加氣混凝土濕物理性質(zhì)的測定

馮馳，俞溪，王德玲

(1. 中國建筑科學研究院 北京 100013； 2. 華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室 廣州 510641；3. 清華大學 建筑設(shè)計研究院有限公司 北京 100083； 4. 中國建筑設(shè)計院有限公司 北京 100044)

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加氣混凝土濕物理性質(zhì)的測定

馮馳1, 2，俞溪3，王德玲4

(1. 中國建筑科學研究院 北京 100013； 2. 華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室 廣州 510641；3. 清華大學 建筑設(shè)計研究院有限公司 北京 100083； 4. 中國建筑設(shè)計院有限公司 北京 100044)

摘要：分析建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱濕過程有著重要意義，而材料的物理性質(zhì)是完成分析必不可少的參數(shù)。對中國常用多孔建筑材料而言，其濕物理性質(zhì)并不完備。在20～25 ℃下，依據(jù)ISO和ASTM標準，通過平衡吸放濕實驗、壓力平板實驗、蒸汽滲透實驗、毛細吸水實驗和真空飽和實驗，對中國產(chǎn)B07級加氣混凝土進行了測試，得到了包括等溫吸放濕曲線、保水曲線、蒸汽滲透系數(shù)、液態(tài)水擴散系數(shù)、吸水系數(shù)、毛細飽和含濕量和真空飽和含濕量在內(nèi)的所有濕物理性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：加氣混凝土；水分；儲存函數(shù)；傳遞系數(shù)

建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱濕過程對建筑的耐久、能耗和室內(nèi)環(huán)境有著非常重要的影響[1-3]。在分析建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱濕過程時，目前世界上較為先進的分析方法是將熱量、空氣和濕分(Heat-Air-Moisture，HAM)的儲存與傳遞進行綜合而非孤立的分析。歐美學者對此提出了多種數(shù)學模型，并已開發(fā)出了較為方便易用的軟件，如WUFI?和Delphin?等。

無論采用何種模型來進行HAM分析，材料的物理性質(zhì)都是必不可少的參數(shù)。在HAM分析中涉及到的物理性質(zhì)可以分為3類[4]：基本物理性質(zhì)(如密度、孔隙率等)、熱物理性質(zhì)(如導熱系數(shù)、比熱等)和濕物理性質(zhì)(如蒸汽滲透系數(shù)、等溫吸放濕曲線等)。在20世紀90年代到本世紀初，歐美國家通過IEA Annex 14[5]、IEA Annex 24[6]和ASHRAE 1018RP[7]等大型國際或地區(qū)項目，對大量常用建筑材料進行了測試，建立了包括上述各類物理性質(zhì)的較為全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

中國的常用建筑材料物理性質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫主要由《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》GB 50176[8]和《建筑材料熱物理性能與數(shù)據(jù)手冊》[9]構(gòu)成。其涵蓋范圍主要是基本物理性質(zhì)和熱物理性質(zhì)，而濕物理性質(zhì)只有蒸汽滲透系數(shù)一項，缺失了等溫吸放濕曲線、保水曲線、液態(tài)水擴散系數(shù)、吸水系數(shù)、毛細飽和含濕量和真空飽和含濕量等大量重要的濕物理性質(zhì)。此外，在中國數(shù)據(jù)庫中，蒸汽滲透系數(shù)被設(shè)定為常數(shù)，但事實上其值是材料含濕量的函數(shù)[10]。由此可見，在常用建筑材料的濕物理性質(zhì)方面，中國尚有欠缺，有待進一步完善。

20世紀80年代、90年代，中國就有學者對建筑材料濕傳遞系數(shù)進行了研究[11-13]。后續(xù)又不斷有學者對材料的蒸汽滲透系數(shù)和等溫吸放濕曲線進行實驗研究[14-17]。這些成果為中國基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的完善增磚添瓦，但仍存在三方面的問題：一是測試的方法不夠統(tǒng)一;二是測試材料的種類和數(shù)量仍相當有限;三是對針對每種材料測試的物理性質(zhì)不全面。就測試方法而言，可通過重復性實驗[18]和再現(xiàn)性實驗[19]進行研究，并制定標準加以統(tǒng)一。就材料的種類和數(shù)量而言，需要不斷積累，無法一蹴而就。對于第3個問題，則要求對同一批次的材料一次性測試完其所有濕物理性質(zhì)，以保證各性質(zhì)之間的融合性。近年來，中國已有學者開始全面、系統(tǒng)地研究各種濕物理性質(zhì)的測試方法[4]。

