淺析建筑圍護結(jié)構(gòu)中濕傳遞系數(shù)測試方法研究

方鑫炎 吳 哲 賈 巖 郭忠華 王立君

濕傳遞現(xiàn)象對圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能和耐久性產(chǎn)生很大的影響。水通過孔隙進入多孔建筑材料內(nèi)部，不僅是Cl-、SO42-等有害離子的載體而且會降低溶液的pH 值，所以水在多孔建筑材料內(nèi)的傳遞能力在某種程度上確定了多孔材料的損傷劣化速度。其次，在凍融循環(huán)作用下，濕遷移會導致材料產(chǎn)生裂縫。在多孔建筑材料中，濕分的存在形式包括液態(tài)水和水蒸氣。

在環(huán)境相對濕度小于60%的條件下，濕分主要存在形式為水蒸氣，濕傳遞的主要形式也是水蒸氣傳遞，而在相對濕度高于80%的情況下，液態(tài)水的含量無法忽略。自然環(huán)境下相對濕度范圍為40%～95%。對于貴陽、?？凇⒛蠈幍雀呦鄬穸鹊貐^(qū)，年平均相對濕度達到80%。此時濕分中液態(tài)水的含量急劇增加，不能忽略液態(tài)水對濕傳遞的影響，液態(tài)水在濕傳遞中的比率無法確定。

液態(tài)水傳遞系數(shù)主要包括液態(tài)水滲透系數(shù)、液態(tài)水擴散系數(shù)、毛細管系數(shù)和毛細吸水系數(shù)。水蒸氣傳遞系數(shù)主要包括水蒸氣擴散系數(shù)和水蒸氣滲透系數(shù)。目前眾多試驗參數(shù)均缺乏普遍適用的試驗標準，參數(shù)的準確性和適用性有待考量。本文首先總結(jié)了濕分在多孔建筑材料中的傳遞機理，其次整理了液態(tài)水傳遞系數(shù)和水蒸氣傳遞系數(shù)的主要測試方法，最后指出濕傳遞傳遞系數(shù)試驗方法的不足及未來的發(fā)展方向。

1 水分擴散機理

水在多孔材料中的擴散可以被認為是一個一維的擴散過程：在初始階段，相對濕度φ0和水分含量ω（0）是恒定的，并且均勻地分布在樣品中。在實驗開始時（時間，t=0），樣品的一個邊界（x=0）的環(huán)境空氣的相對濕度沿水分轉(zhuǎn)移的方向增加到一個恒定值φ1，而另一個邊界的環(huán)境空氣的相對濕度保持不變。在樣品的兩端存在一個相對濕度梯度，水沿著樣品的長度一維擴散，就可得到水分相對濕度分布φ（X）和含水量分布ω（X）。

圖1 中的黑色虛線顯示了給定時間的相對濕度分布，使用材料的水分平衡吸收曲線將給定時間的試塊內(nèi)相對濕度分布轉(zhuǎn)換成含水量分布。計算過程為基于不同時刻的相對濕度分布，結(jié)合材料的等溫吸濕曲線，推導得出材料在不同時刻的含濕量分布[1]。

圖1 多孔建筑材料水蒸氣傳遞特性物理模型（來源：作者自繪）

王可等[2]認為，等溫環(huán)境中，水在多孔材料內(nèi)的傳遞可用菲克第二定律表示：

式中：ω為質(zhì)量體積比含濕量；x為距離；D1（ω）為水分擴散系數(shù)；忽略重力影響時，引入玻爾茲曼變量η：

式中：t 為擴散時間；將式（1）轉(zhuǎn)化為常微分方程：

再由邊界條件ω（0，t）=ω1，ω（∞，t）=ω0，以及初始條件ω（x，0）=ω0代入式（4），可解得擴散系數(shù)關(guān)于含濕量的函數(shù)，通過式（5）即可給出水分傳遞過程中含濕量分布的關(guān)系則可得到水分擴散系數(shù)。

2 液態(tài)水擴散系數(shù)測試方法

液態(tài)水的滲透性的4 個系數(shù)中，毛細管系數(shù)表示水的滲透深度與吸水時間平方根的關(guān)系。液態(tài)水滲透系數(shù)使用毛細管壓力作為驅(qū)動力。液態(tài)水的擴散系數(shù)使用含水量作為驅(qū)動力，并基于菲克第二定律來描述液態(tài)水的運輸能力。毛細管吸水系數(shù)以時間的平方根表示，描述多孔建筑材料的吸水能力。液態(tài)水擴散系數(shù)的測量方法是基于毛細吸水實驗測量試件內(nèi)部的含濕量分布，再使用玻爾茲曼變換求解濕擴散方程，得到液態(tài)水擴散系數(shù)。

