对墙体 的实时温度场和应力场.计算过程中采用的各功能 保温系统温度场的影响，对热应力未作深入探讨. 层尺寸及相关热力学参数a如表1所示. 秦尚松等回利用ANSYS有限元软件对玻化微珠保 温砂浆不同保温形式墙体的温度场及温度应力进行 内饰面层 了分析，但其采用的有限元模型为简化后的二维热 ~基层墙体 传导模型，且选取“间接法”求解未能将温度与应力 ·界面砂浆 实时相互耦合作用考虑在内.赵敏等0采用AN- 一胶粉聚苯颗粒保温浆料 SYS软件将墙体保温体系传热简化为二维稳态热传 一抗裂砂浆 导问题，但其未对建筑墙体气温变化下瞬态传热过 一涂料饰面 程进行分析.Cheng与Yanu研究了热结构耦合效 应下复合墙体保温系统温度场、热应力与变形分布 200 260 53 情况.Zhang与Zhu使用扩展有限元法(extended 图1胶粉聚苯颗粒涂料饰面外墙外保温构造（单位：mm) finite element method,XFEM)分析复合墙体热传导 Fig.1 Structure of paint finish exterior wall external insulation with adhesive powder polystyrene particles(unit:mm) 问题，并证明了该法研究非均质墙体热扩散过程的 合理性.L)通过有限元模拟，对夏季极端高温条 建筑物具有复杂的几何形状，建筑墙体传热是 件下复合外保温系统墙体温度应力和形变进行了 一个复杂的三维瞬态热传导过程.为了便于建立计 讨论 算模型，假定墙体各层为均匀连续、各向同性材料， 外墙外保温系统中，保温材料对墙体保温性能 且材料层间连接紧密，忽略层间热阻.建筑外墙内 起到关键作用，决定了建筑整体的节能效果.胶 部温度在长度和宽度两个方向变化很小，因此在通 粉聚苯颗粒保温浆料具有保温隔热效果好、耐久性 常情况下，建筑外墙的热传导方程可以简化为沿墙 好、施工适应性好、抗裂等特点，是目前应用技术成 体厚度方向的一维热传导方程，即： 熟的外墙外保温材料.本文基于ABAQUS有限元 aT(x,t)入子T(x,t) (1) 分析软件，针对胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统，建立 at pc at2 对应有限元模型，计算热冷循环下墙体不同功能层 式中，T(x,t)为t时刻x位置处的温度.沿墙体厚度 温度场、温度应力及位移，揭示温度场、热应力的变 方向温度场的求解即在给定边界条件和时间的情况 化规律及其沿墙体厚度方向的分布特点，旨在通过 下求解上述偏微分方程(1)，即可得到墙体内部各 周期温度场及应力耦合效应数值模拟，从墙体温度 结点处温度值、 稳定性角度探讨胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统的耐 温度应力分析和一般弹性理论相似，根据文献

程 杰等: 热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 field; thermal stress 如今，我国面临日益严重的环境污染与能源短 缺等诸多问题［1］． 在建筑物施工和使用过程中，消 耗众多化石能源与自然资源，并伴随温室气体的大 量排放，从而对环境及气候造成不可逆转的巨大破 环． 因此，节能与环保是实现国民经济可持续发展 的必要途径［2］． 面对日趋严峻的能源短缺形势，大 力发展“绿色建筑”、实施建筑节能势在必行［3--4］． 提高围护结构的保温性能是降低建筑能耗的关键． 外墙外保温系统具有避免热桥、减小温度应力和增 大建筑物使用面积等诸多优点，已成为建筑节能中 应用最为广泛的重要手段［5--7］． 