宋計勇 ，劉福勝 ，王宏斌 ，武藝鑫 ，趙井輝

（1.山東農(nóng)業(yè)大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271018；2.哈爾濱理工大學榮成學院，山東 威海 264200）

0 前言

多孔介質(zhì)是指內(nèi)部含有豐富孔隙的固體材料，是多相物質(zhì)共存的組合，對其中任一相物質(zhì)而言，其它相物質(zhì)都均勻分布在其中，大多建筑材料內(nèi)部都含有大量的空隙，因此大部分建筑材料屬于多孔介質(zhì)。

因多孔建筑材料內(nèi)部含有豐富孔隙，濕空氣可通過孔隙傳遞遷移，當室內(nèi)空氣干燥時，室內(nèi)相對濕度或水蒸氣分壓力低于室外相對濕度或水蒸氣分壓力時，室外濕空氣可通過孔隙進入室內(nèi)；當室內(nèi)潮濕時，室內(nèi)相對濕度或水蒸氣分壓力高于室外相對濕度或水蒸氣分壓力時，室內(nèi)濕空氣通過孔隙排出室外，因此多孔建筑材料具有良好的吸放濕性能，對室內(nèi)空氣濕度具有非常明顯的調(diào)節(jié)作用。

但多孔介質(zhì)墻體內(nèi)有低滲材料或防水材料，濕組分在其遷移過程中如果遇到氣溫較低（低于露點溫度）時則冷凝形成液態(tài)，在墻體內(nèi)部駐留。濕組分在多孔建筑材料中的積累將嚴重降低建筑材料的熱工性能，增加建筑能耗，造成石膏類建筑材料變軟、粉化，鐵或鋼材腐蝕，引起圍護結(jié)構(gòu)墻皮脫落，減少建筑材料的使用年限；同時，建筑材料濕度過高為霉菌生長提供了便利條件，其直接影響室內(nèi)空氣質(zhì)量，降低室內(nèi)空氣品質(zhì)，嚴重時造成人們霉菌過敏，甚至會引起呼吸道疾病，影響人們的健康，因而生霉是多孔介質(zhì)材料濕份積累面臨的又一個嚴重問題[1-5]。

山東農(nóng)業(yè)大學開發(fā)的小麥秸稈壓縮塊是由粉碎的小麥秸稈、石膏、水按一定比例混合攪拌均勻，經(jīng)TCD-JYC型秸稈壓縮成型機冷壓成型工藝制作而成，是一種典型的多孔建筑材料，前期研究表明，其在保溫隔熱、耐火、防霉變等方面作用顯著[6-11]，但缺乏對其吸放濕性能的研究。隨著新型建筑材料的不斷涌現(xiàn)，且從目前國內(nèi)研究成果來看，人們對建筑材料吸濕性能研究還很少，在該方面數(shù)據(jù)及其缺乏，因此研究多孔建筑材料吸放濕性能具有重要意義。

本文通過物理試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕性能作了深入探討，并利用數(shù)值模擬方法討論了相對濕度對小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕性能的影響。

1 小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕試驗

1.1 原材料

小麥秸稈：來自山東省泰安市泰山區(qū)邱家店，經(jīng)粉碎機粉碎后長度＜10 mm，后經(jīng)壓制形成小麥秸稈壓縮塊，尺寸為145 mm×125 mm×155 mm。

石膏：常用建筑石膏，主要成分為β型半水石膏，山東省泰安市宏利石膏加工有限公司；細度（0.2mm方孔篩篩余）10%，初凝時間≥6 min，終凝時間≤30 min，抗折強度＞2.5 MPa，抗壓強度＞2.9 MPa。

水：自來水。

1.2 主要儀器設(shè)備

SM1610B多通道濕度采集儀、SLHT4-3防護型溫濕度傳感器、臺式電腦、JA21002電子天平（精度0.01 g）、TCD-JYC型秸稈壓縮成型機、THP-F-225可程式恒溫恒濕試驗箱、101FAB-2型電熱鼓風干燥箱、自稱重干燥器等。

