加氣混凝土蒸汽滲透系數(shù)的變物性取值方法

馮馳等

摘要：

通過靜態(tài)稱重法和干濕杯法測得了加氣混凝土在15、25和35 ℃下的等溫吸放濕曲線和蒸汽滲透系數(shù)，討論了蒸汽滲透系數(shù)的變物性取值方法，并與《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB 50176-93）中的取值進行了對比。結(jié)果表明，加氣混凝土的等溫吸放濕曲線和蒸汽滲透系數(shù)在實驗溫度范圍內(nèi)受溫度影響不大。該取值方法能針對吸濕過程，在中等相對濕度（60%～80%）或者整個典型建筑環(huán)境相對濕度（40%～95%）范圍內(nèi)計算得到與規(guī)范規(guī)定值基本相同的平均蒸汽滲透系數(shù)。此外，該方法能推廣到各種多孔材料，針對吸濕或放濕過程，在各相對濕度范圍內(nèi)得到準確的蒸汽滲透系數(shù)。

關(guān)鍵詞：

加氣混凝土，滲透系數(shù)，等溫吸放濕曲線，變物性

理解和控制建筑圍護結(jié)構(gòu)中的濕分傳遞與儲存過程可以幫助人們延長建筑構(gòu)件的使用壽命[12]，減少暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗[34]，緩和室內(nèi)溫濕度的波動[5]，并提高室內(nèi)空氣品質(zhì)[67]。分析建筑圍護結(jié)構(gòu)中濕分傳遞的方法有很多種。長期以來，Glaser提出的穩(wěn)態(tài)蒸汽滲透模型被廣泛用于工程實踐，甚至成為國際標準（EN ISO 13788[8]）。中國的《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB 50176—93）[9]也采用該計算方法。該模型其實源于菲克定律，其表達式為：式中：qv為蒸汽傳遞速率，單位為kg/（m2·s），工程常用單位為g/（m2·h）；μ為蒸汽滲透系數(shù)，單位為kg/（m·s·Pa），工程常用單位為g/（m·h·Pa）；Pv/x為蒸汽傳遞方向上的蒸汽壓力梯度，Pa/m。

馮馳，等：加氣混凝土蒸汽滲透系數(shù)的變物性取值方法

Glaser模型雖然簡單易用，但在很多計算中表現(xiàn)出的精度較差。這主要是由兩方面原因引起的：一方面，Glaser模型是純蒸汽滲透的一維穩(wěn)態(tài)模型，而在實際過程中，濕分的傳遞常常是非一維、非穩(wěn)態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)濕分同時傳遞的。因此，近年同時考慮圍護結(jié)構(gòu)中熱量、空氣和濕分傳遞的多維多相瞬態(tài)模型得到了大量關(guān)注[1013]。另一方面，Glaser模型中涉及的關(guān)鍵物性參數(shù)——蒸汽滲透系數(shù)μ是溫度與材料含濕量的函數(shù)。而在中國規(guī)范中，這一物性參數(shù)卻被取為定值[9]，因而大大影響了計算結(jié)果的準確性。如果能更準確的對蒸汽滲透系數(shù)取值，那么計算的精度必然得到提高。

筆者以加氣混凝土為例，通過實驗測得了其等溫吸放濕曲線和蒸汽滲透系數(shù)，討論了蒸汽滲透系數(shù)的變物性取值方法，并與現(xiàn)有規(guī)范中的取值進行了對比。

1實驗方法

所用加氣混凝土的密度符合B07標準，強度等級為A5.0。進行實驗前，加氣混凝土砌塊已在自然狀態(tài)下放置1 a以上。等溫吸放濕曲線和蒸汽滲透系數(shù)的測試都在華南理工大學(xué)建筑節(jié)能研究中心的人工氣候室內(nèi)完成。2個性質(zhì)的測試都分別在15、25和35 ℃下進行，溫度控制精度為± 0.2 ℃。

1.1等溫吸放濕曲線的測定

等溫吸放濕曲線的測定采用靜態(tài)稱重法，主要參照國際標準ISO 12571[14]進行（圖1）：將加氣混凝土砌塊切割成4 cm×4 cm×2 cm的試件，烘干至恒重后放入內(nèi)部空氣相對濕度不同的干燥器內(nèi)吸濕，每隔一段時間取出各試件分別稱重。待吸濕達到平衡后，將在較高相對濕度下吸濕平衡的試件取出，放入較低相對濕度的干燥器內(nèi)進行放濕直至平衡。干燥器內(nèi)部空氣的相對濕度用8種飽和鹽溶液（LiCl、MgCl2、K2CO3、NaBr、NaCl、KCl、KNO3和K2SO4）控制。

稱重所用的分析天平精度達萬分之一克。在連續(xù)3次稱重（間隔24 h以上）結(jié)果變化不超過0.1%的情況下認為已達到平衡，取3次稱重結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。計算每個試件的平衡含濕量，然后計算同一工況下4個試件的平均值。