然而，在昼夜、季节 作用下引起的环境周期性温差变化对外墙外保温系 统整个构造层尤其是保温层产生的影响不容忽视． 对于外墙保温系统技术，有关学者开展了相应 的研究． 杨晨等［8］通过有限元仿真技术模拟了稳态 条件下墙体温度分布，建立模型描述保温层对墙体 保温系统温度场的影响，对热应力未作深入探讨． 秦尚松等［9］利用 ANSYS 有限元软件对玻化微珠保 温砂浆不同保温形式墙体的温度场及温度应力进行 了分析，但其采用的有限元模型为简化后的二维热 传导模型，且选取“间接法”求解未能将温度与应力 实时相互耦合作用考虑在内． 赵敏等［10］采用 AN￾SYS 软件将墙体保温体系传热简化为二维稳态热传 导问题，但其未对建筑墙体气温变化下瞬态传热过 程进行分析． Cheng 与 Yan［11］研究了热结构耦合效 应下复合墙体保温系统温度场、热应力与变形分布 情况． Zhang 与 Zhu［12］使用扩展有限元法( extended finite element method，XFEM) 分析复合墙体热传导 问题，并证明了该法研究非均质墙体热扩散过程的 合理性． Li［13］通过有限元模拟，对夏季极端高温条 件下复合外保温系统墙体温度应力和形变进行了 讨论． 外墙外保温系统中，保温材料对墙体保温性能 起到关键作用，决定了建筑整体的节能效果［14］． 胶 粉聚苯颗粒保温浆料具有保温隔热效果好、耐久性 好、施工适应性好、抗裂等特点，是目前应用技术成 熟的外墙外保温材料． 本文基于 ABAQUS 有限元 分析软件，针对胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统，建立 对应有限元模型，计算热冷循环下墙体不同功能层 温度场、温度应力及位移，揭示温度场、热应力的变 化规律及其沿墙体厚度方向的分布特点，旨在通过 周期温度场及应力耦合效应数值模拟，从墙体温度 稳定性角度探讨胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统的耐 候性能，为实际墙体保温工程安全和外墙保温系统 使用寿命及耐久性研究提供依据． 1 计算模型 在 JGJ 144—2004《外墙外保温工程技术规程》 关于外保温系统耐候性试验的规定中［15］，对外保温 系统进行加速气候老化试验，模拟冬夏年温差反复 作用，要求外墙外保温工程经受热—冷循环后，不得 出现保护层空鼓或脱落、饰面层起泡或剥落等破坏， 应能耐受室外冷热气候的长期循环作用而不发生 破环． 针对上述要求，应用 ABAQUS 有限元模拟软 件，对采用胶粉聚苯颗粒保温浆料涂料饰面的外墙 外保温墙体( 如图 1 所示) 建立三维瞬态热结构耦 合模型并进行数值模拟分析，计算其在热冷循环下 的实时温度场和应力场． 计算过程中采用的各功能 层尺寸及相关热力学参数［16］如表 1 所示． 图 1 胶粉聚苯颗粒涂料饰面外墙外保温构造( 单位: mm) Fig． 1 Structure of paint finish exterior wall external insulation with adhesive powder polystyrene particles( unit: mm) 建筑物具有复杂的几何形状，建筑墙体传热是 一个复杂的三维瞬态热传导过程． 为了便于建立计 算模型，假定墙体各层为均匀连续、各向同性材料， 且材料层间连接紧密，忽略层间热阻． 建筑外墙内 部温度在长度和宽度两个方向变化很小，因此在通 常情况下，建筑外墙的热传导方程可以简化为沿墙 体厚度方向的一维热传导方程，即: T( x，t) t = λ ρc  2 T( x，t) t 2 ( 1) 式中，T( x，t) 为 t 时刻 x 位置处的温度． 沿墙体厚度 方向温度场的求解即在给定边界条件和时间的情况 下求解上述偏微分方程( 1) ，即可得到墙体内部各 结点处温度值． 温度应力分析和一般弹性理论相似，根据文献 · 557 ·

