復(fù)合調(diào)濕砂漿調(diào)濕與霉菌抑制性能的評(píng)價(jià)方法

謝華慧 龔光彩 吳懿 劉永超 王穎娟

摘 要：為制取一種室內(nèi)被動(dòng)式濕度控制材料，選用海泡石、木質(zhì)纖維、膨脹珍珠巖、硅藻泥為骨料，調(diào)制一種新型復(fù)合調(diào)濕砂漿.以不同配比復(fù)合調(diào)濕砂漿為對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)篩選出綜合性能最優(yōu)的配比，并將最優(yōu)配比的復(fù)合調(diào)濕砂漿應(yīng)用到室內(nèi)墻體以進(jìn)行性能測(cè)試.以長(zhǎng)沙地區(qū)某宿舍樓的兩個(gè)房間為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其中一個(gè)房間的墻內(nèi)表面材料為復(fù)合調(diào)濕砂漿，另一房間的墻內(nèi)表面材料為普通水泥砂漿，分別測(cè)試一月和四月的室內(nèi)溫濕度分布，分析復(fù)合調(diào)濕砂漿對(duì)房間溫濕度分布的影響.同時(shí)以實(shí)際濕緩沖性能來(lái)評(píng)價(jià)該復(fù)合調(diào)濕砂漿的調(diào)濕性能，并對(duì)比評(píng)估兩個(gè)房間的霉菌生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn).一月和四月的研究結(jié)果表明，抹有新型調(diào)濕砂漿的內(nèi)墻具有較佳的濕度控制能力，比抹有普通砂漿的房間相對(duì)濕度低6% ～ 14.3%，含濕量低0.3 ～ 3.1 g/kg·干空氣.在一月份，普通砂漿比復(fù)合調(diào)濕砂漿霉菌滋生風(fēng)險(xiǎn)高四倍；四月回南天季節(jié)，復(fù)合調(diào)濕砂漿288 h監(jiān)測(cè)中僅6.5 h出現(xiàn)霉菌滋生風(fēng)險(xiǎn)，且明顯低于普通房間，是一種有效且低成本的新型調(diào)濕環(huán)保材料.

關(guān)鍵詞：調(diào)濕材料；微觀結(jié)構(gòu)；實(shí)際濕緩沖性能；霉菌抑制；評(píng)估方法

中圖分類號(hào)：TB383.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674—2974（2018）07—0141—09

Abstract： This paper proposed a passive composite hygroscopic material to control indoor humidity based on field experiment. A series of aggregates including wood fibre， sepiolite， expanded perlite and diatom ooze were mixed at different ratios to make an optimal composite hygroscopic material for further experiment. Two testing rooms，which were attached with conventional cement mortar（Room 1） and composite hygroscopic material（Room 2），respectively，were built to conduct comparison experiments（mainly testing temperature and humidity） in January and April in 2017 in Changsha， Hunan. The hygroscopic performances were evaluated by the practical Moisture Buffer Value，and performances of indoor environment mold inhibition of two rooms were also analyzed. The results showed that in the two tested seasons，Room 2 outperformed in hygroscopicity than Room 1， where the relative humidity was lower by 6%-14.3% and moisture content was lower by 0.3-3.1g/kg·a. In the cold January， the risk of mold growth in Room 1 was about 4 times higher than that in Room 2，while in humid April，the risk rate of mold growth in Room 2 was only about 2%（6.5 h in monitored 288 h），which was obviously lower than that in Room 1. The newly studied composite hygroscopic material was found to be efficient and practical in controlling indoor humidity.

Key words： hygroscopic materials；microstructure；practical moisture buffer value；mold inhibition；evaluation method

空氣相對(duì)濕度是與人們生活、生產(chǎn)密切相關(guān)的重要環(huán)境參數(shù)之一[1].室內(nèi)濕度過(guò)低或過(guò)高，會(huì)引起室內(nèi)人員不適，給流行性感冒病毒、細(xì)菌、塵螨等微生物提供了較佳的生長(zhǎng)環(huán)境，間接引起居住者呼吸道疾病、過(guò)敏、疲勞、頭痛等健康問(wèn)題[2].濕度過(guò)高引起建筑濕積累，會(huì)增加建筑能耗[3-4]，造成建筑材料的腐朽和破壞[5]，破壞建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能，影響建筑使用壽命[6].

