紙面石膏板調(diào)濕性能研究

王麗，陳紅霞，尚珺虓

(北新集團(tuán)建材股份有限公司，北京 100096)

0 引 言

空氣相對(duì)濕度是評(píng)價(jià)建筑室內(nèi)人居環(huán)境舒適度的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。目前，對(duì)建筑物內(nèi)濕度調(diào)節(jié)一般按是否消耗能源分主動(dòng)和被動(dòng)2 種方式，主動(dòng)濕調(diào)節(jié)方法會(huì)產(chǎn)生能耗且易污染環(huán)境，不符合我國(guó)對(duì)能源可持續(xù)發(fā)展的策略，被動(dòng)濕調(diào)節(jié)方法即利用可再生能源或材料自身的吸附特性對(duì)室內(nèi)的濕度控制調(diào)節(jié)，是一種生態(tài)的調(diào)控方式[1]。因建筑圍護(hù)材料內(nèi)表面多為多孔材料，具備一定的吸放濕性能，合理利用吸放濕性能較好的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料便可對(duì)室內(nèi)濕度進(jìn)行被動(dòng)調(diào)節(jié)[2]。當(dāng)室內(nèi)濕度高于一定范圍后，調(diào)濕材料能感知并自動(dòng)吸附環(huán)境內(nèi)的濕氣，使得室內(nèi)的濕度降低，而當(dāng)室內(nèi)濕度低于一定范圍時(shí)，能釋放出自身吸附的濕氣，從而使得室內(nèi)的濕度增加，保持室內(nèi)的濕環(huán)境在一定的人類(lèi)所需的范圍內(nèi)。

目前，對(duì)石膏及其制品的調(diào)濕功能關(guān)注較少，尤其對(duì)建筑裝飾結(jié)構(gòu)材料中應(yīng)用的石膏板對(duì)室內(nèi)空間調(diào)濕能力的評(píng)價(jià)缺乏數(shù)據(jù)支撐。本文對(duì)石膏板材及其制品的調(diào)濕能力進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，為后續(xù)功能型石膏板研發(fā)和生產(chǎn)積累提供技術(shù)依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

紙面石膏板A 和B：分別取自生產(chǎn)紙面石膏板的工廠A和工廠B，規(guī)格均有9.5 mm 和12 mm 兩種；木塊、磚塊和水泥塊：均取自施工現(xiàn)場(chǎng)。石膏板的面密度為6.15 kg/m2，木塊、磚塊和水泥塊的密度分別為0.63、1.68、2.12 kg/m3。

1.2 儀器設(shè)備及測(cè)試方法

手持低倍電子顯微鏡(Dino-lite，臺(tái)灣安鵬科技股份有限公司)；WiFi 溫濕度記錄儀(RS-WS-WIFI-Y4，山東仁科測(cè)控技術(shù)有限公司)；恒溫恒濕箱；鼓風(fēng)干燥箱；干燥器。

材料的吸放濕性能參照GB/T 20312—2006/ISO 12571：2000《建筑材料及制品的濕熱性能吸濕性能的測(cè)定》和JC/T 2082—2011《調(diào)濕功能室內(nèi)建筑裝飾材料》進(jìn)行測(cè)試。

2 材料的吸放濕性能

采用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中常用的石膏板、木塊、磚塊、水泥塊，尺寸均為100 mm×100 mm×9.5 mm，置于特定條件(首先溫度25 ℃、相對(duì)濕度高濕90%、持續(xù)24 h；然后溫度25 ℃、相對(duì)濕度低濕50%、持續(xù)24 h)的恒溫恒濕箱，測(cè)試其在不同相對(duì)濕度環(huán)境中的吸放濕性能，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同建筑材料的吸濕率

由表1 可知，在溫度25 ℃、相對(duì)濕度為90%高濕環(huán)境下放置24 h 的各建筑材料均呈現(xiàn)吸濕狀態(tài)，木塊的吸濕率最高，達(dá)8.55%。之后，將恒溫恒濕箱濕度設(shè)置為低濕(溫度溫度25 ℃、相對(duì)濕度為50%)再持續(xù)24 h。在低濕環(huán)境持續(xù)16 h 和24 h 時(shí)，各材料出現(xiàn)放濕現(xiàn)象?？芍緣K吸濕速率和放濕速率較大，吸濕量最大，但相比其較強(qiáng)的吸濕性能，其放濕性能較差，也就是說(shuō)木塊很容易吸濕但其脫水能力較差；磚塊和水泥塊在相同的測(cè)試條件下，其吸、放濕量較小，吸濕放濕速率較?。皇喟宓奈鼭窳亢头艥窳肯嗖钭钚?，其吸濕量雖然不如木塊，但是其放濕性能優(yōu)于木塊，表明石膏板不僅吸濕能力良好同時(shí)也有著較強(qiáng)的放濕性能，調(diào)濕能力最佳。

