任 鵬,李秀輝,孟慶林

(華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建筑節(jié)能研究中心,廣州510640)

?；⒅槭钦渲閹r經(jīng)膨脹急冷形成的表面玻璃化閉孔的珠狀微小顆粒,屬于膨脹珍珠巖改進(jìn)系列材料,以其為骨料配制的保溫砂漿是一種新型無(wú)機(jī)保溫材料,因具有保溫隔熱、防火、耐老化性能在國(guó)際上受到廣泛關(guān)注[1-2]。國(guó)外較早開(kāi)展了以膨脹珍珠巖為主要填料對(duì)建材制品改性的研究工作,目的是為了提高制品的保溫性能[3-5]。近年來(lái)中國(guó)學(xué)者主要針對(duì)?；⒅楸厣皾{配制成型技術(shù)和外加劑適應(yīng)性開(kāi)展了相關(guān)研究[6-7],同時(shí)對(duì)玻化微珠及其保溫砂漿制品采用憎水法進(jìn)行優(yōu)化,提高了干燥狀態(tài)下保溫砂漿的性能[8-9]。

盡管改性的玻化微珠保溫砂漿相比傳統(tǒng)膨脹珍珠巖吸水率大幅降低,但其自然吸濕依然是不可忽視的問(wèn)題。目前針對(duì)珍珠巖類(lèi)制品受潮的吸放濕特性、熱工及物理性能等相關(guān)研究報(bào)道較少[10-12],因材料集配和氣候類(lèi)型的不同,已發(fā)表的相關(guān)研究結(jié)論也并不能完全適用于?；⒅楸厣皾{和中國(guó)的氣候類(lèi)型。中國(guó)針對(duì)?；⒅槭艹焙筒；⒅楸厣皾{受潮問(wèn)題的研究才剛剛開(kāi)始,尚未形成系統(tǒng)的研究結(jié)論[13-14],以至于中國(guó)現(xiàn)行民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范無(wú)法給出因受潮進(jìn)行修正的依據(jù)[15],導(dǎo)致實(shí)際設(shè)計(jì)中此類(lèi)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)取值混亂,嚴(yán)重影響了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)質(zhì)量。

該文在中國(guó)南方濕熱氣候條件下對(duì)?；⒅楸厣皾{進(jìn)行了自然態(tài)吸放濕實(shí)驗(yàn)、質(zhì)量平衡含濕率實(shí)驗(yàn),測(cè)定其濕平衡態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù),進(jìn)而提出濕熱地區(qū)的玻化微珠保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)。

1 ?；⒅楸厣皾{的自然狀態(tài)吸放濕試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器及方法

試驗(yàn)采用2007年下半年制成的玻化微珠保溫砂漿試塊,尺寸為300 mm×300mm×30mm,如圖1所示。測(cè)試所采用的儀器包括HOBO溫濕度自記議、202A-2S型數(shù)顯電熱恒溫干燥箱和電子天平,儀器及其設(shè)置參數(shù)如表1。測(cè)試時(shí)間為2008年4月13-24日。

圖1 ?；⒅楸厣皾{試塊

表1 吸放濕性能測(cè)量參數(shù)及儀器

試塊干燥至恒重的質(zhì)量記為m0,將試塊置于室內(nèi)自然環(huán)境下,每24 h記錄試塊質(zhì)量m,連續(xù)記錄10 d,得到試塊質(zhì)量含濕率隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2。由HOBO溫、濕度自記儀測(cè)定的室內(nèi)溫、濕度變化見(jiàn)圖3。

圖2 測(cè)試期間試塊質(zhì)量含濕率變化曲線(xiàn)

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)試期間的溫度基本在26℃上下波動(dòng),波動(dòng)幅度小于2℃,可以視為溫度基本恒定。圖3表明,在該溫度條件下,試塊吸濕量與室內(nèi)相對(duì)濕度變化趨勢(shì)一致,即當(dāng)環(huán)境的相對(duì)濕度升高時(shí),試塊吸收空氣中的水分,并且隨著相對(duì)濕度的提高質(zhì)量含濕率也不斷增大;相反,當(dāng)空氣相對(duì)濕度下降時(shí),試塊能釋放一部分的水分,使質(zhì)量含濕率降低。

圖3 測(cè)試期間環(huán)境空氣溫度、濕度變化曲線(xiàn)

2 質(zhì)量平衡含濕率試驗(yàn)

根據(jù)上面自然狀態(tài)吸放濕試驗(yàn)結(jié)論,試塊的吸放濕受環(huán)境變化波動(dòng)的影響。為進(jìn)一步觀察環(huán)境濕度波動(dòng)對(duì)玻化微珠保溫砂漿含水率變化的影響,更精確了解?；⒅楸厣皾{的吸放濕性能,為測(cè)定試件受潮后導(dǎo)熱系數(shù)提供更充分依據(jù),質(zhì)量平衡含濕率試驗(yàn)應(yīng)用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)構(gòu)建穩(wěn)定的溫濕度環(huán)境進(jìn)行吸放濕性能的測(cè)定,取得其在某特定溫度,不同濕度條件下的質(zhì)量平衡含濕率,觀察分析試件吸濕放濕過(guò)程。