·756 工程科学学报，第40卷，第6期 表1胶粉聚苯颗粒外墙外保温涂料饰面材料热力学参数 Table 1 Thermodynamic parameters of paint finish exterior wall extemal insulation with adhesive powder polystyrene particles 厚度， 密度，pl 比热容，c/ 导热系数，A/ 热变形系数， 弹性模量， 材料名称 △x/mm (kg'm-3) (kg1℃) 泊松比， (Wm1.℃1) a/(10-6℃-1) E/GPa 内饰面层 2 1300 1050 0.60 10.0 2.0000 0.28 基层墙体 200 2300 920 1.74 10.0 20.0000 0.20 界面砂浆 2 1500 1050 0.76 8.5 2.7600 0.28 保温浆料 60 250 1070 0.06 8.5 0.0001 0.25 抗裂砂浆 5 1600 1050 0.81 8.5 1.5000 0.25 涂料饰面 1100 1050 0.50 8.5 2.0000 0.28 7]可得求解温度应力的基本公式： m2.℃-1，墙体外表面与室外空气换热系数为19.0 Wm-2.℃-1. 0, 外墙保温施工一般在春季或秋季，平均温度为 0 E 15℃左右，把这一温度设为墙体初始温度，参数的 不分 (1+u)(1-2） 物理含义为墙体各功能层内温度应力为零时的温度 值.温度荷载参考规定的中的系统耐候性试验方 法取值如下：热冷循环3次，每次24h.具体做法：升 \Ta 温阶段，升温1h（-20~48℃)+恒温7h(48℃)=总 1-u 0 0 0 时间8h;降温阶段，降温0.6h(48~0℃)+降温 1-μ 0 0 0 2.4h(0~-20℃)=3h,恒温13h（-20℃)，总时 1-μ 0 0 0 E,-aAT 间16h.室内温度取为恒温25℃. 0 0 0 1-2丝 2 0 0 -a47 Y 0 0 0 0 1-2Ψ 0 Ya 0 0 0 0 (2) 式中：△T为计算温差μ为拉梅常数；oσ，o:为 直角坐标系中正应力分量；T,T:T为直角坐标系 中切应力分量：E、e,、E:为直角坐标系中正应变分 量y,Y,Y为直角坐标系中切应变分量.墙体结 图2模型网格划分 构的温度应力，可根据式(2)得出. Fig.2 Model mesh 外墙外保温墙体模型采用三维热耦合实体单 2计算结果和分析 元，单元为8节点六面体，可用于计算热结构直接耦 合问题.模型采用扫掠技术划分网格，可得到具有 2.1温度场结果分析 规则形状的六面体网格单元，从而减小计算代价，计 图3为胶粉聚苯颗粒外墙外保温墙体在热冷环 算精度通常比自由网格划分更高，模型划分后的单 境下温度稳定变化后一个周期内(24h)涂料饰面 元网格如图2所示.墙体模型长度与高度分别为3 层、保温浆料层及内饰面层温度变化曲线。可以看 m和2m.计算中选取沿墙体高度方向为x轴，沿墙 出，墙体内温度变化幅度与墙体各功能层位置有关， 体厚度方向为y轴，沿墙体长度方向为z轴，坐标原 各功能层温度由外向里变化幅度逐渐减小.使用保 点位于墙体内表面的左下角. 温材料使墙体与外界环境的热量传递显著降低，且 外墙外保温墙体内外表面与周围空气的接触作 明显减小了外界温度变化对室内温度造成的影响. 用属于固体和流体间热交换问题，用换热系数进行 越靠近保温墙体外侧的节点，其温度变化越容易受 表征，采用热分析中的第三类边界条件.换热系数 到环境影响.墙体涂料饰面层温度随时间变化幅度 按照规范图选取：墙体内表面换热系数为8.7W· 最大，在热冷循环中，日温度变化范围为-18.1~