本試驗(yàn)為評(píng)價(jià)各建筑材料在穩(wěn)定環(huán)境中的實(shí)時(shí)吸放濕性能和飽和吸放濕量，將建筑材料長(zhǎng)時(shí)間置于高濕、低濕環(huán)境中，計(jì)算吸濕率，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同建筑材料長(zhǎng)時(shí)間的吸濕率

由表2 可見(jiàn)，在溫度25 ℃、相對(duì)濕度為90%試驗(yàn)環(huán)境中，木塊在48 h 的吸濕率能達(dá)到9.93%，石膏板(9.5 mm 厚)在48 h 的吸濕率能達(dá)到3.05%，磚塊和水泥板在48 h 吸濕率分別為0.91%和0.80%；48 h 后，將恒溫恒濕箱的相對(duì)濕度下調(diào)至50%，各建筑材料均表現(xiàn)出放濕現(xiàn)象；放濕3 h 后，各建筑材料放濕率變化不大。在高濕環(huán)境中，當(dāng)測(cè)試時(shí)間超過(guò)24 h 后隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，除木塊外其它建筑材料的吸濕率變化不大，也就是說(shuō)石膏板、磚塊和水泥塊在高濕環(huán)境24 h 時(shí)即可達(dá)到飽和吸濕。

為進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)、孔隙等因素對(duì)材料吸放濕性能影響，用手持低倍電子顯微鏡觀察木塊、紙面石膏板板芯、磚塊內(nèi)芯和水泥塊的表觀形貌，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 木塊、紙面石膏板板芯、磚塊內(nèi)芯和水泥塊的表觀形貌(×50)

由圖1 可見(jiàn)，木塊表面布滿了0.2～0.8 mm 的孔洞，木材纖維縱橫交織在一起，質(zhì)地疏松；而石膏板板芯布滿了0.1～0.3mm 的泡孔，泡孔尺寸均勻，數(shù)量較多；磚塊和水泥塊結(jié)構(gòu)致密，除一些結(jié)構(gòu)缺陷外，很難觀察到較大的孔或疏松的結(jié)構(gòu)。通過(guò)表觀形貌分析可知，木塊中疏松的木質(zhì)纖維和較大的孔洞既可以為水蒸氣的流通提供通道，也有利于水蒸氣的吸附，因此其吸濕能力較強(qiáng)，但木質(zhì)纖維與水蒸氣結(jié)合后不易脫附，影響了其放濕能力；而石膏板中尺寸均一的泡孔既可以為水蒸氣提供自由通道，也可以使吸附其上的水蒸氣輕松脫附，因此石膏板材調(diào)濕性能優(yōu)異。

將不同規(guī)格的紙面石膏板和護(hù)面紙(面積為30 cm×30 cm，在45 ℃的鼓風(fēng)干燥箱烘干至恒重)置于干燥器(具有硫酸鉀飽和溶液，室溫為20～25 ℃)中，比較不同規(guī)格紙面石膏板和護(hù)面紙的吸濕性能，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同規(guī)格紙面石膏板和護(hù)面紙的吸濕性能

由圖 2 可見(jiàn)，紙面石膏板和護(hù)面紙的質(zhì)量隨測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)大幅增加。12 h 時(shí)，工廠A 的 9.5、12 mm 紙面石膏板質(zhì)量分別增加0.73、0.78 g；工廠B 的9.5、12 mm 紙面石膏板質(zhì)量分別增加 0.74、1.00 g。3 h 時(shí)，工廠 B 的 12 mm 紙面石膏板質(zhì)量增加0.76 g；在相同時(shí)刻、相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，護(hù)面紙的吸濕質(zhì)量增量也較大，3 h 其質(zhì)量增加0.14 g，12 h 質(zhì)量增加0.25 g，約為紙面石膏板質(zhì)量增量的1/3，說(shuō)明在吸濕測(cè)試過(guò)程中，護(hù)面紙的吸濕能力不容忽視，吸濕量較大。