1.2蒸汽滲透系數(shù)的測定

蒸汽滲透系數(shù)的測定采用干濕杯法，主要參照國際標準ISO 12572[15]進行（圖2）：將加氣混凝土砌塊切割成直徑12 cm、厚3 cm的圓餅狀試件，用精度為0.01 mm的游標卡尺測量每個試件的尺寸。將試件在一定溫度和相對濕度下預(yù)處理后，封裝在透明玻璃容器的口部。用石蠟和凡士林的混合物密封。容器內(nèi)裝有約200 mL飽和鹽溶液及一定量的未溶解的鹽，液面上方和試件下表面之間有約2～3 cm厚的空氣層。封裝了試件的玻璃容器放入乘有飽和鹽溶液或干燥劑的干燥器內(nèi)。干燥器內(nèi)部裝有小風(fēng)扇，在測試期間一直保持運行，以保證干燥器內(nèi)部空氣的運動。試件兩側(cè)的相對濕度對共有3組，大約為0～40%，40%～80%和80%～95%，具體數(shù)值因測試溫度的不同而略有變化。

用氣壓計記錄整個實驗過程中人工氣候室內(nèi)的氣壓，精確到10 Pa。每個工況下均用3～6個試件進行平行測試。每隔3～4 d對試件及其密封的玻璃容器進行一次稱重，并用直尺測量空氣層厚度。天平精度為0.01 g，直尺精度為1 mm。在重量變化速率穩(wěn)定后，連續(xù)稱量7次。計算試件的蒸汽滲透系數(shù)時，空氣層厚度、氣壓等因素均已修正。整個稱重過程結(jié)束后，從容器口處取出試件，迅速砸碎并用烘干法測量試件中心部分的平衡含濕量。

2實驗結(jié)果

2.1等溫吸放濕曲線

圖3為測得的加氣混凝土試件在各溫度和相對濕度下的平衡含濕量散點圖。其中，不同溫度下的數(shù)據(jù)點未在圖中加以區(qū)分，因為統(tǒng)計檢驗表明，在實驗的溫度范圍內(nèi)溫度對加氣混凝土的等溫吸放濕曲線影響不大。從圖3可以看出，加氣混凝土的毛細滯后效應(yīng)明顯，因此應(yīng)該用吸濕曲線和放濕曲線分別描述吸濕和放濕過程。

2.2蒸汽滲透系數(shù)

圖4為測得的加氣混凝土試件在各溫度和平衡含濕量下的蒸汽滲透系數(shù)散點圖。與圖3類似，不同溫度下的數(shù)據(jù)點也未加以區(qū)分。

3蒸汽滲透系數(shù)的變物性取值方法

3.1取值方法

許多學(xué)者都將蒸汽滲透系數(shù)直接表達為環(huán)境相對濕度的單值函數(shù)[2021]。但事實上，蒸汽滲透系數(shù)應(yīng)該是材料含濕量的單值函數(shù)。對于加氣混凝土這樣有明顯毛細滯后現(xiàn)象的材料而言，即使環(huán)境相對濕度相同，材料的平衡含濕量也可能因為吸放濕過程的不同而存在很大的差異，所以，一個相對濕度其實對應(yīng)了兩個蒸汽滲透系數(shù)。由此可見，將蒸汽滲透系數(shù)表達為相對濕度的單值函數(shù)是不合理的。

然而，環(huán)境相對濕度是一個比材料含濕量更容易獲得且非常常用的參數(shù)。若能將材料的蒸汽滲透系數(shù)表達為相對濕度的函數(shù)，則能大大方便實際應(yīng)用。從上述分析可知，這么做是有一定代價的：即對于有明顯毛細滯后現(xiàn)象的材料而言，應(yīng)該有2個函數(shù)分別針對吸濕和放濕過程，在不同工況下予以采用。將式（1）～（3）合并，并假定環(huán)境相對濕度沒有劇烈變化，材料與環(huán)境的吸放濕過程始終處于（準）動態(tài)平衡，則可以得到加氣混凝土在吸濕和放濕過程中蒸汽滲透系數(shù)與相對濕度的關(guān)系曲線（圖5）。

從圖5可見，吸放濕過程對應(yīng)的蒸汽滲透系數(shù)有明顯差異，而且相對濕度越高，差異越明顯。這主要是因為加氣混凝土的毛細滯后效應(yīng)在較高相對濕度下更為明顯。此外，在相對濕度超過90%后，加氣混凝土的蒸汽滲透系數(shù)隨相對濕度的增加而迅速變大。此時，蒸汽的傳遞已不再是濕傳遞的主要機制，液態(tài)水的遷移起到了更加重要的作用。

3.2與規(guī)范比較

中國《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB 50176—93）中規(guī)定，加氣混凝土的蒸汽滲透系數(shù)取定值，為0.000 099 8 g/（m·h·Pa）（材料密度為700 kg/m3）和0.000 111 0 g/（m·h·Pa）（材料密度為500 kg/m3）[9]。筆者所用加氣混凝土密度接近700 kg/m3，因此與前者比較。選取4個典型的相對濕度工況，用變物性取值法計算該工況下加氣混凝土的蒸汽滲透系數(shù)，然后與規(guī)范比較，結(jié)果見表1。