空心砌块热量传递主要通过导热、对流换热和热辐射三种方式进行，砌块固体部分通过导热传递热流、空气层内部与砌块内壁面发生对流换热、砌块壁面受热辐射影响。
砌块整体的传热过程是极其复杂的，其中砌块固体部分导热是影响砌块热量传递的主要因素。
根据空心砌块热量传递的特点，在砌块热流密度集中的部位嵌入低导热系数的保温材料，位置选择在热量流经的关键节点处。
如竖肋与横肋相交的位置，能够同时延缓砌块横向和纵向的热量传递，尽可能减小固体内部的热流密度，以降低单位时间的热量流失，从而降低砌块整体的导热系数，并且保温材料位置应不破坏整个砌块的整体性与力学性能。
保温材料选择EPS（模塑聚苯乙烯泡沫塑料）保温材料（λ=0.036[W/(m·K)]），具有导热系数低、不易燃和成本低等优势，同时还具有一定的隔音和隔湿的效果。
空心砌块作为一种墙体材料，不仅要提高其保温性能，同时也要保证结构强度要求，因此，嵌入位置应尽量选择在不破坏整体结构强度的地方，并要考虑嵌入EPS材料带来的砌块结构强度下降的问题。
由于嵌入保温材料，空心砌块能够承压的面积减小，从而导致砌块抗压强度下降。为提高砌块整体的抗压强度，将空腔边角改为圆角，可以减少空腔边角的应力集中现象，从而提高砌块整体的抗压强度，以弥补嵌入EPS材料带来的结构强度下降问题。
综上所述，本文设计了一种新型的空心砌块，砌块主规格为390mm×200mm×180mm，在砌块中间两横肋与竖肋相交处加入4块60mm×10mm的EPS保温材料；根据空心砌块的受力特点，由于内外壁面的横肋比较容易破坏，在内外壁面的两横肋与竖肋相交处加入2块较小规格的60mm×8mmEPS保温材料。
在EPS材料形状选择方面，有学者研究，根据空心砌块的热量传递特点，增大自然对流，减少对流短路可以减少传热量。矩形孔洞最适合选做空心砌块的孔型，圆形孔洞最不适合，因此将EPS材料形状初步定为矩形。为提高砌块整体抗压强度，将嵌入材料边角半径改为5mm或4mm的圆角，具体模型结构图如图1所示。
本文设计的空心砌块大幅提高了空心砌块的保温性能，在嵌入EPS材料后，基本阻断了竖肋处的热桥，充分发挥了EPS材料的性能，大幅降低空心砌块的平均传热系数，并且满足建筑节能对墙体保温性能的要求。根据EPS材料本身的特性，使得空心砌块的隔音和隔潮性能也有所提高。
同时，空心砌块也能满足墙体建筑的结构强度要求。通过将嵌入材料边角改为圆角的方式，提高了砌块整体的抗压强度，弥补嵌入EPS材料带来的结构强度损失，保证了砌块的保温层与结构层为一体，且砌块整体结构简单，实现建筑墙体在不外加保温层的条件下也能满足保温要求，不需要考虑外墙保温层脱落的问题。
综合上述几个方面，对所设计的空心砌块进行传热性能和结构强度数值模拟分析。
空心砌块传热性能模拟为探究空心砌块嵌入EPS材料对空心砌块传热性能的影响，使用ANSYSWorkbench内的建模软件SpaceClaim，分别从嵌入材料位置和材料形状两个影响因素进行分析，并建立五种不同砌块实体模型进行对比研究。砌块规格390mm×200mm×180mm，五种砌块的块型说明见表1。
表1砌块块型说明
使用Fluent有限元软件进行传热模拟分析，Fluent是国际上较为常用的商用CFD软件，在传热模拟计算方面有较高的精度。在Fluent软件中设定材料物理属性，空心砌块各项热物理性能参数见表2。
根据《民用建筑热工设计规范》（GB50176-2016），按照陕西省北部地区冬季室内外的热物理参数设定边界条件，将空心砌块外壁面环境温度设定为T1=264.26K，对流换热系数h1=23W/(m2·K)。
内壁面砌块环境温度为T2=298.16K，对流换热系数为h2=8.7W/(m2·K)。将上下左右四个面设为绝热边界，保证砌块在热量传递方向上为一维传热；忽略砌块之间的传热影响，只分析单个砌块的传热性能；所有材料各向同性且分布均匀；流体域与固体域交界面设置为耦合传热，打开能量方程，压力项的控制采用BodyForceWeighted，动量和能量使用二阶格式，进行三维稳态计算模拟。
表2材料物性
传热系数是衡量自保温空心砌块保温隔热性能的重要参数，在一定的环境温度下，传热系数越低，墙体的散热量越小。本文使用第三类边界条件计算砌块传热系数。
即规定了边界上砌块与周围流体间的表面传热系数及砌块周围流体的温度。根据空心砌块有限元数值模拟的结果，得到砌块内外壁面的平均热流密度和平均温度。根据热平衡定律，进一步通过计算得到空心砌块的传热系数。