目前調(diào)濕材料以原材料吸濕性能和熱濕耦合研究為主.姜洪義等[7]對(duì)沸石和硅藻土的孔徑分布、比表面積以及吸放濕性能進(jìn)行了研究，結(jié)合其吸/放濕曲線分析微觀形貌與材料調(diào)濕性能差異的關(guān)系.郭興國(guó)等[8]以空氣含濕量和溫度為驅(qū)動(dòng)勢(shì)建立多層墻體的瞬態(tài)熱濕耦合傳遞方程.陳友明等[9]對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕耦合傳遞特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析.劉向偉等[10]建立了多孔介質(zhì)墻體熱濕與空氣耦合傳遞非穩(wěn)態(tài)模型.Nambiar等[11]對(duì)泡沫混凝土吸濕特性與組成成分和孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了分析.Ng等[12]研究了無(wú)機(jī)納米吸附劑的孔隙結(jié)構(gòu)特性與吸水性能之間關(guān)系.2004年，歐盟HAMSTAD項(xiàng)目[13]研究了導(dǎo)熱系數(shù)、平衡含濕率、水蒸氣滲透系數(shù)、吸水系數(shù)、濕擴(kuò)散率和氣流特性等濕熱性能測(cè)試方法.2004～2005年，NORDTEST項(xiàng)目[14]明確了調(diào)濕材料的定義、性能和測(cè)試方法，提出以緩沖值MBV（moisture buffering value）定義調(diào)濕材料的調(diào)濕性能，并將緩沖值分級(jí).劉奕彪等[15]對(duì)多種多孔原材料進(jìn)行了濕緩沖測(cè)試.楊駿[16]采用實(shí)驗(yàn)和模擬分析了新型相變蓄能與硅藻泥混合材料對(duì)建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響.

本文針對(duì)我國(guó)南方地區(qū)冬季濕冷和春季回南氣候特點(diǎn)，探討選取多種節(jié)能環(huán)保的吸濕材料，通過(guò)一系列試驗(yàn)，制取一種能調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的復(fù)合調(diào)濕砂漿，減少高濕環(huán)境對(duì)人體和墻體影響，以提高室內(nèi)空氣品質(zhì).

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

新型復(fù)合調(diào)濕砂漿實(shí)驗(yàn)示范房位于湖南省長(zhǎng)沙市寧鄉(xiāng)縣（見圖1）某公司宿舍樓五層，選用兩個(gè)面積大小和戶型一致的房間，朝向均為北向.房間1墻體內(nèi)表面為普通砂漿抹面，房間2墻體內(nèi)表面為復(fù)合調(diào)濕砂漿抹面，測(cè)試房間建筑尺寸為3.0 m（長(zhǎng)） × 3.6 m（寬） × 3.2 m（高），內(nèi)墻復(fù)合調(diào)濕砂漿面積為40.8 m2，測(cè)試房間墻體構(gòu)造形式見表2.

2.1.1 原材料

木質(zhì)纖維、海泡石、膨脹珍珠巖都具有價(jià)格便宜、無(wú)毒、安全、環(huán)保等特點(diǎn)[17]，作為保溫骨料，具有很好的吸附性能，性能參數(shù)見表3.本文選用木質(zhì)纖維、120目海泡石、膨脹珍珠巖、硅藻泥、聚丙烯纖維、可再分散乳膠粉、42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，按不同配比制取試塊.

2.1.2 試驗(yàn)配合比

實(shí)驗(yàn)配比如表4所示，A組為基準(zhǔn)材料，木質(zhì)纖維、120目海泡石 、膨脹珍珠巖按體積1 ∶ 2 ∶ 4比例混合；B組硅藻泥替代（按質(zhì)量比）50%水泥，聚丙烯纖維摻入量分別為A組含量（按質(zhì)量計(jì)）的10%、30%、70%；C組中木質(zhì)纖維、120目海泡石、膨脹珍珠巖按體積比例1 ∶ 1 ∶ 4混合，硅藻泥替代（按質(zhì)量比）50%海泡石.由于保溫骨料質(zhì)量不均勻，實(shí)驗(yàn)的用水量，會(huì)有小幅度的波動(dòng)，視實(shí)際情況而定.

2.1.3復(fù)合調(diào)濕砂漿的制備

為保證骨料、增強(qiáng)纖維、改性組分及膠凝組分充分均勻攪拌，且不影響骨料破損，采用多級(jí)攪拌方法.進(jìn)行機(jī)械攪拌前，先進(jìn)行人工預(yù)攪拌，使原材料充分均勻混合，然后與水泥一起加入攪拌機(jī)攪拌1 min，再加入適量的水，攪拌3 min.