2.1 試驗(yàn)裝置和儀器

實(shí)驗(yàn)在華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)國(guó)家計(jì)量認(rèn)證(CMA)的熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)(2008002969K)完成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)試塊測(cè)試槽及精密電子天平如圖4所示,環(huán)境控制參數(shù)見(jiàn)表2?？紤]到風(fēng)速對(duì)實(shí)驗(yàn)材料吸放濕效果影響較大,并盡可能使風(fēng)洞內(nèi)熱環(huán)境接近實(shí)際,根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 50019-2003),對(duì)應(yīng)南方城市室外夏季平均風(fēng)速,構(gòu)建了風(fēng)洞的逐時(shí)刻風(fēng)速分布如圖5所示。

圖4 吸放濕測(cè)量槽及精密電子天平

表2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)各環(huán)境參數(shù)模擬范圍及控制精度

圖5 熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)逐時(shí)刻風(fēng)速值[16]

2.2 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

根據(jù)規(guī)范要求并結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)的模擬范圍,測(cè)試構(gòu)建的溫、濕度條件是：溫度恒定為25℃,分別測(cè)定試塊在相對(duì)濕度為 45%、55%、65%、75%、85%的環(huán)境下試塊的質(zhì)量平衡含濕率。試塊質(zhì)量通過(guò)精度為0.01 g的電子天平系統(tǒng)自動(dòng)記錄,當(dāng)試塊的質(zhì)量每間隔24 h的連續(xù)3次測(cè)量結(jié)果的變化小于總質(zhì)量的0.1%,即認(rèn)為達(dá)到了恒重狀態(tài)。

根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試試件的要求,將?；⒅楸厣皾{制成尺寸為100mm×100mm×50mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊,按《建筑材料及制品的濕熱性能 吸濕性能的測(cè)定》(GB/T 20312-2006/ISO 12571：2000)的測(cè)定步驟,在干燥溫度為105±1℃的干燥箱內(nèi)干燥達(dá)到恒重后,置于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)槽中,從相對(duì)濕度為45%開(kāi)始逐級(jí)增加濕度,分別測(cè)定每個(gè)濕度環(huán)境下材料達(dá)到濕平衡時(shí)的質(zhì)量m,求出平衡含濕量。每一級(jí)相對(duì)濕度達(dá)到平衡的時(shí)間為7～10 d。表3為25℃,不同相對(duì)濕度吸濕過(guò)程的含濕量。

表3 25℃不同相對(duì)濕度吸濕過(guò)程質(zhì)量含濕率

當(dāng)試塊在相對(duì)濕度為85%達(dá)到濕平衡后,開(kāi)始逐級(jí)降低濕度,分別測(cè)定每個(gè)濕度環(huán)境下材料達(dá)到濕平衡時(shí)的質(zhì)量m,求出放濕過(guò)程的平衡含濕量。表4為25℃,不同相對(duì)濕度放濕過(guò)程的含濕量。

表4 25℃不同相對(duì)濕度放濕過(guò)程質(zhì)量含濕率

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從2008年6月12日-9月16日,經(jīng)過(guò)3個(gè)多月的測(cè)試,測(cè)試了試塊的等溫吸放濕過(guò)程,求出每個(gè)濕度條件下的平衡含濕率μ,得到試件在25℃時(shí)的吸放濕曲線(xiàn),如圖6?？梢钥闯?試塊的等溫吸放濕過(guò)程并非完全可逆過(guò)程。測(cè)量范圍內(nèi)平衡放濕曲線(xiàn)斜率明顯小于吸濕曲線(xiàn),說(shuō)明隨著空氣相對(duì)濕度下降,試塊內(nèi)部所含水分在短時(shí)間內(nèi)并不能完全排出。南方地區(qū)潮濕多雨氣候條件,相對(duì)濕度多在60%～90%之間,致使?；⒅楸厣皾{頻繁受潮,其中水分并無(wú)足夠時(shí)間排出,因此?；⒅楸厣皾{內(nèi)濕度變化曲線(xiàn)應(yīng)更接近于平衡放濕曲線(xiàn),始終保持在較高水平,十分有必要進(jìn)行玻化微珠保溫砂漿受潮后導(dǎo)熱系數(shù)的變化。

圖6 ?；⒅楸厣皾{等溫吸放濕曲線(xiàn)

