含濕量對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響分析

王瑩瑩， 馬 超， 劉艷峰， 王登甲， 劉加平

(1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院， 陜西 西安 710055； 2.中建科技集團(tuán)有限公司， 北京 100070)

混凝土是典型的多孔材料，在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛.導(dǎo)熱系數(shù)是表示多孔材料傳熱性能的最重要參數(shù)之一.多孔材料含濕后其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)發(fā)生改變這一特點(diǎn)已為學(xué)界公認(rèn)[1-3].因此，掌握含濕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)是準(zhǔn)確計(jì)算混凝土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱傳質(zhì)性能和能耗的前提.但目前無論在冷熱負(fù)荷計(jì)算軟件還是相關(guān)規(guī)范規(guī)定的計(jì)算方法中，建筑對(duì)象一旦確定，往往近似認(rèn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料物性恒定，忽略其中濕分變化對(duì)材料熱工參數(shù)的影響，從而造成計(jì)算誤差[4-5].因此，若對(duì)含濕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行修正，需要研究各種常見混凝土含濕量與導(dǎo)熱系數(shù)的定量變化關(guān)系.

事實(shí)上，多孔材料導(dǎo)熱系數(shù)是通過將材料中多種傳熱作用折合為導(dǎo)熱問題而得到的有效導(dǎo)熱系數(shù).因此，含濕材料導(dǎo)熱系數(shù)與材料含濕量及內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系[6].王補(bǔ)宣等[7]通過實(shí)測(cè)分析了含濕量和濕遷移對(duì)建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，給出了考慮濕遷移當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式.Shin等[8]和Suchorab等[9]分別通過試驗(yàn)分析了含濕量對(duì)普通混凝土和加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，并采用線性擬合描述材料導(dǎo)熱系數(shù)與含濕量的定量關(guān)系，但在他們的研究中，含濕量變化范圍相對(duì)較小，很難準(zhǔn)確反映變化范圍較大的含濕量對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響.Jerman等[10]通過試驗(yàn)分析了含濕量對(duì)幾種常見保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，并利用二次函數(shù)來擬合EPS和輕質(zhì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與含濕量的關(guān)系.Taoukil等[11]通過試驗(yàn)分析了含濕量對(duì)木屑-混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在高含濕量范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)增加較快，并利用指數(shù)函數(shù)描述了木屑-混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與體積含濕量之間的關(guān)系.

對(duì)于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與含濕量的定量變化關(guān)系，當(dāng)前研究較少分析孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)含濕材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，且缺少統(tǒng)一且行之有效的定量描述.材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，尤其是孔徑分布和孔隙率對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)具有重要影響[12].本文選擇不同孔隙結(jié)構(gòu)的常見混凝土作為研究對(duì)象，利用掃描電子顯微鏡和壓汞儀對(duì)混凝土孔徑分布和孔隙率進(jìn)行分析；利用平板導(dǎo)熱儀測(cè)試分析含濕量對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，進(jìn)而給出混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與含濕量的定量關(guān)系，以期為混凝土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱傳濕的準(zhǔn)確計(jì)算提供基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

為掌握混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和含濕量的定量關(guān)系，考慮到孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，選擇常見不同孔隙率和孔徑分布的普通混凝土、加氣混凝土及泡沫混凝土作為研究對(duì)象.同時(shí)，為了對(duì)比不同孔隙率對(duì)含濕材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，3種混凝土分別選擇2種孔隙率(用A，B表示).試件尺寸根據(jù)試驗(yàn)儀器要求，長(zhǎng)、寬、厚分別為300，300和30mm.

1.2 試驗(yàn)儀器

采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院研發(fā)的TPMBE-300平板導(dǎo)熱儀測(cè)試含濕混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，平板導(dǎo)熱儀的測(cè)量范圍為0.02～1.60W/(m·K)，精度為±3%，采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)試[13]；加氣混凝土和泡沫混凝土因孔隙尺寸較大，其孔徑采用JSM-6510LV掃描電鏡(SEM)觀測(cè)，掃描電鏡分辨率為4nm，放大倍數(shù)為5～3×105；普通混凝土孔徑采用PoreMaster GT60壓汞儀(MIP)測(cè)試，其測(cè)量范圍為3×10-3～1.08×103μm，精度為±0.11%.

1.3 試驗(yàn)過程

利用掃描電鏡對(duì)加氣混凝土和泡沫混凝土試樣進(jìn)行掃描獲得其SEM圖片，并利用圖像分析軟件對(duì)SEM圖片進(jìn)行黑白二元處理，得到混凝土的面積孔隙率和孔隙面積孔徑分布，來近似替代材料孔隙率和孔徑分布[14].普通混凝土孔隙率和孔徑分布可通過壓汞儀直接測(cè)得.