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 材料的微觀形貌

選用美國(guó)FEI公司QUANTA 200型環(huán)境電子顯微鏡（ESEM）觀察和研究物質(zhì)微觀形貌.測(cè)試取表面平整未有斷裂、尺寸小于1 cm2塊狀試樣.在不同放大倍率下，能清晰觀察到試塊內(nèi)部毛絨狀的木質(zhì)纖維、纖維狀的海泡石以及多孔結(jié)構(gòu)的膨脹珍珠巖.從圖2（a）（b）（c）中可以看到，電鏡1 000倍放大下，可以看到調(diào)濕材料內(nèi)部纖維類物質(zhì)，這些纖維表面在材料調(diào)濕中起到了很好的疏散作用.但隨著聚丙烯纖維含量的增加而交織成一個(gè)更加密實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把海泡石、木質(zhì)纖維、硅藻泥籠括在其中，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能.從圖2（d）（e）中可以看出，電鏡500倍照片中，均能更加清晰觀察到蜂窩狀膨脹珍珠巖，而A-1具有比C-1更多大孔徑空洞，更加有利于水分子的吸附.

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20473《建筑保溫砂漿》和GB/T 9779《復(fù)層建筑涂料》，對(duì)材料選型配比的外觀質(zhì)量和初期干燥抗裂性進(jìn)行優(yōu)化選擇.五組試塊成型后，B-1、B-2試塊出現(xiàn)易碎現(xiàn)象，后續(xù)試驗(yàn)中被剔除.

2.2.2 孔結(jié)構(gòu)測(cè)試

根據(jù)ISO15901《用壓汞法和氣體吸附法評(píng)價(jià)材料的孔徑分布和孔隙率》要求，采用雙氣路氮吸附BET法測(cè)定復(fù)合調(diào)濕砂漿的比表面積，采用BJH法測(cè)定孔容積、孔徑及孔徑分布.選用美國(guó)麥克儀器公司ASAP2020 M+C型自動(dòng)比表面積與孔徑分析儀.對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，預(yù)處理溫度不能過(guò)低否則無(wú)

法去除吸附水和其他分子，也不能過(guò)高，否則容易引起羥基間的縮聚脫水或發(fā)生燒結(jié)導(dǎo)致孔和表面的變化.樣品重量為0.134 5 g，脫氣時(shí)間1 h，脫氣溫度120 ℃，保證試樣干凈后放入分析儀進(jìn)行測(cè)試.

根據(jù)電鏡照片分析，選取試塊A-1、B-3、C-1進(jìn)行比孔結(jié)構(gòu)測(cè)試，結(jié)果如表5所示.結(jié)果表明，A-1試塊比表面積比B-3、C-1大兩倍，因而A-1試塊具有更多的吸附位與空間容納吸附劑.A-1試塊在孔徑分布上，也表現(xiàn)出了良好的內(nèi)部孔格局，10 ～ 50 nm段的孔徑數(shù)量最多.B-3以微孔居多，孔徑分布尤其以小于10 nm微孔居多，形成的比表面積和孔容最小.C-1微孔和大孔居多，大孔在吸附過(guò)程中只起到通道作用.

2.2.3 等溫氮吸附/脫附

取10 g左右的復(fù)合調(diào)濕砂漿試塊進(jìn)行氮吸附實(shí)驗(yàn)，氮吸附/脫附曲線如圖3所示.三個(gè)試塊等溫氮吸附曲線均為IV型，在吸附與脫附過(guò)程中均出現(xiàn)了滯后環(huán)，試塊內(nèi)部發(fā)生了毛細(xì)凝聚現(xiàn)象.其中A-1的滯后環(huán)最小，吸附量較大，吸附和脫附性能較好，調(diào)節(jié)性能較好，B-3的滯后環(huán)最大，吸附量較小，調(diào)節(jié)性能較差.因而選取A-1作為室內(nèi)調(diào)濕材料進(jìn)行深入研究.

2.2.4 力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)規(guī)范GB/T 5486.2《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品實(shí)驗(yàn)方法力學(xué)性能》，鋼質(zhì)有底模具制備試塊尺寸為40 mm × 40 mm × 160 mm.根據(jù)GB50203《砌體工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求，進(jìn)行復(fù)合調(diào)濕砂漿試塊制作和養(yǎng)護(hù).根據(jù)內(nèi)部孔構(gòu)造的分析，選取性能較優(yōu)的A-1和C-1進(jìn)行熱力學(xué)及力學(xué)性能分析，兩者相差不大.由表6可知，A-1的抗折抗壓能力優(yōu)于C-1.從抗折試驗(yàn)斷面（見圖4）中可以看出，C-1號(hào)斷面較為平整.

