趙闖 王漢青 黃旭豪

1 南華大學(xué)土木工程學(xué)院

2 中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院

3 建筑環(huán)境控制技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室

4 裝配式建筑節(jié)能技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

隨著人們對(duì)建筑環(huán)境舒適度要求的提高，將建筑環(huán)境的溫濕度參數(shù)控制在合理的區(qū)間內(nèi)顯得尤為重要，然而現(xiàn)有的建筑環(huán)境溫濕度調(diào)控技術(shù)與達(dá)到這一目標(biāo)還存在差距。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國南方地區(qū)平均相對(duì)濕度在70%～80%，部分地區(qū)最高可達(dá)95%～100%[1]。每年的二三月份易發(fā)生的“回南天”現(xiàn)象，以及“梅雨”季節(jié)長時(shí)間的陰沉多雨天氣，空氣中的含濕量幾乎達(dá)到飽和，一天中溫度變化極大，地板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)凝露現(xiàn)象隨處可見。地板表面凝露易使老年人和兒童滑倒，同時(shí)帶來了清潔工作量增加，空調(diào)能耗升高以及潛在的醫(yī)療成本上升等問題。因此，防止地板表面凝露亟需解決。

目前室內(nèi)的濕度控制主要由傳統(tǒng)的主動(dòng)式除濕和被動(dòng)式除濕，傳統(tǒng)的主動(dòng)式除濕需要消耗大量的能源，且控制效果不夠理想，被動(dòng)式除濕可借助可再生環(huán)保型能源或特殊材料自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣濕度。早在1949年，西藤宮野等人首次提出“調(diào)濕材料的概念”[2]。近年來對(duì)調(diào)濕材料不斷進(jìn)行補(bǔ)充完善，透水磚被廣泛應(yīng)用于公園，小區(qū)以及人行道中。透水磚自身具有高強(qiáng)度，高氣孔率的特點(diǎn)，較高氣孔率可儲(chǔ)存一定水汽并進(jìn)行熱能交換，降低地表溫度，同時(shí)依靠自身高孔隙率，進(jìn)行雨水滲透，補(bǔ)充地下水，緩解水資源緊張。但目前研究更偏重于材料配比、添加輔助劑來增強(qiáng)透水系數(shù)，對(duì)如何開發(fā)更好的材料強(qiáng)化其性能，在地板表面覆涂納米涂層是否可以增加其美觀性能有待進(jìn)一步研究。

基于此，本文選取三種具有代表性的多孔磚：陶瓷透水磚，砂基透水磚和混凝土透水磚進(jìn)行整體浸泡實(shí)驗(yàn)，單面浸泡實(shí)驗(yàn)，蒸發(fā)強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，常溫下在95%相對(duì)濕度工況下的吸濕實(shí)驗(yàn)，測(cè)試不同的地板吸放濕性能。分析得出了最適合應(yīng)用在高濕地區(qū)的吸濕材料。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文選取了三種具有代表性的透水磚，依次為燒結(jié)陶瓷透水磚，混凝土透水磚和砂基透水磚，從中又選取五種不同廠家生產(chǎn)的不同孔隙率的試樣進(jìn)行對(duì)比，為了便于對(duì)比對(duì)五種試樣進(jìn)行編號(hào)，基本參數(shù)如表1：

表1 試樣的種類

表1 中所測(cè)孔隙為開口孔隙[3]。保水性測(cè)定依據(jù)JC/T945-2005 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[4]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)測(cè)試所需設(shè)備參數(shù)如表2 所示：

表2 測(cè)試儀器參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試之前，須事先將五種試件放入電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行干燥，干燥24 后進(jìn)行稱量，直至兩次試件稱量質(zhì)量差小于0.1%時(shí)，視為恒重。記試件干燥后的質(zhì)量為Md，待其溫度降為室溫時(shí)稱量其質(zhì)量記為M1，以避免溫度對(duì)磚體吸水特性的影響。將兩次記錄的數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)初始的邊界條件。