目前，對(duì)如何客觀反映調(diào)濕材料調(diào)濕性能的研究仍然有限，冉茂宇[3]利用封閉小箱觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)一步完善了封閉空間中調(diào)濕材料的調(diào)濕特性指標(biāo)的理論。研究表明，材料與水分的結(jié)合性質(zhì)與結(jié)合能密切相關(guān)，材料與水分的結(jié)合能越接近純態(tài)水分子間結(jié)合能，材料的調(diào)濕特性越好。為研究不同紙面石膏板和其它建筑材料配合對(duì)封閉小環(huán)境濕度的影響，將工廠B 的9.5 mm 紙面石膏板分別置于封閉的木箱(50 cm×50 cm×50 cm)、塑箱(50 cm×50 cm×50 cm)內(nèi)四周，測(cè)試相對(duì)濕度的變化，測(cè)試時(shí)間為7 月3 日～26 日，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 紙面石膏板對(duì)封閉小環(huán)境相對(duì)濕度的影響

由圖3 可知，與室內(nèi)相對(duì)濕度變化曲線相比，其它3 種工況的空間相對(duì)濕度變化曲線中的波峰和波谷銳減，并且其相對(duì)濕度曲線均有所延遲。封裝石膏板的塑箱內(nèi)相對(duì)濕度曲線波動(dòng)最小，其次為封裝石膏板木箱內(nèi)相對(duì)濕度的變化曲線。這說(shuō)明石膏板通過(guò)自身對(duì)濕的吸附性能，減緩封閉環(huán)境的濕度波動(dòng)，將環(huán)境濕度保持在一定的范圍內(nèi)[4]。

為表征紙面石膏板在自然環(huán)境中的吸放濕性能，采用6張工廠A 生產(chǎn)的紙面石膏板(規(guī)格為2 m×2 m×9.5 mm)圍成正方體，在北京5 月份的某一天 9：00～16：00 這段時(shí)段(8 h)分別置于室內(nèi)和室外環(huán)境監(jiān)測(cè)其不同時(shí)刻的質(zhì)量變化，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 紙面石膏板在不同時(shí)刻的質(zhì)量變化

由圖4 可見(jiàn)，板材在整個(gè)測(cè)試時(shí)段表現(xiàn)出質(zhì)量增加的現(xiàn)象，在上午質(zhì)量增加率較大；在室內(nèi)(溫度、濕度變化小，近似恒溫)石膏板的質(zhì)量變化率較小，在室外尤其是在10：30～16：00時(shí)石膏板的質(zhì)量變化率較大，在10：45 時(shí)石膏板的質(zhì)量增量為469 g，在14：30 時(shí)石膏板的質(zhì)量增量為224 g。

3 建筑材料對(duì)室內(nèi)環(huán)境相對(duì)濕度的影響

研究建筑圍護(hù)材料對(duì)室內(nèi)(四周?chē)惺喟?、地為木地?相對(duì)濕度影響程度，將濕度探測(cè)頭分別置于房間內(nèi)的不同位置和房間外的位置(見(jiàn)圖5)，監(jiān)測(cè)北京夏季環(huán)境中(7～8 月份)房間內(nèi)部和外部相對(duì)濕度的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖6，所用石膏板為工廠A 的12 mm 紙面石膏板。

圖5 測(cè)試房間

圖6 夏季高濕環(huán)境中紙面石膏板對(duì)室內(nèi)相對(duì)濕度的影響

由圖6 可知，北京7～8 月份大多數(shù)時(shí)間處于相對(duì)濕度≥60%的狀態(tài)。調(diào)濕材料紙面石膏板能有效抑制室內(nèi)相對(duì)濕度的波峰，使室內(nèi)的相對(duì)濕度趨向40%～60%的人體舒適度較高的環(huán)境區(qū)域中移動(dòng)，在相同測(cè)試時(shí)間，房間內(nèi)的相對(duì)濕度要比房間外降低了2～8 個(gè)百分點(diǎn)。

4 結(jié) 論

紙面石膏板是一種輕質(zhì)的綠色環(huán)保裝飾裝修建筑材料，因其具有高孔隙率、優(yōu)良的吸附性能可以作為理想的調(diào)濕材料。在本實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用的特定圍護(hù)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，尤其是在冬冷夏熱的地區(qū)，夏季高濕時(shí)段較多的7、8 月份，石膏板等調(diào)濕材料能夠有效抑制室內(nèi)相對(duì)濕度的波峰，室內(nèi)相對(duì)濕度要比同一時(shí)刻房間外的相對(duì)濕度降低了2～8 個(gè)百分點(diǎn)。合理的建筑圍護(hù)材料可以有效調(diào)節(jié)人居環(huán)境，使室內(nèi)相對(duì)濕度趨向40%～60%的人體舒適度較高的環(huán)境區(qū)域中移動(dòng)，使室內(nèi)濕環(huán)境的變化趨于穩(wěn)定并降低能耗。