2.2.5 材料的熱工性能測(cè)試

根據(jù)規(guī)范GB 10294 《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》要求測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù).本實(shí)驗(yàn)用的DRM-1型導(dǎo)熱系數(shù)儀采用電脈沖法、DRCD-3030采用內(nèi)部雙試件測(cè)定裝置，試塊尺寸為300 mm×300 mm×30 mm.根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，A-1和C-1的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.115 和0.113 ，兩組復(fù)合調(diào)濕砂漿均符合保溫材料要求.

2.2.6 實(shí)際濕緩沖性能測(cè)試

根據(jù)各性能測(cè)試，選用A-1配比復(fù)合調(diào)濕砂漿應(yīng)用到室內(nèi)，復(fù)合調(diào)濕砂漿施工時(shí)要求避免重?fù)粢悦馄茐目紫督Y(jié)構(gòu).實(shí)際濕緩沖值測(cè)試在施工完成后

冬季3個(gè)月干燥環(huán)境后進(jìn)行，以減少墻體初始含水量對(duì)測(cè)試的影響.測(cè)試時(shí)間選在冬季濕冷和回南天季節(jié).現(xiàn)場(chǎng)在墻面、天花、地面均布置溫度傳感器，測(cè)試房間布點(diǎn)及安裝圖見圖5，采用48通道無(wú)紙記錄儀和溫濕度自計(jì)儀記錄和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，室外空曠處設(shè)溫濕度自計(jì)儀，墻體材料的熱工參數(shù)見表7.測(cè)

試房間門窗密封性能較好，關(guān)閉門窗，以減少室外參數(shù)對(duì)室內(nèi)濕度影響，溫濕度0.5 h記錄時(shí)間一次.

3 結(jié)果與討論

3.1 房間的濕緩沖性能測(cè)試

3.1.1 冬季空調(diào)模式（一月）

由圖6可見，室外溫度維持 4 ～ 6 ℃，相對(duì)濕度為95% ～ 99%之間，屬于典型的南方濕冷氣候.考慮居住建筑實(shí)際情況，冬季采用分體空調(diào)，為測(cè)試復(fù)合調(diào)濕砂漿的作用，增加超聲波蒸發(fā)器獨(dú)立控制濕度.冬季時(shí)，早上8：30開始開啟加濕器和空調(diào)，加濕器16：30停止工作，加濕8 h，非加濕16 h，加濕器室內(nèi)產(chǎn)濕率G = 100 g/h.

由圖7可以看出，室內(nèi)溫度在14：00基本達(dá)到穩(wěn)定，溫度持續(xù)在24 ℃左右.圖8和圖9可以看出，加濕器停止工作后，普通砂漿房間的相對(duì)濕度和空氣含濕量不再降低，但復(fù)合調(diào)濕砂漿房間的相對(duì)濕度和空氣含濕量逐漸降低，最終達(dá)到平衡，相對(duì)濕度減少了12.5%，空氣含濕量減少了2 g/kg·干空氣，比普通砂漿房間相對(duì)濕度低14.3%，含濕量低3.1 g/kg·干空氣.

3.1.2 春季回南天（四月）

圖10為回南天季節(jié)室外溫濕度曲線，室外平均溫度15.5 ℃，相對(duì)濕度84.5%，舒適性較差.從圖11可以看出，復(fù)合調(diào)濕砂漿保溫性能較好；圖12和圖13可以看出，復(fù)合調(diào)濕砂漿材料能控制室內(nèi)相對(duì)濕度在60%～70%，比普通砂漿房間低6%～10%，空氣含濕量低0.3～0.5 g/kg·干空氣.

3.1.3 濕緩沖性能

通過(guò)測(cè)試房間內(nèi)空氣溫度和相對(duì)濕度的變化情況，來(lái)計(jì)算房間的濕緩沖值.由于測(cè)試房間施工完成后三個(gè)月才進(jìn)行測(cè)試，假設(shè)墻體內(nèi)不同材料間濕平衡對(duì)房間室內(nèi)濕度分布影響較少，可以忽略.根據(jù)實(shí)際濕緩沖性能計(jì)算（見表8），兩種材料四月實(shí)際濕緩沖性能比一月更好，普通砂漿調(diào)濕能力較差，而復(fù)合調(diào)濕砂漿具有較好且穩(wěn)定的調(diào)濕性能.