含濕混凝土試件導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，試件兩個(gè)表面存在溫差，會(huì)引起水分的遷移和重新分布.為了防止試驗(yàn)過程中含濕試件中的水分向空氣中擴(kuò)散，采用不透水塑料薄膜包裹試件.平板導(dǎo)熱儀熱板和冷板溫度分別設(shè)定為35℃和15℃，忽略冷熱板和試件兩側(cè)表面溫差時(shí)，試件平均溫度約為25℃.含濕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)取3次測(cè)試的平均值.其測(cè)試過程主要為：

(1)將加工好的試件置于烘箱中，在150℃左右的工作溫度下烘烤，直至試件質(zhì)量基本不變.將干燥試件置于密封塑料袋中冷卻至常溫，利用平板導(dǎo)熱儀分別測(cè)試包裹和不包裹塑料薄膜干燥試件的導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)計(jì)算由于包裹塑料薄膜引起的附加熱阻.

(2)將干燥試件置于水中浸泡48h，之后每隔24h 取出試件稱重，當(dāng)前后兩次含濕試件質(zhì)量之差小于后次測(cè)試質(zhì)量的0.5%左右時(shí)，試件浸水過程結(jié)束.

(3)利用平板導(dǎo)熱儀測(cè)試包裹塑料薄膜含濕試件的導(dǎo)熱系數(shù).根據(jù)不同混凝土試件浸泡后含水量的不同，將浸泡后試件置于烘箱中分別烘至不同含水狀態(tài)，使每種混凝土試件具有10個(gè)以上含水狀態(tài)點(diǎn)，且相鄰狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)含濕量相差不大，測(cè)定不同含濕量下各試件的導(dǎo)熱系數(shù).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土孔徑分布和孔隙率

3種混凝土試件的孔徑(D)分布和孔隙率分別見圖1和表1.由圖1可知：普通混凝土內(nèi)部孔徑非常小，主要分布在0.01～10.00μm范圍內(nèi)，其大部分孔隙為微觀孔；加氣混凝土和泡沫混凝土內(nèi)部孔隙主要為宏觀孔，尤其是泡沫混凝土孔徑較大，主要分布在1000～10000μm范圍內(nèi).

2.2 混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨含濕量的變化

使用平板導(dǎo)熱儀測(cè)試時(shí)，采用不透水塑料薄膜包裹試件可避免其中的水分向空氣中遷移，但仍會(huì)引起試件中水分的重新分布.試件中水分的分布很難確定，且試件較薄，因此忽略試件水分分布不均勻?qū)?dǎo)熱系數(shù)的影響.

圖1 混凝土孔徑分布Fig.1 Pore size distribution of concretes

ItemNormal concreteAerated concreteFoam concreteABABABDensity/(kg·m-3)2179.242115.16728.48597.75220.78196.79Porosity0.13360.16090.50750.58100.71240.7739

建筑材料內(nèi)部的濕組分主要以水蒸氣和液態(tài)水的形式存在.根據(jù)擴(kuò)散、毛細(xì)吸附、蒸發(fā)-凝結(jié)3種過程機(jī)理，濕組分的存在形式不同，對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響亦會(huì)發(fā)生變化，并且在不同含濕量范圍內(nèi)材料導(dǎo)熱系數(shù)變化幅度也不同.

圖2表示了混凝土體積含濕量對(duì)含濕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)(λm)與干燥混凝土導(dǎo)熱系數(shù)(λd)之比的影響.由圖2可知，含濕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨著體積含濕量的增大而增大，且混凝土類型不同，其導(dǎo)熱系數(shù)增加幅度不同.在低含濕量情況下，材料內(nèi)部的濕組分主要以水蒸氣分子和毛細(xì)吸附形式附著在固體骨架表面，水蒸氣擴(kuò)散受材料固體骨架壁面吸濕的牽制較少，主要取決于含濕量的多少[7]，吸附水分導(dǎo)熱作用較強(qiáng)，有利于水分與骨架之間傳熱，因此導(dǎo)致混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨含濕量的增加而迅速增大.當(dāng)體積含濕量從0%增至10%時(shí)，泡沫混凝土和加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)可分別增加200%和100%左右，而普通混凝土僅增加了15%左右.主要原因是泡沫混凝土和加氣混凝土孔隙率較大，當(dāng)混凝土內(nèi)部大量高導(dǎo)熱系數(shù)的水蒸氣替代了導(dǎo)熱系數(shù)較小的空氣時(shí)，對(duì)混凝土的傳熱有明顯增加作用；而普通混凝土孔隙率較小，其孔隙主要為微觀孔，固體骨架對(duì)吸附水作用力較強(qiáng)，因此含濕量對(duì)普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)影響相對(duì)較小.由此可見，混凝土孔隙率越大，含濕量對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)影響越明顯.

