馮馳等

摘要：

通過(guò)靜態(tài)稱重法和干濕杯法測(cè)得了加氣混凝土在15、25和35 ℃下的等溫吸放濕曲線和蒸汽滲透系數(shù)，討論了蒸汽滲透系數(shù)的變物性取值方法，并與《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176-93）中的取值進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，加氣混凝土的等溫吸放濕曲線和蒸汽滲透系數(shù)在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)受溫度影響不大。該取值方法能針對(duì)吸濕過(guò)程，在中等相對(duì)濕度（60%～80%）或者整個(gè)典型建筑環(huán)境相對(duì)濕度（40%～95%）范圍內(nèi)計(jì)算得到與規(guī)范規(guī)定值基本相同的平均蒸汽滲透系數(shù)。此外，該方法能推廣到各種多孔材料，針對(duì)吸濕或放濕過(guò)程，在各相對(duì)濕度范圍內(nèi)得到準(zhǔn)確的蒸汽滲透系數(shù)。

關(guān)鍵詞：

加氣混凝土，滲透系數(shù)，等溫吸放濕曲線，變物性

理解和控制建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的濕分傳遞與儲(chǔ)存過(guò)程可以幫助人們延長(zhǎng)建筑構(gòu)件的使用壽命[12]，減少暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗[34]，緩和室內(nèi)溫濕度的波動(dòng)[5]，并提高室內(nèi)空氣品質(zhì)[67]。分析建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中濕分傳遞的方法有很多種。長(zhǎng)期以來(lái)，Glaser提出的穩(wěn)態(tài)蒸汽滲透模型被廣泛用于工程實(shí)踐，甚至成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（EN ISO 13788[8]）。中國(guó)的《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—93）[9]也采用該計(jì)算方法。該模型其實(shí)源于菲克定律，其表達(dá)式為：式中：qv為蒸汽傳遞速率，單位為kg/（m2·s），工程常用單位為g/（m2·h）；μ為蒸汽滲透系數(shù)，單位為kg/（m·s·Pa），工程常用單位為g/（m·h·Pa）；Pv/x為蒸汽傳遞方向上的蒸汽壓力梯度，Pa/m。

馮馳，等：加氣混凝土蒸汽滲透系數(shù)的變物性取值方法

Glaser模型雖然簡(jiǎn)單易用，但在很多計(jì)算中表現(xiàn)出的精度較差。這主要是由兩方面原因引起的：一方面，Glaser模型是純蒸汽滲透的一維穩(wěn)態(tài)模型，而在實(shí)際過(guò)程中，濕分的傳遞常常是非一維、非穩(wěn)態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)濕分同時(shí)傳遞的。因此，近年同時(shí)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱量、空氣和濕分傳遞的多維多相瞬態(tài)模型得到了大量關(guān)注[1013]。另一方面，Glaser模型中涉及的關(guān)鍵物性參數(shù)——蒸汽滲透系數(shù)μ是溫度與材料含濕量的函數(shù)。而在中國(guó)規(guī)范中，這一物性參數(shù)卻被取為定值[9]，因而大大影響了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果能更準(zhǔn)確的對(duì)蒸汽滲透系數(shù)取值，那么計(jì)算的精度必然得到提高。

筆者以加氣混凝土為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了其等溫吸放濕曲線和蒸汽滲透系數(shù)，討論了蒸汽滲透系數(shù)的變物性取值方法，并與現(xiàn)有規(guī)范中的取值進(jìn)行了對(duì)比。

1實(shí)驗(yàn)方法

所用加氣混凝土的密度符合B07標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度等級(jí)為A5.0。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，加氣混凝土砌塊已在自然狀態(tài)下放置1 a以上。等溫吸放濕曲線和蒸汽滲透系數(shù)的測(cè)試都在華南理工大學(xué)建筑節(jié)能研究中心的人工氣候室內(nèi)完成。2個(gè)性質(zhì)的測(cè)試都分別在15、25和35 ℃下進(jìn)行，溫度控制精度為± 0.2 ℃。

1.1等溫吸放濕曲線的測(cè)定

等溫吸放濕曲線的測(cè)定采用靜態(tài)稱重法，主要參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 12571[14]進(jìn)行（圖1）：將加氣混凝土砌塊切割成4 cm×4 cm×2 cm的試件，烘干至恒重后放入內(nèi)部空氣相對(duì)濕度不同的干燥器內(nèi)吸濕，每隔一段時(shí)間取出各試件分別稱重。待吸濕達(dá)到平衡后，將在較高相對(duì)濕度下吸濕平衡的試件取出，放入較低相對(duì)濕度的干燥器內(nèi)進(jìn)行放濕直至平衡。干燥器內(nèi)部空氣的相對(duì)濕度用8種飽和鹽溶液（LiCl、MgCl2、K2CO3、NaBr、NaCl、KCl、KNO3和K2SO4）控制。

稱重所用的分析天平精度達(dá)萬(wàn)分之一克。在連續(xù)3次稱重（間隔24 h以上）結(jié)果變化不超過(guò)0.1%的情況下認(rèn)為已達(dá)到平衡，取3次稱重結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。計(jì)算每個(gè)試件的平衡含濕量，然后計(jì)算同一工況下4個(gè)試件的平均值。