本文以一種加氣混凝土為例，參照國際標準和歐美國家的經(jīng)驗，首次測試了中國產(chǎn)建筑材料的全部濕物理性質(zhì)。其方法和結(jié)果將為完善中國常用建筑材料物理性質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫奠定重要基礎(chǔ)。

1材料與方法

所用材料為加氣混凝土。根據(jù)GB 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》標準，其密度為B07級，強度為A5.0級。測試溫度為20～25 ℃，具體溫度因各實驗而異，波動不超過1 ℃。

試件干重的確定方法參考ISO 12570[20]標準。在70 ℃的電熱鼓風干燥箱中將試件加熱1周后用電子天平稱量。每次稱量完成后，將試件放回干燥箱，待2～3 d后再次稱量。當連續(xù)3次稱量結(jié)果的相對波動不超過0.1%時，取3次的平均值作為干重。

使用數(shù)顯游標卡尺測量試件尺寸，讀數(shù)精確至0.01 mm。每個方向上至少測量2次后取平均值。

各實驗的基本信息如表1所示。具體的實驗原理和方法可參考相關(guān)標準和作者之前的研究[4, 18]。下面簡單介紹各實驗的步驟。

表1　濕物理性質(zhì)測試的基本信息

1.1平衡吸放濕實驗

將8種飽和鹽溶液置于8個干燥器中，以營造干燥器內(nèi)穩(wěn)定的相對濕度環(huán)境。具體的鹽溶液和對應的環(huán)境相對濕度見表2。將烘干的試件放入干燥器中進行吸濕實驗，每個干燥器中各有4個試件。待試件吸濕達到平衡后，稱量得到各自的濕重。再將試件放入較低相對濕度下的干燥器進行放濕實驗，獲得平衡時的濕重。

根據(jù)試件的干重和濕重，計算得到在吸濕和放濕過程中，各相對濕度下的質(zhì)量比含濕量u(kg·kg-1)。再分別對吸濕過程和放濕過程的數(shù)據(jù)進行擬合，得到等溫吸濕曲線和等溫放濕曲線。

表2　平衡吸放濕實驗使用的飽和鹽溶液及對應的環(huán)境相對濕度

1.2壓力平板實驗

將浸水24 h的微孔瓷盤置于壓力容器中，瓷盤上覆蓋高嶺土與蒸餾水的混合物(質(zhì)量比1∶1)約2～3 mm。用1層致密綢布覆蓋高嶺土后，將5個毛細飽和(詳見2.4節(jié))的試件平放于綢布上，輕壓試件使其略微陷下。連接好微孔瓷盤的出水口，密封好壓力容器，緩慢向內(nèi)施壓，直到壓力穩(wěn)定在100 kPa。待不再有水從壓力導管中流出后(耗時約1周)，恢復容器內(nèi)的氣壓，迅速取出試件稱重并密封。更換高嶺土和綢布，再將試件放回，進行更高壓力下的測試。重復上述過程，直到完成200、300、500、1 000和1 200 kPa下的測試。

根據(jù)試件的干重和濕重，計算得到不同壓力下的質(zhì)量比含濕量u(kg·kg-1)，再進一步擬合，得到材料的保水曲線。

1.3蒸汽滲透試驗

將試件用蠟密封在碗狀玻璃容器的口處，內(nèi)裝干燥劑或飽和鹽溶液以控制內(nèi)部的相對濕度。再將容器連同試件置于乘有飽和鹽溶液的干燥器內(nèi)，每個干燥器中放置3個容器進行平行測試。具體的工況設(shè)置參見表3。經(jīng)過一段初始時間(約1周)后，每3～4 d將密封容器及試件取出稱重，然后放回干燥器繼續(xù)實驗。當連續(xù)稱重7次后，結(jié)束實驗。迅速從密封容器的口處取出試件，砸碎并測定中央處的質(zhì)量比含濕量u(kg·kg-1)。

根據(jù)試件尺寸、兩側(cè)的相對濕度以及測得的濕流密度，計算得到試件在該工況下的蒸汽滲透系數(shù)δv(g·m-1·h-1·Pa-1)。再根據(jù)試件的含濕量，擬合得到蒸汽滲透系數(shù)隨含濕量變化的函數(shù)。

