小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕性能研究

宋計(jì)勇 ，劉福勝 ，王宏斌 ，武藝鑫 ，趙井輝

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院，山東 威海 264200）

0 前言

多孔介質(zhì)是指內(nèi)部含有豐富孔隙的固體材料，是多相物質(zhì)共存的組合，對(duì)其中任一相物質(zhì)而言，其它相物質(zhì)都均勻分布在其中，大多建筑材料內(nèi)部都含有大量的空隙，因此大部分建筑材料屬于多孔介質(zhì)。

因多孔建筑材料內(nèi)部含有豐富孔隙，濕空氣可通過(guò)孔隙傳遞遷移，當(dāng)室內(nèi)空氣干燥時(shí)，室內(nèi)相對(duì)濕度或水蒸氣分壓力低于室外相對(duì)濕度或水蒸氣分壓力時(shí)，室外濕空氣可通過(guò)孔隙進(jìn)入室內(nèi)；當(dāng)室內(nèi)潮濕時(shí)，室內(nèi)相對(duì)濕度或水蒸氣分壓力高于室外相對(duì)濕度或水蒸氣分壓力時(shí)，室內(nèi)濕空氣通過(guò)孔隙排出室外，因此多孔建筑材料具有良好的吸放濕性能，對(duì)室內(nèi)空氣濕度具有非常明顯的調(diào)節(jié)作用。

但多孔介質(zhì)墻體內(nèi)有低滲材料或防水材料，濕組分在其遷移過(guò)程中如果遇到氣溫較低（低于露點(diǎn)溫度）時(shí)則冷凝形成液態(tài)，在墻體內(nèi)部駐留。濕組分在多孔建筑材料中的積累將嚴(yán)重降低建筑材料的熱工性能，增加建筑能耗，造成石膏類(lèi)建筑材料變軟、粉化，鐵或鋼材腐蝕，引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻皮脫落，減少建筑材料的使用年限；同時(shí)，建筑材料濕度過(guò)高為霉菌生長(zhǎng)提供了便利條件，其直接影響室內(nèi)空氣質(zhì)量，降低室內(nèi)空氣品質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)造成人們霉菌過(guò)敏，甚至?xí)鸷粑兰膊?，影響人們的健康，因而生霉是多孔介質(zhì)材料濕份積累面臨的又一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題[1-5]。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的小麥秸稈壓縮塊是由粉碎的小麥秸稈、石膏、水按一定比例混合攪拌均勻，經(jīng)TCD-JYC型秸稈壓縮成型機(jī)冷壓成型工藝制作而成，是一種典型的多孔建筑材料，前期研究表明，其在保溫隔熱、耐火、防霉變等方面作用顯著[6-11]，但缺乏對(duì)其吸放濕性能的研究。隨著新型建筑材料的不斷涌現(xiàn)，且從目前國(guó)內(nèi)研究成果來(lái)看，人們對(duì)建筑材料吸濕性能研究還很少，在該方面數(shù)據(jù)及其缺乏，因此研究多孔建筑材料吸放濕性能具有重要意義。

本文通過(guò)物理試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕性能作了深入探討，并利用數(shù)值模擬方法討論了相對(duì)濕度對(duì)小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕性能的影響。

1 小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕試驗(yàn)

1.1 原材料

小麥秸稈：來(lái)自山東省泰安市泰山區(qū)邱家店，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后長(zhǎng)度＜10 mm，后經(jīng)壓制形成小麥秸稈壓縮塊，尺寸為145 mm×125 mm×155 mm。

石膏：常用建筑石膏，主要成分為β型半水石膏，山東省泰安市宏利石膏加工有限公司；細(xì)度（0.2mm方孔篩篩余）10%，初凝時(shí)間≥6 min，終凝時(shí)間≤30 min，抗折強(qiáng)度＞2.5 MPa，抗壓強(qiáng)度＞2.9 MPa。

水：自來(lái)水。

1.2 主要儀器設(shè)備

SM1610B多通道濕度采集儀、SLHT4-3防護(hù)型溫濕度傳感器、臺(tái)式電腦、JA21002電子天平（精度0.01 g）、TCD-JYC型秸稈壓縮成型機(jī)、THP-F-225可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱、101FAB-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱、自稱(chēng)重干燥器等。

