一種基于墻體濕損壞評(píng)估的抹灰材料選擇方法

陳文華,郭猛,郭興國(guó),劉向偉* ,陳國(guó)杰

(1.南昌大學(xué)工程建設(shè)學(xué)院,江西 南昌 330031;2.江西省超低能耗建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330031;3.江西省近零能耗建筑工程實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330031;4.南華大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001)

建筑墻體中普遍存在著由熱濕傳遞造成的直接或者間接的損壞,墻體的損壞會(huì)造成外墻的損傷、高采暖空調(diào)能耗和不舒服的室內(nèi)環(huán)境等問(wèn)題。因此對(duì)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)和整修,濕問(wèn)題一直是最重要的問(wèn)題[1]。在既有的建筑墻體抹灰材料的選擇方法中,沒(méi)有一種基于墻體濕損壞評(píng)估的墻體抹灰材料的選擇方法,設(shè)計(jì)師在選擇抹灰材料時(shí)更多是依靠經(jīng)驗(yàn),從美觀的角度出發(fā),這樣會(huì)導(dǎo)致墻體中的水分較高,嚴(yán)重?fù)p壞墻體抹灰材料的使用性能,顯著降低抹灰材料的使用壽命,大大增加建筑的維修費(fèi)用。因此,發(fā)展一種基于墻體濕損壞評(píng)估的墻體抹灰材料的選擇方法并應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)中的隔熱、防潮等工程領(lǐng)域具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)效益[2]。

目前對(duì)建筑構(gòu)件內(nèi)濕遷移過(guò)程的研究主要表現(xiàn)在3個(gè)方面:1) 墻體內(nèi)濕遷移的過(guò)程模擬以及墻體傳熱傳濕對(duì)室內(nèi)環(huán)境及熱濕負(fù)荷的影響研究[3-6];2) 熱濕氣候地區(qū)建筑墻體因濕積累而引起的霉變問(wèn)題[7-10];3) 墻體內(nèi)熱濕傳遞的實(shí)驗(yàn)研究[11-13]。在現(xiàn)有的研究中,對(duì)墻體的濕損壞的研究極少,僅有國(guó)外的少量文獻(xiàn)涉及[14-15]。在這些文獻(xiàn)中考慮了墻體在豎直方向上從地表穩(wěn)態(tài)吸收水分所到達(dá)的濕高度,但忽略了水平方向墻體表面與空氣之間的熱濕傳遞的影響,因此不能完全解釋濕損壞這種現(xiàn)象。當(dāng)墻體表面的熱濕遷移產(chǎn)生的影響很大時(shí),會(huì)造成濕損壞評(píng)估很不準(zhǔn)確,選擇的修復(fù)材料有時(shí)會(huì)存在一定的錯(cuò)誤。

本文以多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ),同時(shí)考慮墻體在豎直方向上的濕遷移和水平方向的濕遷移,用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述墻體的毛細(xì)管上升現(xiàn)象,確立了水分上升時(shí)墻體內(nèi)含濕量的預(yù)測(cè)模型,根據(jù)基層墻體和抹灰材料中的含濕量大小來(lái)選擇修復(fù)材料。

1 模型

1.1 模型假設(shè)

最常見(jiàn)的砌體系統(tǒng)(圖1)包括2層:基層墻體和抹灰材料,基層墻體和抹灰材料是均勻緊密接觸的,均由一種材料組成。假設(shè)上述砌體系統(tǒng)與地面水充分接觸,只有抹灰材料與空氣接觸。圖1中:Dw和Dp分別為墻體和抹灰材料的厚度,單位為m;Win為地面進(jìn)入砌體系統(tǒng)的水分含量,單位為kg·m-1·d-1;Wout為砌體系統(tǒng)干燥的水分含量,單位為kg·m-1·d-1;h為砌體系統(tǒng)的濕高度,單位為m。

圖1 墻體系統(tǒng)示意圖

本文主要考慮砌體系統(tǒng)在毛細(xì)壓力的作用下從地面吸收水分的過(guò)程和墻體表面的熱濕遷移過(guò)程,忽略室內(nèi)環(huán)境的影響,假設(shè)系統(tǒng)與環(huán)境處于平衡狀態(tài),墻體平衡含濕量的大小取決于空氣溫度、水活度和風(fēng)速等環(huán)境條件。

1.2 模型建立

忽略室內(nèi)環(huán)境的影響,影響墻體系統(tǒng)的水分含量的因素包括2個(gè)部分,一個(gè)部分是墻體從地表吸收的水分,另外一個(gè)部分是墻體向室外環(huán)境蒸發(fā)的水分。

1)材料吸水過(guò)程。

空氣中含有一定量的水分,由于墻體表面會(huì)與空氣產(chǎn)生熱濕耦合傳遞,因此當(dāng)墻體不從地表吸收水分時(shí),也會(huì)有一定的含濕量,此時(shí)墻體的含濕量[16]可采用下式計(jì)算:

(1)