工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 表 1 胶粉聚苯颗粒外墙外保温涂料饰面材料热力学参数 Table 1 Thermodynamic parameters of paint finish exterior wall external insulation with adhesive powder polystyrene particles 材料名称 厚度， Δx /mm 密度，ρ / ( kg·m － 3 ) 比热容，c/ ( J·kg － 1·℃ － 1 ) 导热系数，λ / ( W·m － 1·℃ － 1 ) 热变形系数， α/( 10 － 6℃ － 1 ) 弹性模量， E/GPa 泊松比，ν 内饰面层 2 1300 1050 0. 60 10. 0 2. 0000 0. 28 基层墙体 200 2300 920 1. 74 10. 0 20. 0000 0. 20 界面砂浆 2 1500 1050 0. 76 8. 5 2. 7600 0. 28 保温浆料 60 250 1070 0. 06 8. 5 0. 0001 0. 25 抗裂砂浆 5 1600 1050 0. 81 8. 5 1. 5000 0. 25 涂料饰面 3 1100 1050 0. 50 8. 5 2. 0000 0. 28 ［17］可得求解温度应力的基本公式: σx σy σz τxy τyz τ                   zx = E ( 1 + μ) ( 1 － 2μ) · 1 － μ μ μ 0 0 0 μ 1 － μ μ 0 0 0 μ μ 1 － μ 0 0 0 0 0 0 1 － 2μ 2 0 0 0 0 0 0 1 － 2μ 2 0 0 0 0 0 0 1 － 2μ                        2  εx － αΔT εy － αΔT εz － αΔT γxy γyz γ                   zx ( 2) 式中: ΔT 为计算温差; μ 为拉梅常数; σx、σy、σz 为 直角坐标系中正应力分量; τxy、τyz、τzx为直角坐标系 中切应力分量; εx、εy、εz 为直角坐标系中正应变分 量; γxy、γyz、γzx为直角坐标系中切应变分量． 墙体结 构的温度应力，可根据式( 2) 得出． 外墙外保温墙体模型采用三维热耦合实体单 元，单元为 8 节点六面体，可用于计算热结构直接耦 合问题． 模型采用扫掠技术划分网格，可得到具有 规则形状的六面体网格单元，从而减小计算代价，计 算精度通常比自由网格划分更高，模型划分后的单 元网格如图 2 所示． 墙体模型长度与高度分别为 3 m 和 2 m． 计算中选取沿墙体高度方向为 x 轴，沿墙 体厚度方向为 y 轴，沿墙体长度方向为 z 轴，坐标原 点位于墙体内表面的左下角． 外墙外保温墙体内外表面与周围空气的接触作 用属于固体和流体间热交换问题，用换热系数进行 表征，采用热分析中的第三类边界条件． 换热系数 按照规范［18］选取: 墙体内表面换热系数为 8. 7 W· m － 2·℃ － 1，墙体外表面与室外空气换热系数为 19. 0 W·m － 2·℃ － 1 ． 外墙保温施工一般在春季或秋季，平均温度为 15 ℃左右，把这一温度设为墙体初始温度，参数的 物理含义为墙体各功能层内温度应力为零时的温度 值． 温度荷载参考规定［15］中的系统耐候性试验方 法取值如下: 热冷循环 3 次，每次 24 h． 具体做法: 升 温阶段，升温1 h ( － 20 ～ 48℃) +恒温7 h ( 48℃) =总 时间 8 h; 降温阶段，降温 0. 6 h ( 48 ～ 0 ℃ ) + 降温 2. 