測試試件內(nèi)部的含濕量分布分為破壞性試驗和非破壞性試驗。破壞性試驗主要為切片法，非破壞性試驗包括X 射線法、標尺法等。國內(nèi)外標準中對于毛細吸水系數(shù)的測量有明確說明，都使用部分浸水試驗測定毛細吸水系數(shù)。但是試樣尺寸和密封方式等試驗細節(jié)還未統(tǒng)一。國內(nèi)部分學者研究表明，試樣密封方式對結(jié)果影響較大，試樣尺寸對結(jié)果影響可忽略。

黃達海等[3]以混凝土與碾壓混凝土為試驗對象測量了2 種混凝土干燥傳濕全過程。利用Boltzmamn 變量求解混凝土濕度擴散系數(shù)的非線性微分方程，導出常微分形式，濕度擴散系數(shù)表示為顯函數(shù)，再通過試驗測得參數(shù)。得到了Boltzmamn 變量關(guān)于混凝土內(nèi)部相對濕度的4 次擬合多項式；建立了相對濕度的3 次多項式來表示混凝土的質(zhì)擴散系數(shù)；在相對濕度處于70%～100%時，混凝土質(zhì)擴散系數(shù)隨相對濕度的增加成正相關(guān)，混凝土質(zhì)擴散系數(shù)量級為10-6 ～10-5。

馮馳[4]用X 射線發(fā)射器和接收器測得陶瓷磚、石灰砂漿和混凝土在毛細吸水試驗中的含濕量分布，求得液態(tài)水擴散系數(shù)。X 射線法通過計算X射線的強度可以準確得到試塊內(nèi)部的含濕量分布。X 射線法是非破壞性的方法，其測試結(jié)果的相對差異平均為12%，可以認為試驗結(jié)果可靠。

金珊珊等[5]使用傳遞學理論推導了基于浸水時間、浸水高度和含濕量的水分擴散系數(shù)。測試了4 組砂漿試件吸水高度及其每一浸水高度處的含濕量，測得試件的含水量變化折線圖。根據(jù)折線圖顯示的試件在不同滲透高度下的含水量，評估了水在砂漿試件中的滲透性高低。

楊寒羽等[6]提出了1 種預測液態(tài)水擴散系數(shù)的方法。該方法通過已有材料的吸水系數(shù)和毛細含濕量計算預測λ 值，帶入標尺法的計算公式，得到液態(tài)水擴散系數(shù)，結(jié)論為：新方法通過材料已有參數(shù)計算省去了試驗過程且計算簡便；相比于X 射線衰減法、標尺法和 KieBl-Künzel 法，新方法預測值與其他方法較為接近，誤差較小，新預測方法較為可靠。

郭興國等[7]參照國際標準化組織（International Standard Organization，ISO 15148）以及美國材料與試驗學 會（American Society of Testing Materials，ASTM）標準，以B07 級加氣混凝土為例，通過干濕杯試驗和毛細吸水試驗，測試了液態(tài)水擴散系數(shù)和水蒸氣滲透系數(shù)。在滲透試驗的基礎(chǔ)上，研究了不同預處理的方式對試驗結(jié)果的影響。

使用Plackett-Burman 法對影響毛細吸水實驗的7 個影響因素進行篩選評估，結(jié)論表明：在高相對濕度的區(qū)間內(nèi)，不同預處理會使結(jié)果差異達到16%，試塊周圍密封材料和吸水初始階段值的選擇有著顯著影響；試塊底面積大小、粗糙程度以及容器頂面是否開口對毛細吸水實驗存在一定影響，但并未指出影響程度大?。辉噳K厚度、浸水深度對試驗的影響可忽略。表1列出研究中測試參數(shù)及其試驗方法。

表1 液態(tài)水傳遞系數(shù)測定的研究現(xiàn)狀

3 水蒸氣擴散系數(shù)測試方法

水蒸氣擴散系數(shù)是表達多孔建筑材料濕遷移的重要參數(shù)之一。水蒸氣擴散系數(shù)是衡量以濃度梯度為驅(qū)動勢的水蒸氣遷移能力的物理參數(shù)。測試方法包括穩(wěn)態(tài)法：用干濕杯試驗測量材料的水蒸氣滲透系數(shù)，然后根據(jù)材料的等溫吸濕曲線計算水蒸氣擴散系數(shù)。這種方法雖然準確，但很耗時，一次測量可能需要幾周甚至幾個月。

測試方法還包括瞬態(tài)法，瞬態(tài)法是通過實時測量樣品中的水分分布來計算水蒸氣擴散系數(shù)，其優(yōu)點是大大減少了試驗時間，試驗在幾天之內(nèi)就可完成。但搭建實驗裝置較為復雜。近年來，瞬態(tài)法的研究逐漸被完善。

易思陽等[8]測量了水蒸氣在蒸壓加氣混凝土中的擴散系數(shù)。構(gòu)建了多孔建筑材料中水蒸氣的瞬態(tài)一維擴散物理模型，通過對試塊內(nèi)部各測點的濕度實時監(jiān)控，得出水蒸氣擴散系數(shù)，實現(xiàn)了通過瞬態(tài)測試方法測量材料的水蒸氣擴散系數(shù)。最后使用穩(wěn)態(tài)法驗證準確性，測試了同條件下水蒸氣擴散系數(shù)最大偏差小于30%，其結(jié)果準確性可以保證。