3 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取7塊2007年制成的?；⒅楸厣皾{試塊先后測(cè)定其濕平衡和烘干狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù),模擬玻化微珠保溫砂漿做為外墻內(nèi)保溫系統(tǒng)受潮情況下與絕干狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)差別。測(cè)試之前,試塊保存于樣品間內(nèi)長(zhǎng)達(dá)1 a之久(樣品間內(nèi)溫度濕度與普通無(wú)空調(diào)房間類(lèi)似,主要隨室外溫濕度影響),可認(rèn)為內(nèi)部含水率與環(huán)境溫濕度已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

試驗(yàn)時(shí)間為2009年4月6日-4月23日。測(cè)試儀器為中國(guó)建筑科學(xué)研究院研制的TPMBE-300平板導(dǎo)熱儀,熱板設(shè)定溫度為35.0℃,冷板設(shè)定溫度為15.0℃,平均溫度25.0℃。每次導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試前后均測(cè)量試塊質(zhì)量,以免試驗(yàn)過(guò)程中試塊含水率變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成不可忽略影響。試驗(yàn)期間樣品間室內(nèi)溫度20～30℃,空氣相對(duì)濕度在60%～90%之間。測(cè)定室測(cè)試濕平衡試件導(dǎo)熱系數(shù)時(shí),只開(kāi)啟空調(diào)控制溫濕度,環(huán)境溫度20～22℃,空氣相對(duì)濕度45%～55%;測(cè)試烘干后試件導(dǎo)熱系數(shù)時(shí),開(kāi)啟空調(diào)和除濕機(jī),環(huán)境溫度20～22℃,空氣相對(duì)濕度30%～40%。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 測(cè)試過(guò)程中試塊質(zhì)量變化

濕平衡狀態(tài)下,試塊測(cè)量過(guò)程中質(zhì)量變化率均小于0.2%,其變化對(duì)于試塊熱系數(shù)的影響已經(jīng)遠(yuǎn)小于導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀的精度。另外,導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定室內(nèi)采用空調(diào)控溫,其環(huán)境溫濕度均小于樣品間,因此測(cè)量過(guò)程中試塊質(zhì)量均為負(fù)變化。

根據(jù)《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法-密度、含水率及吸水率》GB/T 5486.3-2001,試塊應(yīng)在105±5℃溫度烘干下,每隔3 h對(duì)試塊進(jìn)行稱(chēng)重,質(zhì)量變化率小于0.2%認(rèn)為達(dá)到絕干狀態(tài)。試塊烘干后,整個(gè)測(cè)試過(guò)程總質(zhì)量變化率只有試塊3和試塊6超過(guò)0.2%。

3.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)及質(zhì)量平衡含濕量測(cè)試結(jié)果

含濕與烘干狀態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果如表5。

表5 含濕與烘干狀態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明：

1)試塊烘干狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)為0.068～0.085 W/(m?K),均符合GB/T 20473-2006對(duì)“硬化后的物理力學(xué)性能”Ⅱ型規(guī)定。濕平衡狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)在0.074～0.094W/(m?K)之間,導(dǎo)熱系數(shù)增大4.11%～10.61%,平均增大7.82%。

2)試塊干密度在340.1～439.0 kg/m3,大部分滿(mǎn)足GB/T 20473-2006《硬化后的物理力學(xué)性能》Ⅱ型干密度小于400 kg/m3的要求。濕平衡狀態(tài)下試件密度在369.8～458.5 kg/m3,質(zhì)量平衡含水率在2.84%～4.49%之間,平均值為3.55%,如圖7所示。

3)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了玻化微珠保溫砂漿密度越小導(dǎo)熱系數(shù)越小這一基本趨勢(shì),并且在濕平衡狀態(tài)下試件導(dǎo)熱系數(shù)隨密度增長(zhǎng)趨勢(shì)與烘干狀態(tài)下一致,如圖8。

4)試塊受潮后導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)在1.04～1.11之間,平均值為1.08。因?qū)嶋H工程中存在若干施工允許誤差和質(zhì)量允許偏差,諸如保溫砂漿干粉料的質(zhì)量偏差、現(xiàn)場(chǎng)拌合和施工成型的誤差等,均會(huì)導(dǎo)致保溫砂漿的保溫性能出現(xiàn)偏差,為適當(dāng)保守起見(jiàn),該修正系數(shù)取為1.10為宜。

圖7 濕平衡質(zhì)量含水率圖

圖8 導(dǎo)熱系數(shù)與密度關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過(guò)測(cè)試在室內(nèi)自然條件下存放的建筑?；⒅楸厣皾{試塊的自然態(tài)吸放濕曲線(xiàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的質(zhì)量平衡含濕率以及在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)工況下測(cè)得的濕平衡狀態(tài)及絕干狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù),得出結(jié)論如下：