1.4毛細吸水實驗

在盛水的密封箱內(nèi)安置一個淺水槽，水槽中放入金屬托架后再注入蒸餾水。調(diào)節(jié)注入的水量，使水面高度高于托架上緣約3～5 mm。將干燥試件除底面(8 cm×4 cm的一個面)外的其余各面用不透氣的薄膜包裹，頂部開兩個小孔以平衡氣壓。將包裹好的試件逐一放入托架上，使其通過毛細作用吸水。蓋上密封箱的蓋子，以減弱內(nèi)部的水分蒸發(fā)，方便控制水溫。每隔一段時間，打開密封箱的蓋子，從托架上取出試件，用濕潤的毛巾拭去表面的游離水后稱重，再放回使其繼續(xù)吸濕，直到采集到足夠多的數(shù)據(jù)點。

根據(jù)試件的尺寸、干重及各稱量時刻的濕重，計算得到試件底面毛細吸水的量與時間平方根的關(guān)系，進而求取吸水系數(shù)Aw(kg·m-2·s-0.5)、毛細飽和含濕量wcap(kg·m-3)和液態(tài)水擴散系數(shù)Dl(m2·s-1)。

1.5真空飽和實驗

將試件直立放入真空干燥器中。開啟真空泵，使得干燥器內(nèi)的氣壓小于2kPa。持續(xù)3h以徹底排出空氣。保持真空泵開啟，通過導管往干燥器內(nèi)緩慢注入蒸餾水，直到淹沒試件并高于其上緣5cm。關(guān)閉真空泵，讓試件浸水24h后將其取出，分別在水下和空氣中稱重。

根據(jù)試件的干重及其在水下和空氣中的濕重，計算得到其真空飽和含濕量wvac(kg·m-3)。

2結(jié)果與討論

2.1平衡吸放濕實驗

平衡吸放濕實驗所得結(jié)果如圖1所示。根據(jù)實測結(jié)果擬合得到的等溫吸濕曲線和等溫放濕曲線分別為式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中:u為質(zhì)量比平衡含濕量，kg·kg-1；φ為相對濕度。

需要指出的是，等溫吸放濕曲線在理論上應該過原點。式(1)和式(2)雖不嚴格符合，但當φ=0時，u已為10-44數(shù)量級，可以忽略不計。

圖1　加氣混凝土的等溫吸放濕曲線Fig.1　The sorption isotherms of autoclaved aerated

2.2壓力平板實驗

壓力平板實驗所得結(jié)果如圖2所示。根據(jù)實測結(jié)果擬合得到的保水曲線可用式(3)表示：

u=0.091 8·exp(-p/37.669)+

0.479-0.23p(R2=0.94)

(3)

式中:u為質(zhì)量比平衡含濕量，kg·kg-1；p為壓力，kPa。

圖2　加氣混凝土的保水曲線Fig.2　The water retention curve of autoclaved aerated

2.3蒸汽滲透試驗

蒸汽滲透實驗所得結(jié)果如圖3所示。根據(jù)實測結(jié)果擬合得到的蒸汽滲透系數(shù)隨含濕量變化的曲線可用式(4)表示。

(4)

式中:δv為蒸汽滲透系數(shù)，g·m-1h-1Pa-1；u為質(zhì)量比含濕量，kg·kg-1。

圖3　加氣混凝土的蒸汽滲透系數(shù)Fig.3　The vapor permeability of autoclaved aerated

2.4毛細吸水實驗

毛細吸水實驗的結(jié)果如圖4所示。對第1階段(快速吸水階段)的數(shù)據(jù)進行線性擬合，所得直線的斜率即為吸水系數(shù)Aw，其平均值為0.086kg·m-2·s-0.5，標準差為0.009kg·m-2·s-0.5。再對第2階段(緩慢吸水階段)的數(shù)據(jù)進行線性擬合，該直線與第1階段擬合直線的交點所對應的含濕量即為毛細飽和含濕量wcap，其平均值為335.7 kg·m-3，標準差為5.5 kg·m-3。

就目前的技術(shù)水平而言，材料的液態(tài)水擴散系數(shù)需通過NMR圖譜[29-30]、X射線衍射圖譜[31-32]和伽馬射線衰減圖譜[33-34]等非破壞性手段才能準確測得。受實驗條件限制，本文未能進行上述實驗。但根據(jù)毛細吸水實驗的結(jié)果，材料的液態(tài)水擴散系數(shù)可以用Künzel[35]提出的方法加以估算。代入本文實測數(shù)據(jù)后，可得

(5)