4 h ( 0 ～ － 20 ℃ ) = 3 h，恒温 13 h ( － 20 ℃ ) ，总时 间 16 h． 室内温度取为恒温 25 ℃ ． 图 2 模型网格划分 Fig． 2 Model mesh 2 计算结果和分析 2. 1 温度场结果分析 图 3 为胶粉聚苯颗粒外墙外保温墙体在热冷环 境下温度稳定变化后一个周期内( 24 h) 涂料饰面 层、保温浆料层及内饰面层温度变化曲线． 可以看 出，墙体内温度变化幅度与墙体各功能层位置有关， 各功能层温度由外向里变化幅度逐渐减小． 使用保 温材料使墙体与外界环境的热量传递显著降低，且 明显减小了外界温度变化对室内温度造成的影响． 越靠近保温墙体外侧的节点，其温度变化越容易受 到环境影响． 墙体涂料饰面层温度随时间变化幅度 最大，在热冷循环中，日温度变化范围为 － 18. 1 ～ · 657 ·

程杰等：热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 ·757· 46.6℃：墙体内表面温度随时间的变化程度最小， 从而导致热应力与变形的产生.对外保温墙体温度 日变化量在2℃以内.升温阶段，墙体内表面温度 应力进行计算，可以更有针对性地了解墙体内各结 为22.8℃，与室内恒定温度相差2.2℃；降温阶段， 构层热应力的分布状况，以便更好地进行保温墙体 墙体内表面温度为22.3℃，与室内恒定温度相差 设计，并对其耐候性能及使用寿命进行深入讨论与 2.7℃.由此可见，胶粉聚苯颗粒外保温系统墙体内 研究. 表面温度与室内温度差距很小，保温隔热效果显著， 图5为胶粉聚苯颗粒外墙外保温墙体在热冷循 能够有力维持室内环境的舒适性及室内温度的稳 环中一个周期内(24h)涂料饰面层、基层墙体与内 定.而基层墙体所处环境温度变化较小，对建筑墙 饰面层热应力与时间关系图.数值模拟结果显示， 体耐久性更为有利， 外保温做法使涂料饰面层的温度变化幅度有所增 图4为外墙外保温墙体在升温与降温阶段沿厚 大，相应的热应力也随之增大，因此有必要提高涂料 度方向（涂料饰面→内饰面层）温度变化曲线.保温 饰面层的力学性能指标.在现行的标准中只对涂料 材料处温度变化率比其他材料处大很多，且最大温 饰面层的抗压强度、抗折强度以及压折比提出了要 差出现在保温材料的内外表面处，说明胶粉聚苯颗 求，但是压折比指标只能对材料的柔性进行定性的 粒保温浆料在保温系统中起到重要的隔热作用.由 反映.建议在标准中考虑增加涂料饰面层的抗拉强 于不同墙体材料热力学性质不同，因此在沿墙体厚 度指标和抗剪强度指标 度方向约10mm即保温浆料位置处保温隔热效果产 50 生显著差异 0 40 50 05 30 -1.0 ·一涂料饰面层 20 -15 。一基层墙体 内饰面层 ◆内饰面层 10 -2.0 涂料饰面温度 保温浆料层 -2.5 10 -3.0 2 12 16 20 2420 涂料饰面层 h 图5墙体各层应力随时间变化曲线 12 16 20 24 h Fig.5 Stress curves over time in each layer of walls 图3墙体各层温度变化曲线 如图5所示，温度升高，涂料饰面层热应力减 Fig.3 Temperature variation curves of each layer in walls 小，温度降低，涂料饰面层热应力增大，温度峰值对 50 应应力峰值.热冷循环中，涂料饰面层经受拉压循 40 升温阶段 环，温度高时，涂料饰面层承受压应力，最大压应力 30 为0.58MPa;温度低时，涂料饰面层承受拉应力，最 20 大拉应力为0.46MPa,因此涂料饰面层应力变化幅 10 度为-0.58~0.46MPa.基层墙体温度变化较小， 所以应力变化幅度不大.