趙立曉等[9]測試了7 個月內(nèi)混凝土試塊內(nèi)部的相對濕度變化情況，基于菲克第二定律與波茲曼轉(zhuǎn)換，以不同水灰比為影響因素，計算了混凝土相對濕度與水分擴散系數(shù)的關(guān)系。結(jié)論為：在內(nèi)部相對濕度相同的情況下，混凝土水灰比的增加導致其水分擴散系數(shù)越大；混凝土內(nèi)部相對濕度越大，其水分擴散系數(shù)也隨之增大；以混凝土在干燥過程中導熱系數(shù)和密度的關(guān)系式為基礎(chǔ)，通過試驗數(shù)據(jù)回歸的方法，建立了基于相對濕度和密度的混凝土導熱系數(shù)模型，將導熱系數(shù)與相對濕度結(jié)合了起來。

王友輝等[10]，搭建了球體吸收法試驗臺測量水蒸氣擴散系數(shù)。通過實時檢測球體試塊含濕量的手段，結(jié)合半時法和矩量法測量建筑材料水蒸氣擴散系數(shù)。結(jié)果表明半時法計算加氣混凝土水蒸氣擴散系數(shù)相對誤差最??；相對濕度在45%～80%區(qū)間內(nèi)，水蒸氣擴散系數(shù)逐漸增加，相對濕度大于80%的情況下，由于液態(tài)水的增加，水蒸氣擴散系數(shù)反而減小了。相對于干濕杯法這種穩(wěn)態(tài)方法，球體法的測量時間短、而且測量結(jié)果較準確。

李魁山等[11]基于ASTM 標準和《建筑材料及其制品水蒸氣透過性能試驗方法》（GB/T17146—1997）設(shè)計了干杯法和濕杯法試驗，對膨脹聚苯乙烯（EPS）、擠塑聚苯乙烯（XPS）、聚氨酯（PU）等多種建筑材料進行了水蒸氣滲透系數(shù)試驗，擬合了水蒸氣滲透系數(shù)的曲線。后通過積分計算得到了不同相對濕度下建筑材料的水蒸氣滲透系數(shù)。表2 列出了水蒸氣擴散系數(shù)的試驗方法。

表2 水蒸氣測試方法研究現(xiàn)狀

4 現(xiàn)有測試方法不足

液態(tài)水傳遞系數(shù)測試方法主要問題有3 點：第1，測試方法缺乏普遍適用的標準，國際標準化組織和美國材料試驗協(xié)會分別在ISO 15148 和ASTM C1794-15 中規(guī)定毛細吸水系數(shù)的測試標準，即均采用部分浸漬法，其余傳遞系數(shù)的方法沒有相關(guān)標準。部分非破壞性試驗設(shè)備價格昂貴不利于推廣。第2，實驗主要誤差來源不明確，文獻[10]選取吸水初始階段值、容器開口處設(shè)置等7 個試驗影響要素，評估了各個因素對毛細吸水試驗的干擾程度大小，結(jié)果表明周圍密封材料與吸水初始階段值得到選擇對毛細吸水試驗影響最大。但現(xiàn)階段研究未涉及其他試驗的影響因素大小。第3，溫度對液態(tài)水傳遞系數(shù)的影響不明確。Karagiannis等[12]認為無法獲得濕傳遞和溫度相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，無法確定液態(tài)水傳遞系數(shù)是否與溫度有關(guān)。溫度對液態(tài)水擴散系數(shù)的影響要進一步研究。

在水蒸氣瞬態(tài)測試方法中，因放置傳感器需要給試件鉆孔不可避免地破壞材料，盡管使用膠凝材料密封，但還是會因?qū)嶒炁c模型不符產(chǎn)生誤差；水蒸氣擴散系數(shù)試驗對環(huán)境相對濕度的控制更為嚴格，將試塊暴露在室內(nèi)環(huán)境下時間稍長，就會對試驗結(jié)果產(chǎn)生較大影響；試驗設(shè)備材料價格昂貴不利于普及。為進一步提高瞬態(tài)檢測方法的準確性和普遍適用性，可考慮其他無損檢測技術(shù)，降低成本以獲得連續(xù)的相對濕度分布或含濕量分布。

5 結(jié)語

濕傳遞的研究對于圍護結(jié)構(gòu)的耐久性和建筑保溫節(jié)能有及其重要的意義。本文梳理了水蒸氣、液態(tài)水傳遞系數(shù)主要測試方法，介紹了濕傳遞作用機理及各測試方法的研究現(xiàn)狀。多孔建筑材料濕傳遞性質(zhì)國內(nèi)的研究較少，試驗標準和測試參數(shù)缺乏統(tǒng)一的標準。應(yīng)不斷改善測試方法，使其具有普遍適用性及標準性。