式中:Dl為液態(tài)水擴散系數(shù)，m2·s-1；w為質(zhì)量體積比含濕量，kg·m-3。

圖4　加氣混凝土毛細吸水實驗的結(jié)果示意圖Fig.4　Results of capillary absorption tests on autoclaved aerated

2.5真空飽和實驗

在真空飽和實驗中，試件在空氣中稱得的濕重與干重之差即為水分質(zhì)量；而試件在空氣中和水中稱得的濕重之差即為試件所受浮力，進而可知試件體積。用試件中的水分質(zhì)量除以體積，即為真空飽和含濕量wvac，結(jié)果平均值為732.1kg·m-3，標準差為1.8kg·m-3。

需要指出的是，通過真空飽和實驗，還可獲得(開孔)孔隙率Φ、表觀密度ρbulk及骨架密度ρmatrix。用真空飽和含濕量除以水的密度，即為孔隙率，平均值為73.4%，標準差為0.2%。表觀密度可用試件的干重除以試件體積得到，平均值為687.0kg·m-3，標準差為4.0kg·m-3。骨架密度可用表觀密度除以孔隙率得到，平均值為2 583.4kg·m-3，標準差為7.3kg·m-3。孔隙率、表觀密度及骨架密度雖不屬于材料的濕物理性質(zhì)，但也是重要的基本參數(shù)，因此一并涵蓋到本文中。

3結(jié)論

在20～25 ℃下，首次通過平衡吸放濕實驗、壓力平板實驗、蒸汽滲透實驗、毛細吸水實驗和真空飽和實驗，測試了中國產(chǎn)B07級加氣混凝土的所有濕物理性質(zhì)。

1)該加氣混凝土的等溫吸濕曲線和等溫放濕曲線可以分別表達為u=ln[(100φ+1)0.00165/(1-φ)0.0086]+1.66×10-44exp(100φ)和u=ln[(100φ+1)0.0027/(1-φ)0.01117]-4.31×10-44exp(100φ)。

2)保水曲線為u=9.18·exp(-p/37.669)+0.479-0.23p。

3)蒸汽滲透系數(shù)為δv=8.38×10-5+8.82·u3.31。

5)吸水系數(shù)為0.086 kg·m-2s-0.5。

6)毛細飽和含濕量為335.7 kg·m-3，真空飽和含濕量為732.1 kg·m-3。

(致謝：比利時荷語魯汶大學(K.U. Leuven)的Hans Janssen教授、華南理工大學的張宇峰教授和吳晨晨、蔣超碩士對本研究給予了大力支持，在此深表感謝！)

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(編輯王秀玲)

Measurements on the Hygric Properties of Autoclaved Aerated Concrete

Feng Chi1, 2, Yu Xi3, Wang Deling4

(1.China Academy of Building Research, Beijing 100013,P.R.China;2. State Key Laboratory of Subtropical Building Science, South China University of Technology, Guangzhou 510641, P.R.China；3. Architectural Design and Research Institute of Tsinghua University Co. Ltd, Beijing 100083, P.R.China；4. China Architecture Design Group, Beijing 100044, P.R.China)

Abstract:It is important to analyze the hygrothermal processes of building envelopes and the material properties are critical in the analysis. The hygric properties of the commonly used porous building materials in China are insufficient. Measurements on the B07-level autoclaved aerated concrete are carried out at 20～25 ℃ based on ISO and ASTM standards of static gravimetric tests, pressure plate tests, cup tests, capillary absorption tests and vacuum saturation tests. All the hygric properties have been obtained, including sorption isotherms, the water retention curve, the vapor permeability, the liquid diffusivity, the capillary absorption coefficient, as well as the capillary and vacuum saturated moisture content.

Keywords:autoclaved aerated concrete; moisture; storage function; transport coefficient

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.02.017

收稿日期：2015-11-30

基金項目：國家自然科學基金(51508542)；華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室開放課題(2016ZB19)

作者簡介：馮馳(1986-)，男，博士，主要從事建筑環(huán)境與圍護結(jié)構(gòu)熱濕過程研究，(E-mail) fengchi860602@gmail.com。

中圖分類號：TU111.2

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764(2016)02-0125-07

Received:2015-11-30

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No. 51508542); Foundation of State Key Laboratory of Subtropical Building Science, South China University of Technology (No. 2016ZB19)

Author brief：Feng Chi (1986-), PhD, main research interest: hygrothermal process of built environment and building envelope, (E-mail) fengchi860602@gmail.com.