初始温度15℃时，即使在 降温阶段 降温阶段，全约束时基层墙体表面应力仍为压应力， .10 因此外保温墙体因温度变化而引发基层开裂的风险 100150200 250 很小.基层墙体内表面应力变化幅度为-3.06~ x/mm -2.71MPa.在整个热冷循环过程中内饰面层始终 图4墙体不同温度阶段沿墙厚方向温度曲线 承受压应力，因此内饰面层开裂风险较小 Fig.4 Temperature curves at different temperature stages along thickness direction 图6为外保温墙体在升温与降温阶段沿墙体厚 度方向（涂料饰面→内饰面层）热应力变化曲线.如 2.2应力场和位移结果分析 图所示，热应力分布呈阶梯状.由图可见，抗裂砂浆 由于外墙外保温系统各功能层材料性能差异较 层与涂料饰面层，界面砂浆层与基层墙体以及内饰 大，在冷热温差作用下，墙体材料出现收缩或膨胀， 面层与基层墙体之间均出现应力突变现象，墙体各

程 杰等: 热冷循环下外墙外保温系统耐候性能数值模拟 46. 6 ℃ ; 墙体内表面温度随时间的变化程度最小， 日变化量在 2 ℃ 以内． 升温阶段，墙体内表面温度 为 22. 8 ℃，与室内恒定温度相差 2. 2 ℃ ; 降温阶段， 墙体内表面温度为 22. 3 ℃，与室内恒定温度相差 2. 7 ℃ ． 由此可见，胶粉聚苯颗粒外保温系统墙体内 表面温度与室内温度差距很小，保温隔热效果显著， 能够有力维持室内环境的舒适性及室内温度的稳 定． 而基层墙体所处环境温度变化较小，对建筑墙 体耐久性更为有利． 图 4 为外墙外保温墙体在升温与降温阶段沿厚 度方向( 涂料饰面→内饰面层) 温度变化曲线． 保温 材料处温度变化率比其他材料处大很多，且最大温 差出现在保温材料的内外表面处，说明胶粉聚苯颗 粒保温浆料在保温系统中起到重要的隔热作用． 由 于不同墙体材料热力学性质不同，因此在沿墙体厚 度方向约 10 mm 即保温浆料位置处保温隔热效果产 生显著差异． 图 3 墙体各层温度变化曲线 Fig． 3 Temperature variation curves of each layer in walls 图 4 墙体不同温度阶段沿墙厚方向温度曲线 Fig． 4 Temperature curves at different temperature stages along thickness direction 2. 2 应力场和位移结果分析 由于外墙外保温系统各功能层材料性能差异较 大，在冷热温差作用下，墙体材料出现收缩或膨胀， 从而导致热应力与变形的产生． 对外保温墙体温度 应力进行计算，可以更有针对性地了解墙体内各结 构层热应力的分布状况，以便更好地进行保温墙体 设计，并对其耐候性能及使用寿命进行深入讨论与 研究． 图 5 为胶粉聚苯颗粒外墙外保温墙体在热冷循 环中一个周期内( 24 h) 涂料饰面层、基层墙体与内 饰面层热应力与时间关系图． 数值模拟结果显示， 外保温做法使涂料饰面层的温度变化幅度有所增 大，相应的热应力也随之增大，因此有必要提高涂料 饰面层的力学性能指标． 在现行的标准中只对涂料 饰面层的抗压强度、抗折强度以及压折比提出了要 求，但是压折比指标只能对材料的柔性进行定性的 反映． 建议在标准中考虑增加涂料饰面层的抗拉强 度指标和抗剪强度指标． 图 5 墙体各层应力随时间变化曲线 Fig． 5 Stress curves over time in each layer of walls 如图 5 所示，温度升高，涂料饰面层热应力减 小，温度降低，涂料饰面层热应力增大，温度峰值对 应应力峰值． 热冷循环中，涂料饰面层经受拉压循 环，温度高时，涂料饰面层承受压应力，最大压应力 为 0. 58 MPa; 温度低时，涂料饰面层承受拉应力，最 大拉应力为 0. 