1.3 試件制作

將粉碎的小麥秸稈、石膏和水按設(shè)計(jì)配合比在攪拌機(jī)中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，把攪拌均勻的材料裝入TCD-JYC型秸稈壓縮成型機(jī)，經(jīng)壓縮成型工藝，制作出試驗(yàn)所需的小麥秸稈壓縮塊試件。將制作的小麥秸稈壓縮塊試件放入101FAB-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行烘干處理（52℃），每隔24 h稱(chēng)量試件質(zhì)量，當(dāng)連續(xù)3次測(cè)得試件質(zhì)量變化小于0.1%時(shí)可認(rèn)為試件已干燥，并及時(shí)用防水保鮮膜將已烘干試件的四面密封。

1.4 試驗(yàn)方法

在距一側(cè)未密封面1/3和1/2處分別放置防護(hù)型溫濕度傳感器，將試件置于配有足量氯化鉀飽和鹽溶液（溫度20℃時(shí)可保證干燥器內(nèi)相對(duì)濕度為84.3%）的自稱(chēng)重干燥器中，溫濕度傳感器導(dǎo)線(xiàn)從干燥器頂部小孔引出，并密封自稱(chēng)重干燥器。防護(hù)型溫濕度傳感器通過(guò)SM1610B多通道溫濕度采集模塊與外部電腦連接[12]。試驗(yàn)設(shè)備連接見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備連接

開(kāi)啟電腦，運(yùn)行SM1610B多通道溫濕度采集模塊配套軟件，采集第1次數(shù)據(jù)，設(shè)置采集數(shù)據(jù)間隔為1 h。

每隔1 h稱(chēng)量試件質(zhì)量至連續(xù)5次稱(chēng)得質(zhì)量變化小于0.1%時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

2 小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕數(shù)值模擬

采用由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的復(fù)合多孔介質(zhì)墻體熱濕耦合傳遞模擬軟件（HMCT1.0）對(duì)小麥秸稈壓縮塊一維吸濕性能進(jìn)行模擬分析，該軟件可以對(duì)不同室內(nèi)外環(huán)境下的單一多孔介質(zhì)材料及復(fù)合多孔介質(zhì)墻體進(jìn)行熱濕性能分析。模擬計(jì)算時(shí)沿材料邊長(zhǎng)將材料劃分成30個(gè)單元，模擬分析采用的材料內(nèi)外環(huán)境參數(shù)為：外部20℃、相對(duì)濕度84.3%；內(nèi)部52℃、相對(duì)濕度0，小麥秸稈壓縮塊的熱濕物性參數(shù)[12]見(jiàn)表1。

表1 小麥秸稈壓縮塊的熱濕物性參數(shù)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由測(cè)試數(shù)據(jù)繪制相對(duì)濕度-時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 試件測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度-時(shí)間變化曲線(xiàn)

由圖2可見(jiàn)，在小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕試驗(yàn)中，前20 h試件的相對(duì)濕度變化幅度非常大，1/3寬度處測(cè)點(diǎn)測(cè)得相對(duì)濕度接近65%，1/2寬度處測(cè)點(diǎn)測(cè)得相對(duì)濕度接近60%，20 h后試件相對(duì)濕度變化幅度減小。這是由于試驗(yàn)初期試件內(nèi)外相對(duì)濕度差大，濕分傳遞驅(qū)動(dòng)勢(shì)大、傳遞速度快，隨著內(nèi)部相對(duì)濕度的增大，試件內(nèi)外相對(duì)濕度差減小，濕分傳遞驅(qū)動(dòng)勢(shì)減小、傳遞速度也減小。由于在濕分傳遞過(guò)程中存在濕分阻滯現(xiàn)象，造成1/3寬度處測(cè)點(diǎn)比1/2寬度處測(cè)點(diǎn)測(cè)得的相對(duì)濕度略大。

3.2 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)分析

由數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)繪制相對(duì)濕度-時(shí)間變化曲線(xiàn)，如圖3所示。

圖3 模擬數(shù)據(jù)相對(duì)濕度-時(shí)間變化曲線(xiàn)

由圖3可見(jiàn)，在小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕數(shù)值模擬計(jì)算中，前20 h試件相對(duì)濕度變化幅度非常大，小麥秸稈壓縮塊1/3寬度處相對(duì)濕度接近70%，1/2寬度處相對(duì)濕度接近60%，20 h之后小麥秸稈壓縮塊相對(duì)濕度變化幅度減小，造成這種現(xiàn)象的原因與3.1節(jié)相同。