模拟计算结果分析通过模拟计算得到砌块内外壁面平均温度和砌块整体的热流量，计算可得砌块平均传热系数。分别对比五种不同的砌块类型，进行模拟计算分析，并绘制温度云图，模拟计算结果见表3。
表3有限元分析计算结果
分析表3数据可以看出：
（1）对比A1和A3砌块，A3较A1砌块平均传热系数下降14.93%，说明空心砌块嵌入EPS材料能明显降低砌块平均传热系数。
（2）对比A2和A3砌块，A3较A2砌块平均传热系数下降7.32%，这说明在保证嵌入EPS材料的数量、尺寸和形状相同的条件下，EPS嵌入位置位于横肋与竖肋相交处更能降低砌块的平均传热系数。
（3）对比A3和A5砌块，A3较A5砌块平均传热系数下降12.99%，这表明相同孔洞率的条件下，在降低砌块平均传热系数方面，嵌入EPS材料的方式要明显优于单独增加空腔尺寸的方式。
（4）对比A3和A4，将EPS材料边角改为圆角会使砌块平均传热系数增高2.06%，说明嵌入材料的边角对于砌块平均传热系数的影响并不明显。
（5）对比A1和A4砌块，嵌入圆角型EPS材料相较于普通砌块平均传热系数降低13.47%。不同的砌块块型温度分布也各不相同，通过模拟计算得到不同砌块块型下的温度分布情况，温度分布云图如图2所示。
从图2可以看出：
对比四种砌块温度分布云图，从高温侧到低温侧，温度变化趋势相同，呈阶梯式分布，但A3砌块低温侧温度明显低于A1砌块，这表明空心砌块嵌入EPS材料对砌块热量传递有一定的阻隔作用；A4砌块低温侧温度略高于A3砌块，二者相差幅度较小。
通过以上数据分析可以得到：
（1）在空心砌块传热路径嵌入EPS材料后，沿砌块厚度方向的温度梯度变化率逐渐降低，砌块平均传热系数随之降低。
（2）在空心砌块不同的位置嵌入EPS材料对砌块平均传热系数影响各不相同，数据表明，在砌块横肋与竖肋相交处嵌入EPS材料更能降低砌块平均传热系数。
（3）将EPS材料边角改为圆角会提高砌块平均传热系数，但提高幅度很低。
空心砌块结构强度模拟分析结构强度分析使用ABAQUS软件模拟，ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，能够分析复杂的结构非线性问题。空心砌块的结构强度是判定其是否符合墙体材料要求的重要指标之一。
由于EPS材料结构强度远低于混凝土的抗压强度，嵌入EPS保温材料必然会导致砌块结构强度的下降，为了探索最优的空心砌块结构形式设计，分别对A1、A3和A4砌块进行结构强度模拟分析，探究嵌入EPS材料以及嵌入材料边角对砌块结构强度的影响。
模型建立及边界条件
混凝土空心砌块采用三维实体单元C3D8R来模拟。混凝土选用塑性损伤（Concretedamagedplasticity）模型，其应力（σ）-应变（ε）关系选用考虑约束效应的单轴受压σ-ε关系。膨胀角取30°，偏心率取0.1，混凝土双轴与单轴的极限抗压强度之比fb0/fc0取1.16，拉伸子午面和压缩子午面上的第二应力不变量之比K取0.6667，黏性参数取0.0005。
模拟结果分析
砌块模型所承受的荷载主要来自上部砌块的重量，依据实际受力情况，为了更加真实地模拟试验过程，在砌块的上下两个面分别放置一块刚性板作为加载工具；固定砌块底部的六个方向自由度，在顶部施加1mm竖向位移荷载，然后进行有限元非线性受力分析，模拟计算结果见表4。
表4模拟计算结果
通过分析表4数据：
（1）对比砌块A1和A3砌块，砌块极限强度从8.356MPa下降到7.689MPa，嵌入矩形EPS材料会使砌块抗压强度下降，比率达7.98%。
（2）对比砌块A3和A4，将砌块空腔边角和材料边角改为圆角可以提高砌块抗压强度达4.02%。
砌块等效应力云图如图3所示。
抗折强度主要取决于底料的情况。
结语复合砂基透水砖成品的强度取决于底层混凝土透水砖的配合比；复合砂基透水砖的耐磨性取决于面层用砂耐磨性能，与粘接剂基本无相关性；复合砂基的透水砖透水性瓶颈在底层，面层的裕量大且范围较宽；复合砂基透水砖与砂基透水砖一样主要的问题是老化问题。
因其粘接剂为有机物，在风吹日晒、夏热冬冷、紫外线等自然环境的作用下，若粘接剂的抗老化性能不佳，极易发生老化发黄的现象，加上粘接剂和混凝土本身的膨胀系数差异，最终可能导致面层与底层的剥离问题。
因此，复合砂基透水砖需要加强对目前主流的环氧树脂有机粘接剂的研究，建立环氧树脂加速老化寿命预测模型，便于对目前砂基透水砖的质量管控。
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