1.3 試件制作

將粉碎的小麥秸稈、石膏和水按設(shè)計配合比在攪拌機中進行充分攪拌，把攪拌均勻的材料裝入TCD-JYC型秸稈壓縮成型機，經(jīng)壓縮成型工藝，制作出試驗所需的小麥秸稈壓縮塊試件。將制作的小麥秸稈壓縮塊試件放入101FAB-2型電熱鼓風干燥箱進行烘干處理（52℃），每隔24 h稱量試件質(zhì)量，當連續(xù)3次測得試件質(zhì)量變化小于0.1%時可認為試件已干燥，并及時用防水保鮮膜將已烘干試件的四面密封。

1.4 試驗方法

在距一側(cè)未密封面1/3和1/2處分別放置防護型溫濕度傳感器，將試件置于配有足量氯化鉀飽和鹽溶液（溫度20℃時可保證干燥器內(nèi)相對濕度為84.3%）的自稱重干燥器中，溫濕度傳感器導線從干燥器頂部小孔引出，并密封自稱重干燥器。防護型溫濕度傳感器通過SM1610B多通道溫濕度采集模塊與外部電腦連接[12]。試驗設(shè)備連接見圖1。

圖1 試驗設(shè)備連接

開啟電腦，運行SM1610B多通道溫濕度采集模塊配套軟件，采集第1次數(shù)據(jù)，設(shè)置采集數(shù)據(jù)間隔為1 h。

每隔1 h稱量試件質(zhì)量至連續(xù)5次稱得質(zhì)量變化小于0.1%時試驗結(jié)束。

2 小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕數(shù)值模擬

采用由山東農(nóng)業(yè)大學開發(fā)的復合多孔介質(zhì)墻體熱濕耦合傳遞模擬軟件（HMCT1.0）對小麥秸稈壓縮塊一維吸濕性能進行模擬分析，該軟件可以對不同室內(nèi)外環(huán)境下的單一多孔介質(zhì)材料及復合多孔介質(zhì)墻體進行熱濕性能分析。模擬計算時沿材料邊長將材料劃分成30個單元，模擬分析采用的材料內(nèi)外環(huán)境參數(shù)為：外部20℃、相對濕度84.3%；內(nèi)部52℃、相對濕度0，小麥秸稈壓縮塊的熱濕物性參數(shù)[12]見表1。

表1 小麥秸稈壓縮塊的熱濕物性參數(shù)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)分析

由測試數(shù)據(jù)繪制相對濕度-時間變化曲線如圖2所示。

圖2 試件測點相對濕度-時間變化曲線

由圖2可見，在小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕試驗中，前20 h試件的相對濕度變化幅度非常大，1/3寬度處測點測得相對濕度接近65%，1/2寬度處測點測得相對濕度接近60%，20 h后試件相對濕度變化幅度減小。這是由于試驗初期試件內(nèi)外相對濕度差大，濕分傳遞驅(qū)動勢大、傳遞速度快，隨著內(nèi)部相對濕度的增大，試件內(nèi)外相對濕度差減小，濕分傳遞驅(qū)動勢減小、傳遞速度也減小。由于在濕分傳遞過程中存在濕分阻滯現(xiàn)象，造成1/3寬度處測點比1/2寬度處測點測得的相對濕度略大。

3.2 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)分析

由數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)繪制相對濕度-時間變化曲線，如圖3所示。

圖3 模擬數(shù)據(jù)相對濕度-時間變化曲線

由圖3可見，在小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕數(shù)值模擬計算中，前20 h試件相對濕度變化幅度非常大，小麥秸稈壓縮塊1/3寬度處相對濕度接近70%，1/2寬度處相對濕度接近60%，20 h之后小麥秸稈壓縮塊相對濕度變化幅度減小，造成這種現(xiàn)象的原因與3.1節(jié)相同。