1.3.1 蒸發(fā)強(qiáng)度測(cè)試

在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，室溫控制在20±1 ℃，相對(duì)濕度控制在40%，計(jì)算出五種試件的蒸發(fā)面積A，然后將試件完全浸泡在水中24 h，取出后用擰干的濕毛巾擦去試件表面的附著水，立即進(jìn)行稱量并記為試樣吸水24 h 的質(zhì)量M0，將試件放置在預(yù)先制作好的鋼絲網(wǎng)架上進(jìn)行蒸發(fā)，每隔0.5 h 稱量一次試樣質(zhì)量，記為Mt，按式（1）計(jì)算試樣的蒸發(fā)強(qiáng)度W，計(jì)算試件吸水達(dá)到飽和后的放濕效果[3]。

式中：Wt為蒸發(fā)t 小時(shí)后試件的蒸發(fā)強(qiáng)度，g/(c)；M0為試件吸水24 h 后的質(zhì)量，g；Mt為試件蒸發(fā)t 小時(shí)后的質(zhì)量g；A 為測(cè)試過程中試樣的蒸發(fā)面積，即試樣與空氣的接觸面積，cm2；t 為蒸發(fā)時(shí)間，h。

1.3.2 整體浸泡實(shí)驗(yàn)

整體浸泡實(shí)驗(yàn)借鑒GB/T 2542-2012《砌墻磚實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試[5]。實(shí)驗(yàn)方法：控制室內(nèi)空氣溫度為25±1 ℃，相對(duì)濕度控制為40%±2%，將干燥后降溫并稱重的試件各三塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。自制實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，該裝置主要由電子天平，懸掛細(xì)繩（質(zhì)量不計(jì)），玻璃箱，玻璃箱尺寸為800 mm×1000 mm×1100 mm，水桶容器和計(jì)算機(jī)等組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將干燥試件用細(xì)繩懸掛于電子天平下面自帶的掛鉤上，試件沉浸在玻璃箱中盛有適量水的容器中，液面高于試件上表面50 mm，電子天平通過數(shù)據(jù)線連接至計(jì)算機(jī)，設(shè)定每隔1 min 記錄質(zhì)量一次并自動(dòng)保存至計(jì)算機(jī)，玻璃箱側(cè)面放置兩個(gè)溫濕度自記儀隨時(shí)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)溫濕度是否有變化，避免對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行12 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后迅速取出試件，用擰干濕毛巾擦去試件表面水分后立即進(jìn)行稱量，記為濕質(zhì)量Mw，則根據(jù)式（2）計(jì)算試件12 h 質(zhì)量的含水率Ws，同類型試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果取三塊樣本測(cè)試結(jié)果平均值。

圖1 吸水實(shí)驗(yàn)圖

式中：Mw為拭去表面水分后試件的濕質(zhì)量，g；Md為試件干燥后的質(zhì)量，g；Ws為試件12 h 質(zhì)量含水率，%。

1.3.3 單面浸泡實(shí)驗(yàn)

單面浸泡實(shí)驗(yàn)參考國際標(biāo)準(zhǔn)ISO15148:2002(E)進(jìn)行測(cè)試[6]。不考慮水化反應(yīng)，利用多孔結(jié)構(gòu)毛細(xì)作用進(jìn)行吸水測(cè)試。考慮多孔地板一般為上表面接觸濕空氣以及液態(tài)水，故可將上表面作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試的浸水面。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)室空氣溫度控制為25±1 ℃，相對(duì)濕度控制為40%±2%，將烘干、降溫且稱量的干燥試件各三塊作為實(shí)驗(yàn)樣本，利用防水膠條將試件四個(gè)側(cè)面及底面進(jìn)行密封，側(cè)面距離上表面8 mm，底面留有足夠的通氣孔用于排氣。將密封好的試件進(jìn)行稱重，記為m1，用兩點(diǎn)支撐試件，將試件上表面浸沒在水中4～5 mm，水溫為25 ℃，根據(jù)試件的吸水快慢按照一定的時(shí)間間隔（如t=2 s，5 s，10 s，30 s，60 s，30 min，1 h，2 h）稱取包裹后的試件質(zhì)量mt，每次水平的取出試件，防止液滴從孔隙漏下影響結(jié)果，同時(shí)用擰干濕毛巾擦去表面水分，立即進(jìn)行稱量，待試件進(jìn)入第二吸水階段質(zhì)量變化率不超過0.1%時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。按式（3）、式（4）對(duì)第一階段進(jìn)行線性擬合，采用t1/2為橫坐標(biāo)，Vm為縱坐標(biāo)，擬合直線的斜率記為試件的毛細(xì)吸水系數(shù)Aw，按式（5）計(jì)算試件逐時(shí)質(zhì)量含水率Wti及飽和質(zhì)量含水率Ws，同類型試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果取三塊樣本測(cè)試平均值[7]。公式如下：