46 MPa，因此涂料饰面层应力变化幅 度为 － 0. 58 ～ 0. 46 MPa． 基层墙体温度变化较小， 所以应力变化幅度不大． 初始温度 15 ℃ 时，即使在 降温阶段，全约束时基层墙体表面应力仍为压应力， 因此外保温墙体因温度变化而引发基层开裂的风险 很小． 基层墙体内表面应力变化幅度为 － 3. 06 ～ － 2. 71 MPa． 在整个热冷循环过程中内饰面层始终 承受压应力，因此内饰面层开裂风险较小． 图 6 为外保温墙体在升温与降温阶段沿墙体厚 度方向( 涂料饰面→内饰面层) 热应力变化曲线． 如 图所示，热应力分布呈阶梯状． 由图可见，抗裂砂浆 层与涂料饰面层，界面砂浆层与基层墙体以及内饰 面层与基层墙体之间均出现应力突变现象，墙体各 · 757 ·

·758 工程科学学报，第40卷，第6期 功能层界面处的应力值也相对较大，因此需要对层 线能清楚表示出墙体各层热应力的大小.因为热冷 间的黏结强度进行强化处理，以防发生脱落或界面 循环升温阶段墙体内外温度均高于模拟计算前设置 层开裂破坏的现象，进而使外墙外保温系统力学性 的参考温度15℃，所以墙体各功能层均受到压应 能受到影响 力，最大压应力约为4.17MPa.热冷循环降温阶段， 基层墙体与内饰面层承受压应力，最大压应力约为 。一升温阶段 3.99MPa;保温浆料层之外的功能层承受拉应力，由 ◆降温阶段 于保温浆料弹性模量很小（仅为0.1MPa),因此在 热冷循环过程中保温层应力几乎为零，发生破环的 可能性很小 保温浆料层是墙体发生离鼓或脱落情况的关键 部位.图7(a)为保温浆料层应力分布云图，保温浆 料层受到的应力相对较小.图7(b)为界面砂浆层 50 100 150200 250 应力分布云图，界面砂浆层所受应力较大.由此，墙 x/mm 体保温浆料层破坏主要发生在界面处，因保温浆料 图6墙体不同温度阶段沿墙厚方向应力曲线 层自身强度低而造成破坏的可能性较小.从胶粉聚 Fig.6 Stress curves at different temperature stages along thickness di- 苯颗粒外墙外保温系统整体来讲，保温浆料层受到 rection 的应力相对较小，在界面砂浆处出现应力集中现象，所 如图6所示，沿墙体厚度方向的热应力变化曲 以界面砂浆层断裂是造成保温材料破坏的主要原因. 应力Pa 应力Pa a 1012165 910949 809732 708516 506083 404866 303650 202433 01217 图7应力分布云图.(a保温浆料层：(b)界面砂浆层 Fig.7 Stress distribution contours:(a)insulation slurry:(b)interfacial mortar 外保温墙体热冷循环3个周期后沿厚度方向 能力以承受热冷循环，从而保证外墙外保温系统整 (涂料饰面→内饰面层)位移()如图8所示.沿墙 体的耐候性能.此外，由图可知，墙体不同功能层的 体厚度方向最大位移出现在保温浆料层.这是由于 变形值有所差别，各层位移差异由环境温度变化引 保温浆料力学强度较小，在周期性热冷循环作用下， 起，进而造成层内热应力的不同.相邻功能层之间 保温浆料层温度变化较为显著，易产生热变形.因 的粘结剂或界面剂应能通过自身的形变来消除由温 此保温浆料层应具备抵抗疲劳热应力及温度变形的 差而引起的热应力，从而防止密度与弹性模量相对 0.04 较大的涂料饰面层和抗裂砂浆层从保温浆料上 0.03 脱落 0.02 3结论 0.01 0 (1)外墙外保温系统在热冷循环过程中，涂料 -0.01 饰面层温度变化幅度最大，日温度变化范围为- -0.02 18.1~46.6℃；墙体内饰面层温度随时间的变化幅 -0.03 度最小，日变化量在2℃以内.基层墙体所处环境 0 50 100150200 250 温度变化较小，对建筑墙体耐候性能更为有利.保 x/mm 温材料处温度变化率远大于其他材料，且最大温差 图8墙体热冷循环后沿墙厚方向位移 Fig.8 Displacement along thickness direction after hot-cold cycles 出现在保温材料的内外表面，胶粉聚苯颗粒保温浆