3.3 實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比分析

由圖2、圖3對比可知，試驗測得小麥秸稈壓縮塊試件測點相對濕度與采用復合多孔介質(zhì)墻體熱濕耦合模擬軟件計算所得相應(yīng)位置處相對濕度數(shù)據(jù)吻合較好，對比2種方法數(shù)據(jù)可知，小麥秸稈壓縮塊1/3寬度處在第40 h內(nèi)外相對濕度達到平衡，1/2寬度處在第50 h內(nèi)外相對濕度達到平衡，通過數(shù)值模擬得到相對濕度在前期略大于實測的相對濕度，后期略小于實測的相對濕度。

4 相對濕度對小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕性能的影響

采用由山東農(nóng)業(yè)大學開發(fā)的復合多孔介質(zhì)墻體熱濕耦合傳遞模擬軟件（HMCT1.0）分析外部不同相對濕度對小麥秸稈壓縮塊一維等溫吸濕性能的影響，材料為烘干的小麥秸稈壓縮塊，初始溫度50℃，沿材料邊長將材料劃分成30個單元。共分5個外部工況，每個工況的溫度均為20℃，相對濕度分別為40%、50%、60%、70%、80%。

圖4為不同外部工況下小麥秸稈壓縮塊1/3寬度處相對濕度隨時間變化情況。

圖4 小麥秸稈壓縮塊相對濕度-時間變化曲線

從圖4可以看出，隨著外部環(huán)境相對濕度的增加，小麥秸稈壓縮塊吸濕速度增加，0～20 h小麥秸稈壓縮塊相對濕度變化速度最快，20～40 h相對濕度變化速度相對放緩，40 h后相對濕度達到平衡，且不同工況下小麥秸稈壓縮塊相對濕度達到平衡的時間也大致相同。

圖5為不同外部工況下小麥秸稈壓縮塊含濕量隨時間變化曲線。

圖5 小麥秸稈壓縮塊含濕量-時間變化曲線

從圖5可以看出，隨著外部相對濕度的提高，前期小麥秸稈壓縮塊含濕量變化速度越來越快，后期含濕量變化速度大致相同，且小麥秸稈壓縮塊含濕量達到平衡的時間也大致相同，約為第40 h，且隨著外部相對濕度的提高，平衡含濕量也隨之增大。

圖6～圖10為溫度20℃，相對濕度分別為40%、50%、60%、70%、80%的5種工況下小麥秸稈壓縮塊各單元含濕量隨時間變化曲線。

圖6 相對濕度40%時試塊各單元含濕量-時間變化曲線

圖7 相對濕度50%時試塊各單元含濕量-時間變化曲線

圖8 相對濕度60%時試塊各單元含濕量-時間變化曲線

圖9 相對濕度70%時試塊各單元含濕量-時間變化曲線

圖10 相對濕度80%時試塊各單元含濕量-時間變化曲線

從圖6～圖10可以看出，在5種工況下，各單元在前20 h含濕量變化幅度大，20～40 h含濕量變化幅度減小，40 h后各單元含濕量基本達到平衡。

圖11為小麥秸稈壓縮塊及其單元一維等溫吸濕曲線。

圖11 小麥秸稈壓縮塊及其單元一維等溫吸濕曲線

從圖11可以看出，隨著外部相對濕度的提高，小麥秸稈壓縮塊及其單元的平衡含濕量越高，且外部相對濕度越高，其平衡含濕量增長越快，表明小麥秸稈壓縮塊在外部高濕環(huán)境下吸濕能力更強，對于調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度效果更加明顯。

5 結(jié)論

（1）小麥秸稈壓縮塊在前20 h相對濕度和含濕量變化速度最快，20～40 h相對濕度和含濕量變化速度放緩，小麥秸稈壓縮塊1/3寬度處在第40 h內(nèi)外相對濕度和含濕量基本達到平衡，1/2寬度處在第50 h內(nèi)外相對濕度和含濕量基本達到平衡。

（2）隨著外部相對濕度的提高，小麥秸稈壓縮塊及劃分的單元在各個階段相對濕度變化速度及吸濕速度隨之提高。

（3）小麥秸稈壓縮塊在高濕環(huán)境下吸濕能力更強，對調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度效果更明顯。

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