圖2 單面浸泡實(shí)驗(yàn)裝置圖

式中：t 為時(shí)間，s；A 為試件上表面面積，m2；m1為密封后的試件質(zhì)量，kg；mt為包裹后的試件質(zhì)量，kg為試件在ti時(shí)刻的值，kg為擬合直線與y軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)值，kg；md為試件干燥后的質(zhì)量，kg。

1.3.4 吸濕實(shí)驗(yàn)

吸濕實(shí)驗(yàn)環(huán)境控制為：空氣溫度25±1℃，相對(duì)濕度控制為95±2%，挑選烘干，降溫且稱重處理的不同試件各三塊作為實(shí)驗(yàn)樣本，自制裝置如圖3 所示，該裝置與圖1 裝置相似，將整體浸泡實(shí)驗(yàn)所用盛水容器換位加濕器，實(shí)驗(yàn)時(shí)預(yù)先通過智能加濕器將玻璃箱內(nèi)空氣加濕，控制箱體內(nèi)空氣濕度恒定，設(shè)定溫濕度自記儀間隔一分鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)。然后將試件懸掛于天平下方，保持磚體平行，天平間隔一分鐘記錄質(zhì)量一次并儲(chǔ)存于電腦，不同時(shí)刻試件的質(zhì)量記為mt，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行48 h觀測(cè)試件是否達(dá)到吸濕平衡，利用式（6）計(jì)算試件的吸濕率，同類型的試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果取三塊樣本測(cè)試結(jié)果平均值。

圖3 吸濕測(cè)試裝置圖

式中：mt為不同時(shí)刻試件吸濕后的質(zhì)量，kg；md為試件干燥24 h 后的質(zhì)量，kg。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

五種不同試件達(dá)到飽和平衡時(shí)測(cè)試結(jié)果如表3所示：

表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2.1 多孔地板蒸發(fā)強(qiáng)度分析

蒸發(fā)強(qiáng)度的大小直接受多孔透水磚初始含水量，孔隙大小以及材料成分的影響，從圖4 中可以明顯看出五種材料制備的多孔透水磚蒸發(fā)強(qiáng)度均隨時(shí)間增加在逐漸減少，這是由于初始時(shí)刻試件中由于自身孔隙的存在，在水中浸泡24 h 后孔隙已經(jīng)充滿了液態(tài)水，其中材料與水結(jié)合的方式又存在多種，如毛細(xì)管水，吸附水和層間水等。最初是由于環(huán)境濕度低，材料本身與環(huán)境間處于濕度差，從而促使材料內(nèi)部的水分從孔隙中遷移到表面，擴(kuò)散到空氣中。從表3 可知混凝土試件的蒸發(fā)強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于其他材料試件，蒸發(fā)強(qiáng)度為0.066 g/(cm2·h)，約為其它試件的6 倍，蒸發(fā)強(qiáng)度越大，表示著當(dāng)多孔地板吸濕達(dá)到平衡后放濕能力越強(qiáng)。若采用混凝土所示材料進(jìn)行多孔地板鋪設(shè)于高濕地區(qū)門廳當(dāng)中，用來調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的能力也就越強(qiáng)，但是調(diào)濕能力還與材料的吸濕性能，含濕量和試件自身孔隙有關(guān)，需要從多個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。蒸發(fā)強(qiáng)度能夠從一方面表面多孔地板用于高濕地區(qū)具有較大的可行性。