3.2 霉菌抑制性能評(píng)估

室內(nèi)霉菌生長(zhǎng)主要條件包括孢子、溫濕度、氧氣、養(yǎng)分.從理論上來(lái)看，控制霉菌生長(zhǎng)必要條件中的任何一項(xiàng)都能有效抑制其滋生，其中控制室內(nèi)濕度是預(yù)防和控制霉菌的最有效方法.ASHRAE將相對(duì)濕度為80%時(shí)材料所對(duì)應(yīng)的含濕量作為預(yù)防霉菌滋生的臨界含濕量.Adan等[19]研究表明，要有效控制霉菌生長(zhǎng)，材料的相對(duì)濕度必須低于80%.Cornick和Dalgliesh根據(jù)霉菌生長(zhǎng)的臨界溫濕度提出了霉菌生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)：

式中RHT80i為累計(jì)i天的霉菌生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)；RH為材料的相對(duì)濕度，%；i為天數(shù)；RHX為霉菌滋生臨界相對(duì)濕度，取80%；T為材料溫度，℃；TX為霉菌滋生的臨界溫度，取0 ℃.當(dāng)RH ≤ RHX時(shí)，取RH - RHX = 0；當(dāng)T ≤ TX時(shí)，取T - TX = 0.

不同朝向墻體分析過(guò)程類似，本研究以北外墻為例進(jìn)行分析.一月晝夜溫差不大，選典型日為基準(zhǔn)評(píng)估霉菌生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)，四月回南天晝夜溫差變化較大，以12 d為基準(zhǔn)評(píng)估室內(nèi)霉菌生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn).一月室內(nèi)外溫濕度變化如圖14 、圖15所示，房間2的相對(duì)濕度控制在80%左右，而房間1相對(duì)濕度在90%左右.四月室內(nèi)外溫濕度變化如圖16 、圖17所示，房間1室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度受室外參數(shù)變化影響較大，在80%上下波動(dòng)，而房間2室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度受室外參數(shù)變化影響較小，在65%左右波動(dòng).

根據(jù)表9，一月屬于濕冷季節(jié)，普通砂漿房間典型日出現(xiàn)霉變風(fēng)險(xiǎn)是復(fù)合調(diào)濕砂漿房間的四倍，且典型日里相對(duì)濕度均大于80%.四月回南天季節(jié)，在連續(xù)288 h監(jiān)測(cè)中，復(fù)合調(diào)濕砂漿房間只有6.5 h出現(xiàn)相對(duì)濕度大于霉菌滋生臨界相對(duì)濕度值，霉菌生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)低于普通房間.

4 結(jié) 論

本研究旨在制取一種新型復(fù)合調(diào)濕砂漿，以調(diào)節(jié)室內(nèi)濕環(huán)境并控制霉菌生長(zhǎng)，提高室內(nèi)舒適性.考慮材料的實(shí)用性、產(chǎn)地、價(jià)格成本以及微觀性能等，經(jīng)過(guò)不同配比選型，通過(guò)測(cè)試分析材料的成分差異、孔隙直徑大小、比表面積高低對(duì)調(diào)濕性能的影響，選取一組最優(yōu)配比復(fù)合調(diào)濕砂漿進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境測(cè)試.

1）制取的復(fù)合調(diào)濕砂漿具有較高的比表面積（33.331 m2/g），且孔徑主要集中在中孔范圍內(nèi)，等溫氮吸附曲線均為IV型，滯后環(huán)較小，吸附量最大，氮吸附和脫附性能好.

2） 一月濕冷季節(jié)，實(shí)測(cè)復(fù)合調(diào)濕砂漿調(diào)濕性在空調(diào)模式下，相對(duì)濕度減少了12.5%，空氣含濕量減少了2 g/kg·干空氣，比普通砂漿房間相對(duì)濕度低14.3%，含濕量低3.1 g/kg·干空氣.四月回南天時(shí)，復(fù)合調(diào)濕砂漿材料能控制室內(nèi)相對(duì)濕度在60% ～ 70%，比普通砂漿房間低6% ～ 10%，空氣含濕量低0.3 ～ 0.5 g/kg·干空氣.

3）一月濕冷季節(jié)，普通砂漿房間典型日出現(xiàn)霉變風(fēng)險(xiǎn)是復(fù)合調(diào)濕砂漿房間的四倍；四月回南天季節(jié)，復(fù)合調(diào)濕砂漿房間霉菌滋生風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)低于普通砂漿房間.

本文中的復(fù)合調(diào)濕砂漿原材料均為常見的環(huán)保材料，價(jià)格低廉，制作簡(jiǎn)便.試驗(yàn)表明，該復(fù)合調(diào)濕砂漿是一種可以替代傳統(tǒng)砂漿的新型復(fù)合調(diào)濕砂漿.

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