圖2 體積含濕量對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.2 Influence of volumetric moisture content on thermal conductivity of concretes

在高含濕量情況下，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨含濕量增加而增加的幅度變小，且混凝土孔隙率和孔徑越大時(shí)，此變化趨勢(shì)越明顯.原因是含濕量增加到一定程度后，混凝土內(nèi)部會(huì)逐漸出現(xiàn)凝結(jié)水，這些凝結(jié)水在骨架之間連接成液橋，增強(qiáng)了液橋兩側(cè)骨料之間的傳熱[15]，且固體骨架壁面尚未處于濕飽和狀態(tài)，導(dǎo)致壁面的吸濕效應(yīng)顯著，材料導(dǎo)熱系數(shù)隨含濕量增加的速度減緩.隨著含濕量的進(jìn)一步增加，液態(tài)水毛細(xì)回流增強(qiáng)，將導(dǎo)致材料導(dǎo)熱系數(shù)的增幅更小.如體積含濕量從10%增至30%時(shí)，A,B兩種孔隙率的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)分別增加了70%和40%左右；A,B兩種孔隙率的加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)分別增加了38%和55%左右.加氣混凝土和泡沫混凝土內(nèi)部骨架之間孔隙率和孔徑較大，其內(nèi)部主要為宏觀孔，骨架連接處固體材料占比較小，液橋的影響作用較為明顯.當(dāng)含濕量進(jìn)一步增加時(shí)，材料內(nèi)部微小孔隙飽和，較大孔隙的壁面濕潤(rùn)(液態(tài)水與水蒸氣混合占據(jù)混凝土內(nèi)部孔隙)，骨架、液體和氣體之間存在一定傳熱熱阻，并且液態(tài)水毛細(xì)回流已增強(qiáng)到使總濕遷移熱效應(yīng)減弱到忽略不計(jì)的程度，從而使水分增加傳熱的作用減弱.

2.3 含濕量與混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的定量關(guān)系

經(jīng)驗(yàn)公式(1)常用于表示含濕建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)量含濕量的定量關(guān)系[8-9]：

λm=λd+a0u

(1)

式中：λm為含濕材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；λd為干燥材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；u為材料質(zhì)量含濕量，kg/kg；a0為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，W/(m·K).

根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)[10,16]，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與質(zhì)量含濕量近似成冪函數(shù)關(guān)系.一般情況下，建筑材料內(nèi)含濕量變化較小，可采用式(1)計(jì)算含濕材料導(dǎo)熱系數(shù).當(dāng)含濕量變化較大時(shí)(如新建建筑)，采用線性擬合關(guān)系式計(jì)算含濕材料導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)出現(xiàn)較大誤差，此時(shí)需對(duì)式(1)進(jìn)行修正.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用式(2)對(duì)含濕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)量含濕量進(jìn)行擬合分析，結(jié)果見圖3，圖中縱坐標(biāo)均采用含濕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與干燥混凝土導(dǎo)熱系數(shù)之差(λs).

λm=λd+aub

(2)

式中：a為擬合常數(shù)，W/(m·K)；b為擬合指數(shù).

圖3 含濕量對(duì)3種混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.3 Influence of moisture content on thermal conductivity of three types of concretes

根據(jù)式(2)對(duì)含濕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與質(zhì)量含濕量進(jìn)行擬合分析，得到擬合常數(shù)和擬合指數(shù)如表2所示.由表2可知，式(2)中的指數(shù)b主要在0.6～0.8范圍內(nèi)，擬合常數(shù)a隨著孔隙率的增大而減小，且相關(guān)系數(shù)較高.若采用式(1)對(duì)含濕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與質(zhì)量含濕量進(jìn)行擬合，則相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.952，0.911，0.965，0.980，0.914和0.940，其擬合相關(guān)性均低于冪函數(shù)擬合結(jié)果.可見采用冪函數(shù)來擬合含濕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)量含濕量，可更準(zhǔn)確地反映兩者之間的定量關(guān)系.

表2 含濕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算式中的擬合值

3 結(jié)論

(1)含濕混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨含濕量的增大而增大.混凝土孔隙率越大，含濕量對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)影響越明顯，體積含濕量從0%增至10%時(shí)，泡沫混凝土和加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)可分別增加200%和100%左右，而普通混凝土僅增加了15%左右.

(2)在低含濕量范圍內(nèi)，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨含濕量增加而增加的幅度較大；在高含濕量范圍，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)增加幅度變小，且混凝土孔隙率和孔徑越大時(shí)，此變化趨勢(shì)越明顯.如孔隙率為0.7124的泡沫混凝土，當(dāng)體積含濕量從0%增加到10%時(shí)其導(dǎo)熱系數(shù)增加了200%左右，而體積含濕量從10%增加到30%時(shí)其導(dǎo)熱系數(shù)增加了70%左右.

(3)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與質(zhì)量含濕量近似成冪函數(shù)關(guān)系，同時(shí)給出了混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與質(zhì)量含濕量的定量關(guān)系.