式中:Xe為墻體材料的含濕量,單位為kg·kg-1;b0為材料的吸附性系數(shù),單位為kg·kg-1;aw為室外空氣的水活度;T為空氣溫度,單位為K;b1、b2為可根據(jù)材料特性調(diào)整的實(shí)驗(yàn)常數(shù),通常情況下b1=3,b2=0.36。

水活度與空氣的相對(duì)濕度有關(guān),可采用下式進(jìn)行計(jì)算:

(2)

式中:H為空氣的相對(duì)濕度。

溫度和相對(duì)濕度的數(shù)值可以通過(guò)查詢當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)表獲得,也可以采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,在擬合方程中溫度和相對(duì)濕度的數(shù)值主要受各自的極值和出現(xiàn)的時(shí)間的影響。溫度和相對(duì)濕度的擬合方程分別如式(3)、式(4)所示。

(3)

式中:Tmax和Tmin分別為空氣溫度的最大值和最小值,單位為K;jm表示月份;jTmin表示溫度最小值出現(xiàn)的月份。

(4)

式中:Hmax和Hmin分別為相對(duì)濕度的最大值和最小值;jHmin表示相對(duì)濕度最小值出現(xiàn)的月份。

墻體濕高度的計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程,因?yàn)閴w在從地面吸收水分的同時(shí),也會(huì)與空氣進(jìn)行濕傳遞。因此墻體濕高度的數(shù)值除了與材料的性質(zhì)有關(guān),還與環(huán)境的參數(shù)有關(guān)。在考慮墻體表面熱濕遷移的情況下(圖2所示),墻體的濕高度[10]可以采用下式進(jìn)行計(jì)算:

圖2 墻體熱濕遷移示意圖

(5)

式中:he為墻體的濕高度,單位為m;S為材料的吸水率,單位為mm·min-1/2,對(duì)于一般的多孔介質(zhì)材料,其吸水率的范圍為0.5～1.5 mm·min-1/2;D為材料的厚度,單位為m;E為材料的蒸發(fā)率,本文取0.001 mm·min-1[4]。

對(duì)于材料中水分的毛細(xì)上升現(xiàn)象,可以采用一階動(dòng)力學(xué)方程式進(jìn)行描述,其一階動(dòng)力學(xué)方程式[17]如下所示:

(6)

式中:t為時(shí)間,單位為s;tc為材料的毛細(xì)上升常數(shù),單位為d-1。

h隨時(shí)間的變化可描述為:

h=he-(he-h0)e-t/τc

(7)

式中:h0為校正系數(shù);τc為時(shí)間常數(shù),單位為s。

當(dāng)環(huán)境條件和砌體的特性保持等邊界調(diào)節(jié)保持不變時(shí),將式(4)在1 d的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分,可以得到:

Win=tcw(hew-h)ρwDwXew+tcp(hep-h)ρpDpXep

(8)

式中:hew和hep分別為墻壁和抹灰材料的平衡濕高度,單位為m;ρw和ρp分別為墻壁和抹灰材料的密度,單位為kg·m-3;Xew和Xep分別為墻壁和抹灰材料的毛細(xì)平衡含濕量,單位為kg·kg-1;tcw和tcp分別為墻壁和抹灰材料的毛細(xì)上升常數(shù),單位為d-1。

2)干燥過(guò)程。

與墻體的吸水過(guò)程類似,墻體的干燥過(guò)程也可以采用一階動(dòng)力學(xué)方程式進(jìn)行描述,其一階動(dòng)力學(xué)方程式[18]如下所示:

(9)

式中:X為材料的含濕量,單位為kg·kg-1;td為材料的干燥常數(shù),單位為d-1。

當(dāng)環(huán)境條件和砌體的特性等邊界條件保持不變時(shí),將式(9)在1 d的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分,可以得到:

Wout=tdp(Xcp-Xep)ρpDph

(10)

式中:Xcp為抹灰材料的毛細(xì)平衡含濕量,單位為kg·kg-1;Xep為抹灰材料的平衡含濕量,單位為kg·kg-1;tdp為抹灰材料的干燥常數(shù),單位為d-1。

其中,干燥常數(shù)td的計(jì)算公式[13]為:

(11)

式中:c0為抹灰材料的干燥常數(shù)計(jì)算系數(shù),單位為d;c1、c2、c3為可根據(jù)天氣條件調(diào)整的試驗(yàn)常數(shù);通常條件下c1=0,c2=0.75,c3=-0.8;u為當(dāng)?shù)卦缕骄L(fēng)速,單位為m·s-1。

墻體中存留的水分為墻體從地表吸收的水分與蒸發(fā)至空氣中的水分的差值,如下式所示:

W=Win-Wout

(12)