工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 功能层界面处的应力值也相对较大，因此需要对层 间的黏结强度进行强化处理，以防发生脱落或界面 层开裂破坏的现象，进而使外墙外保温系统力学性 能受到影响． 图 6 墙体不同温度阶段沿墙厚方向应力曲线 Fig． 6 Stress curves at different temperature stages along thickness di￾rection 如图 6 所示，沿墙体厚度方向的热应力变化曲 线能清楚表示出墙体各层热应力的大小． 因为热冷 循环升温阶段墙体内外温度均高于模拟计算前设置 的参考温度 15 ℃，所以墙体各功能层均受到压应 力，最大压应力约为 4. 17 MPa． 热冷循环降温阶段， 基层墙体与内饰面层承受压应力，最大压应力约为 3. 99 MPa; 保温浆料层之外的功能层承受拉应力，由 于保温浆料弹性模量很小( 仅为 0. 1 MPa) ，因此在 热冷循环过程中保温层应力几乎为零，发生破环的 可能性很小． 保温浆料层是墙体发生离鼓或脱落情况的关键 部位． 图 7( a) 为保温浆料层应力分布云图，保温浆 料层受到的应力相对较小． 图 7( b) 为界面砂浆层 应力分布云图，界面砂浆层所受应力较大． 由此，墙 体保温浆料层破坏主要发生在界面处，因保温浆料 层自身强度低而造成破坏的可能性较小． 从胶粉聚 苯颗粒外墙外保温系统整体来讲，保温浆料层受到 的应力相对较小，在界面砂浆处出现应力集中现象，所 以界面砂浆层断裂是造成保温材料破坏的主要原因． 图 7 应力分布云图． ( a) 保温浆料层; ( b) 界面砂浆层 Fig． 7 Stress distribution contours: ( a) insulation slurry; ( b) interfacial mortar 图 8 墙体热冷循环后沿墙厚方向位移 Fig． 8 Displacement along thickness direction after hot-cold cycles 外保温墙体热冷循环 3 个周期后沿厚度方向 ( 涂料饰面→内饰面层) 位移( w) 如图 8 所示． 沿墙 体厚度方向最大位移出现在保温浆料层． 这是由于 保温浆料力学强度较小，在周期性热冷循环作用下， 保温浆料层温度变化较为显著，易产生热变形． 因 此保温浆料层应具备抵抗疲劳热应力及温度变形的 能力以承受热冷循环，从而保证外墙外保温系统整 体的耐候性能． 此外，由图可知，墙体不同功能层的 变形值有所差别，各层位移差异由环境温度变化引 起，进而造成层内热应力的不同． 相邻功能层之间 的粘结剂或界面剂应能通过自身的形变来消除由温 差而引起的热应力，从而防止密度与弹性模量相对 较大的涂料饰面层和抗裂砂浆层从保温浆料上 脱落． 3 结论 ( 1) 外墙外保温系统在热冷循环过程中，涂料 饰面层温度变化幅度最大，日温度变化范围为 － 18. 1 ～ 46. 6 ℃ ; 墙体内饰面层温度随时间的变化幅 度最小，日变化量在 2 ℃ 以内． 基层墙体所处环境 温度变化较小，对建筑墙体耐候性能更为有利． 保 温材料处温度变化率远大于其他材料，且最大温差 出现在保温材料的内外表面，胶粉聚苯颗粒保温浆 · 857 ·