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析

由圖2、圖3對(duì)比可知，試驗(yàn)測(cè)得小麥秸稈壓縮塊試件測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度與采用復(fù)合多孔介質(zhì)墻體熱濕耦合模擬軟件計(jì)算所得相應(yīng)位置處相對(duì)濕度數(shù)據(jù)吻合較好，對(duì)比2種方法數(shù)據(jù)可知，小麥秸稈壓縮塊1/3寬度處在第40 h內(nèi)外相對(duì)濕度達(dá)到平衡，1/2寬度處在第50 h內(nèi)外相對(duì)濕度達(dá)到平衡，通過(guò)數(shù)值模擬得到相對(duì)濕度在前期略大于實(shí)測(cè)的相對(duì)濕度，后期略小于實(shí)測(cè)的相對(duì)濕度。

4 相對(duì)濕度對(duì)小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕性能的影響

采用由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的復(fù)合多孔介質(zhì)墻體熱濕耦合傳遞模擬軟件（HMCT1.0）分析外部不同相對(duì)濕度對(duì)小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕性能的影響，材料為烘干的小麥秸稈壓縮塊，初始溫度50℃，沿材料邊長(zhǎng)將材料劃分成30個(gè)單元。共分5個(gè)外部工況，每個(gè)工況的溫度均為20℃，相對(duì)濕度分別為40%、50%、60%、70%、80%。

圖4為不同外部工況下小麥秸稈壓縮塊1/3寬度處相對(duì)濕度隨時(shí)間變化情況。

圖4 小麥秸稈壓縮塊相對(duì)濕度-時(shí)間變化曲線(xiàn)

從圖4可以看出，隨著外部環(huán)境相對(duì)濕度的增加，小麥秸稈壓縮塊吸濕速度增加，0～20 h小麥秸稈壓縮塊相對(duì)濕度變化速度最快，20～40 h相對(duì)濕度變化速度相對(duì)放緩，40 h后相對(duì)濕度達(dá)到平衡，且不同工況下小麥秸稈壓縮塊相對(duì)濕度達(dá)到平衡的時(shí)間也大致相同。

圖5為不同外部工況下小麥秸稈壓縮塊含濕量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。

圖5 小麥秸稈壓縮塊含濕量-時(shí)間變化曲線(xiàn)

從圖5可以看出，隨著外部相對(duì)濕度的提高，前期小麥秸稈壓縮塊含濕量變化速度越來(lái)越快，后期含濕量變化速度大致相同，且小麥秸稈壓縮塊含濕量達(dá)到平衡的時(shí)間也大致相同，約為第40 h，且隨著外部相對(duì)濕度的提高，平衡含濕量也隨之增大。

圖6～圖10為溫度20℃，相對(duì)濕度分別為40%、50%、60%、70%、80%的5種工況下小麥秸稈壓縮塊各單元含濕量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。

圖6 相對(duì)濕度40%時(shí)試塊各單元含濕量-時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖7 相對(duì)濕度50%時(shí)試塊各單元含濕量-時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖8 相對(duì)濕度60%時(shí)試塊各單元含濕量-時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖9 相對(duì)濕度70%時(shí)試塊各單元含濕量-時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖10 相對(duì)濕度80%時(shí)試塊各單元含濕量-時(shí)間變化曲線(xiàn)

從圖6～圖10可以看出，在5種工況下，各單元在前20 h含濕量變化幅度大，20～40 h含濕量變化幅度減小，40 h后各單元含濕量基本達(dá)到平衡。

圖11為小麥秸稈壓縮塊及其單元一維等溫吸濕曲線(xiàn)。

圖11 小麥秸稈壓縮塊及其單元一維等溫吸濕曲線(xiàn)

從圖11可以看出，隨著外部相對(duì)濕度的提高，小麥秸稈壓縮塊及其單元的平衡含濕量越高，且外部相對(duì)濕度越高，其平衡含濕量增長(zhǎng)越快，表明小麥秸稈壓縮塊在外部高濕環(huán)境下吸濕能力更強(qiáng)，對(duì)于調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度效果更加明顯。

5 結(jié)論

（1）小麥秸稈壓縮塊在前20 h相對(duì)濕度和含濕量變化速度最快，20～40 h相對(duì)濕度和含濕量變化速度放緩，小麥秸稈壓縮塊1/3寬度處在第40 h內(nèi)外相對(duì)濕度和含濕量基本達(dá)到平衡，1/2寬度處在第50 h內(nèi)外相對(duì)濕度和含濕量基本達(dá)到平衡。

（2）隨著外部相對(duì)濕度的提高，小麥秸稈壓縮塊及劃分的單元在各個(gè)階段相對(duì)濕度變化速度及吸濕速度隨之提高。

（3）小麥秸稈壓縮塊在高濕環(huán)境下吸濕能力更強(qiáng)，對(duì)調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度效果更明顯。

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