1.2蒸汽滲透系數(shù)的測(cè)定

蒸汽滲透系數(shù)的測(cè)定采用干濕杯法，主要參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 12572[15]進(jìn)行（圖2）：將加氣混凝土砌塊切割成直徑12 cm、厚3 cm的圓餅狀試件，用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量每個(gè)試件的尺寸。將試件在一定溫度和相對(duì)濕度下預(yù)處理后，封裝在透明玻璃容器的口部。用石蠟和凡士林的混合物密封。容器內(nèi)裝有約200 mL飽和鹽溶液及一定量的未溶解的鹽，液面上方和試件下表面之間有約2～3 cm厚的空氣層。封裝了試件的玻璃容器放入乘有飽和鹽溶液或干燥劑的干燥器內(nèi)。干燥器內(nèi)部裝有小風(fēng)扇，在測(cè)試期間一直保持運(yùn)行，以保證干燥器內(nèi)部空氣的運(yùn)動(dòng)。試件兩側(cè)的相對(duì)濕度對(duì)共有3組，大約為0～40%，40%～80%和80%～95%，具體數(shù)值因測(cè)試溫度的不同而略有變化。

用氣壓計(jì)記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中人工氣候室內(nèi)的氣壓，精確到10 Pa。每個(gè)工況下均用3～6個(gè)試件進(jìn)行平行測(cè)試。每隔3～4 d對(duì)試件及其密封的玻璃容器進(jìn)行一次稱重，并用直尺測(cè)量空氣層厚度。天平精度為0.01 g，直尺精度為1 mm。在重量變化速率穩(wěn)定后，連續(xù)稱量7次。計(jì)算試件的蒸汽滲透系數(shù)時(shí)，空氣層厚度、氣壓等因素均已修正。整個(gè)稱重過(guò)程結(jié)束后，從容器口處取出試件，迅速砸碎并用烘干法測(cè)量試件中心部分的平衡含濕量。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1等溫吸放濕曲線

圖3為測(cè)得的加氣混凝土試件在各溫度和相對(duì)濕度下的平衡含濕量散點(diǎn)圖。其中，不同溫度下的數(shù)據(jù)點(diǎn)未在圖中加以區(qū)分，因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明，在實(shí)驗(yàn)的溫度范圍內(nèi)溫度對(duì)加氣混凝土的等溫吸放濕曲線影響不大。從圖3可以看出，加氣混凝土的毛細(xì)滯后效應(yīng)明顯，因此應(yīng)該用吸濕曲線和放濕曲線分別描述吸濕和放濕過(guò)程。

2.2蒸汽滲透系數(shù)

圖4為測(cè)得的加氣混凝土試件在各溫度和平衡含濕量下的蒸汽滲透系數(shù)散點(diǎn)圖。與圖3類似，不同溫度下的數(shù)據(jù)點(diǎn)也未加以區(qū)分。

3蒸汽滲透系數(shù)的變物性取值方法

3.1取值方法

許多學(xué)者都將蒸汽滲透系數(shù)直接表達(dá)為環(huán)境相對(duì)濕度的單值函數(shù)[2021]。但事實(shí)上，蒸汽滲透系數(shù)應(yīng)該是材料含濕量的單值函數(shù)。對(duì)于加氣混凝土這樣有明顯毛細(xì)滯后現(xiàn)象的材料而言，即使環(huán)境相對(duì)濕度相同，材料的平衡含濕量也可能因?yàn)槲艥襁^(guò)程的不同而存在很大的差異，所以，一個(gè)相對(duì)濕度其實(shí)對(duì)應(yīng)了兩個(gè)蒸汽滲透系數(shù)。由此可見，將蒸汽滲透系數(shù)表達(dá)為相對(duì)濕度的單值函數(shù)是不合理的。

然而，環(huán)境相對(duì)濕度是一個(gè)比材料含濕量更容易獲得且非常常用的參數(shù)。若能將材料的蒸汽滲透系數(shù)表達(dá)為相對(duì)濕度的函數(shù)，則能大大方便實(shí)際應(yīng)用。從上述分析可知，這么做是有一定代價(jià)的：即對(duì)于有明顯毛細(xì)滯后現(xiàn)象的材料而言，應(yīng)該有2個(gè)函數(shù)分別針對(duì)吸濕和放濕過(guò)程，在不同工況下予以采用。將式（1）～（3）合并，并假定環(huán)境相對(duì)濕度沒有劇烈變化，材料與環(huán)境的吸放濕過(guò)程始終處于（準(zhǔn)）動(dòng)態(tài)平衡，則可以得到加氣混凝土在吸濕和放濕過(guò)程中蒸汽滲透系數(shù)與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線（圖5）。

從圖5可見，吸放濕過(guò)程對(duì)應(yīng)的蒸汽滲透系數(shù)有明顯差異，而且相對(duì)濕度越高，差異越明顯。這主要是因?yàn)榧託饣炷恋拿?xì)滯后效應(yīng)在較高相對(duì)濕度下更為明顯。此外，在相對(duì)濕度超過(guò)90%后，加氣混凝土的蒸汽滲透系數(shù)隨相對(duì)濕度的增加而迅速變大。此時(shí)，蒸汽的傳遞已不再是濕傳遞的主要機(jī)制，液態(tài)水的遷移起到了更加重要的作用。

3.2與規(guī)范比較

中國(guó)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—93）中規(guī)定，加氣混凝土的蒸汽滲透系數(shù)取定值，為0.000 099 8 g/（m·h·Pa）（材料密度為700 kg/m3）和0.000 111 0 g/（m·h·Pa）（材料密度為500 kg/m3）[9]。筆者所用加氣混凝土密度接近700 kg/m3，因此與前者比較。選取4個(gè)典型的相對(duì)濕度工況，用變物性取值法計(jì)算該工況下加氣混凝土的蒸汽滲透系數(shù)，然后與規(guī)范比較，結(jié)果見表1。