1)?；⒅楸厣皾{吸放濕過(guò)程短時(shí)間內(nèi)并非完全可逆過(guò)程;測(cè)量范圍內(nèi)平衡放濕曲線(xiàn)斜率明顯小于吸濕曲線(xiàn),表明隨著空氣相對(duì)濕度下降,砂漿內(nèi)部所含水分在短時(shí)間內(nèi)并不能完全排出。

2)玻化微珠保溫砂漿在相同溫濕度環(huán)境下存在平衡含濕量,且平衡含濕量隨環(huán)境溫濕度同向變化;測(cè)試分析結(jié)果表明,在南方地區(qū)潮濕氣候條件下?；⒅楸厣皾{質(zhì)量平衡含濕率約為3.55%。

3)滿(mǎn)足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求的?；⒅楸厣皾{烘干狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)為0.068～0.085W/(m?K),濕平衡狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)在0.074～0.094W/(m?K)之間,導(dǎo)熱系數(shù)增大 4.11%～10.61%,平均增大7.82%。濕平衡狀態(tài)下?；⒅楸厣皾{導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)為 1.08,工程設(shè)計(jì)該修正系數(shù)取 1.10為宜。

[1]PAPADOPOULOS A M.State of the art in thermal insulation material and aims for future developments[J].Energy and Buildings,2005,37(11)：77-86.

[2]PAPADOPOULOS A M.Design and Development of Innovative Stone-wool Products for the Energy Upgrading of Existing and New Buildings[R].Project Thessa loniki,2004.

[3]ILERBEKIR TOPCU,BURAK ISLKDAG.Manufacture of high heat conductivity resistant clay bricks containing perlite[J].Building and Environment,2007,42(10)：3540-3546.

[4]K IKAVA O SH,BAJKOV B K,NEJM AN S M.Composition for Making H eat Insulating M aterial：Russia,SU 1079654-A 1[P].1984-03-15.

[5]RAMAZAN DEM IRBOG A,RUSTEM GUL.Thermal conductivity and compressive strength of expanded perlite aggregate con-crete with m ineral admixtures[J].Energy Buildings,2003,35：1155-1159.

[6]賀智敏,閆成文,張劍鋒.膨脹?；⒅楸厣皾{配制技術(shù)試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料,2007(8)：73-76.HE ZH I-M IN,YAN CHENG-WEN,ZHANG JIANFENG.Experimental study on p reparation technique of expanded vitrified m icrosphere heat insu lation mortar[J].New Building Materials,2007(8)：73-76.

[7]徐迅,李英丁,張鉻.外加劑對(duì)?；⒅楸厣皾{性能的影響[J].新型建筑材料,2008(12)：60-63.XU XUN,LI YING-DING,ZH ANG GE.Influence of addition agent on performance of vitrified m icrosphere thermal insulation mortar[J].New Building Materials,2008(12)：60-63.

[8]孟慶林,李寧,李秀輝,等.低品質(zhì)?；⒅楦男栽囼?yàn)研究[J].新型建筑材料,2008(5)：43-45.MENG QING-LIN,LI N ING,LI XIU-HU I,et al.Experimental study on modification of low quality vitrified m icrospheres[J].New Building Materials,2008(5)：43-45.

[9]曾亮,黃少文,胡欣,等.玻化微珠保溫砂漿的性能優(yōu)化[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)：工科版,2008,30(4)：341-344.ZENG LIANG,HUANG SH AO-W EN,HU XIN,et al.Op tim izing p roperties of vitrified m icrosphere insulationmortar[J].Journal of Nanchang University：Engineering&Technology,2008,30(4)：341-344.

[10]SEM IHA YILM AZER,M ESUT B OZDENIZ.The effect of moisture content on sound absorption o f expanded perlite p lates[J].Building and Environment,2005,40,(3)：311-318.

[11]WALDEMAR PICHOR,AGN IESZKA JAN IEC.Thermal stability of expanded perlitemodified bymu llite[J].Ceram ics International,2009 35(1)：527-530.

[12]IBRAH IM TURKMEN,ABDULHAM IT KANTARCL.Effects of expanded perlite aggregate and different curing conditions on the physical and mechanical p roperties of self-compacting concrete[J].Building and Environment,2007,42(6)：2378-2383.

[13]方萍,吳懿,龔光彩.膨脹?；⒅榈娘@微結(jié)構(gòu)及其吸濕性能研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2009,23(10)：112-114.FANG PING,WU YI,GONG GUANG-CA I.Study on them icrostructure o f expanded and vitrified small balls and its sorption performance[J].Materials Review,2009,23(10)：112-114.

[14]方正.保溫砂漿的熱濕性能研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2008.

[15]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50176-93民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,1993

[16]張玉.建筑多孔材料熱蒸發(fā)量濕氣候風(fēng)洞測(cè)試方法[D].廣州：華南理工大學(xué),2005.