式中:W為儲(chǔ)存在砌體系統(tǒng)中的水分含量,單位為kg·m-1·d-1。

本文應(yīng)用的模型驗(yàn)證部分詳見(jiàn)文獻(xiàn)[4],文中不再說(shuō)明。

2 計(jì)算分析

以南昌地區(qū)240 mm磚墻為例,其墻體結(jié)構(gòu)為普通空心磚加抹灰材料,分別以普通水泥砂漿和防潮水泥作為抹灰材料,厚度均為20 mm。材料物性參數(shù)見(jiàn)表1,其中ρ為密度。南昌地區(qū)氣象參數(shù)如表2所示。表2中:Ta為空氣月平均溫度;Ha為空氣月平均絕對(duì)濕度。

表1 砌體材料的物性參數(shù)

表2 南昌地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象年氣象參數(shù)

圖3和圖4分別為2種抹灰材料墻體系統(tǒng)的全年濕高度對(duì)比情況和全年水分含量對(duì)比情況。從圖中可以看出,采用普通水泥砂漿作為墻體抹灰材料時(shí)墻體全年的濕高度和水分含量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用防潮水泥做抹灰材料的情況,這表明用防潮水泥作抹灰材料的效果要優(yōu)于普通水泥砂漿。

月份

月份

3 參數(shù)分析

3.1 抹灰材料吸水率對(duì)其濕高度和墻體水分含量的影響

以南昌地區(qū)240 mm磚墻為例,墻體結(jié)構(gòu)為普通空心磚加水泥砂漿抹灰材料,水泥砂漿的厚度為20 mm。采用南昌地區(qū)氣象參數(shù)作為輸入條件進(jìn)行計(jì)算。不同抹灰材料吸水率(S=0.6、0.8、1.0、1.2 mm·min-1/2)情況下的抹灰材料的濕高度和墻體系統(tǒng)的水分含量計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 吸水率對(duì)濕高度的影響

圖6 吸水率對(duì)水分含量的影響

由圖可知,抹灰材料吸水率越大,其濕高度越大,墻體系統(tǒng)的水分含量越高。圖5顯示濕高度與抹灰材料吸水率呈正比例增長(zhǎng)關(guān)系。圖6顯示抹灰材料吸水率對(duì)墻體水分含量影響較小,受氣象因素影響較大。冬季墻體水分含量最大,進(jìn)而增加室內(nèi)含濕量和陰冷感。

3.2 抹灰材料厚度對(duì)其濕高度和墻體水分含量的影響

同樣以南昌地區(qū)240 mm磚墻為例,墻體結(jié)構(gòu)為普通空心磚加水泥砂漿抹灰材料。采用南昌地區(qū)氣象參數(shù)作為輸入條件進(jìn)行計(jì)算。不同抹灰材料厚度(D=10、20、30、40 mm)情況下的抹灰材料的濕高度和墻體系統(tǒng)的水分含量計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示,由圖可知,抹灰材料的厚度越大,其濕高度越高,墻體的水分含量越小。圖7顯示濕高度的增量隨著抹灰材料厚度的增加而逐漸減小。圖8顯示增加抹灰材料厚度有利于降低墻體的水分含量,特別是針對(duì)冬季氣象條件。此外,增加抹灰材料厚度可以降低氣象因素對(duì)墻體水分含量的影響。

圖7 抹灰材料厚度對(duì)濕高度的影響

圖8 抹灰材料厚度對(duì)水分含量的影響

3.3 抹灰材料密度對(duì)其濕高度和墻體水分含量的影響

同樣以南昌地區(qū)240 mm磚墻為例,墻體結(jié)構(gòu)為普通空心磚加水泥砂漿抹灰材料,水泥砂漿的厚度為20 mm。采用南昌地區(qū)氣象參數(shù)作為輸入條件進(jìn)行計(jì)算。不同抹灰材料密度(ρ=1.0、1.5、2.0、2.5 g·cm-3)情況下的抹灰材料的濕高度和墻體系統(tǒng)的水分含量計(jì)算結(jié)果如圖9和圖10所示,由圖可知,抹灰材料的密度越大,其濕高度越小,墻體水分含量也越低。圖9顯示濕高度的降低量隨著抹灰材料密度的增加而逐漸降低。圖10顯示增加抹灰材料密度有利于降低墻體的水分含量,同時(shí)降低氣象因素對(duì)墻體水分含量的影響。

圖9 抹灰材料密度對(duì)濕高度的影響

圖10 抹灰材料密度對(duì)水分含量的影響

4 結(jié)論

本文建立了以墻體濕高度和水分含量來(lái)預(yù)測(cè)墻體抹灰材料效果的模型,并通過(guò)模擬計(jì)算得到以下結(jié)論:

1)通過(guò)對(duì)南昌地區(qū)240 mm磚墻墻體濕高度和水分含量進(jìn)行計(jì)算對(duì)比,結(jié)果表明預(yù)混的防潮水泥的效果要優(yōu)于普通水泥砂漿。

2)由參數(shù)分析結(jié)果可以得到,在其他參數(shù)相同的情況下,抹灰材料吸水率增加,濕高度和墻體水分含量同時(shí)增加;抹灰材料厚度增加,其濕高度增加,墻體水分含量降低;抹灰材料密度增加,其濕高度降低,墻體水分含量也降低。