圖4 蒸發(fā)強(qiáng)度圖

2.2 多孔地板吸水性能分析

整體浸泡實(shí)驗(yàn)測(cè)試五種多孔地板的質(zhì)量含水率如圖5 所示，陶瓷透水磚A，E 和砂基透水磚B 均在30 min 左右便達(dá)到了最大平衡含濕量，混凝土試件D在80 min 后達(dá)到平衡，陶土透水磚試件C 則經(jīng)過3.5 h 才逐漸趨于平衡，最大平衡含水率為10.21%，最小平衡含水率為6.81%，經(jīng)測(cè)量陶土透水磚試件C 孔隙率較小，且主要材料為陶土成分，內(nèi)部連通孔隙少，水分需要足夠的時(shí)間才能完全充滿孔隙。各種試件單位面積的吸水速率（圖6）隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與最大平衡含水率相同，這表明多孔地板的吸水速度與試驗(yàn)樣品的面積大小無關(guān)，而主要與試樣的孔隙以及材料成分有關(guān)，最大平衡含濕量越大，表明多孔地板的吸水性能越好，從圖中亦可以看出混凝土材料和黏土制作的多孔地板吸水性能較好。陶瓷材料制作的透水磚A 的吸水性能較差。

圖5 整體浸泡含水率

圖6 整體浸泡吸水速率

單面浸泡實(shí)驗(yàn)主要利用多孔地板的毛細(xì)吸水作用，五種透水地板的質(zhì)量含水率隨時(shí)間的變化如圖7所示，從圖中可以明顯看出五種試件的含水率變化梯度相差較大，相比于整體浸泡而言，變化較為明顯，陶瓷透水磚A 達(dá)到平衡時(shí)的最大含水率為15.78%，約為混凝土試件D 飽和質(zhì)量含水率4.63%的3.5 倍，而且試件A 陶瓷透水磚的吸水速率明顯大于其他四類，3 min 便接近平衡，而試件D 混凝土材料毛細(xì)作用效果不明顯，需要將近100 min 才可以趨于最大值。在毛細(xì)作用的驅(qū)使下，試件初始階段吸水速率與時(shí)間的開方成線性關(guān)系，如圖8 所示，陶瓷透水磚A 最大吸水速率為2.99 kg/(cm2·h)，是混凝土材料制作的透水磚的2.4 倍。但是由于試件單面倒立浸泡在水中，毛細(xì)作用與重力作用相反，因此單面浸泡試件整體達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)所需時(shí)間較整體浸泡而言要久一些，但實(shí)際工程中多孔地板大多是單面接觸濕空氣，因此單面浸泡測(cè)試性能更為切合實(shí)際。

圖7 毛細(xì)作用含水率

但是大多情況下多孔地板接觸的是濕空氣，為此測(cè)試了多孔地板在95%濕度的環(huán)境中的吸濕情況，結(jié)果如圖9 所示，五種試件均是隨著吸濕時(shí)間的增加，吸濕率逐漸上升，這是由于將試件完全干燥后，本身的孔隙遇到濕度大的濕空氣后迅速進(jìn)行擴(kuò)散。隨著濕度差的變小，吸濕的速率也逐漸變慢。隨著試件吸收水蒸氣的量逐漸增加，吸濕率慢慢趨于平衡并達(dá)到最大值，繼續(xù)吸濕，有部分水蒸氣發(fā)生液化，通過連通孔隙滲透到地板下面，導(dǎo)致最大含濕量有些許下降，但最終趨于平衡。從圖中明顯看出，經(jīng)歷2000 min 后試件燒結(jié)陶瓷透水磚A，E 和燒結(jié)陶土透水磚C 均趨于平衡狀態(tài)，但試件B 混凝土透水磚依然進(jìn)行吸濕，盡管速率下降，但是經(jīng)歷48 h 后還未趨于平衡，表明混凝土、石英砂的吸濕能力較強(qiáng)，不僅與自身孔隙較大有關(guān)，主要還由于混凝土更易于與水分結(jié)合。其次是陶瓷透水磚A 吸水率較大，相比于混凝土試件B 兩塊試件孔隙率相差不大，但是A 由紫砂陶土燒結(jié)制成，相比于吸水速率，陶土燒制的透水磚整體的吸濕能力更加好。

圖9 吸濕實(shí)驗(yàn)含水率

對(duì)比上面吸濕實(shí)驗(yàn)與吸水實(shí)驗(yàn)，除了混凝土試件B 之外吸濕達(dá)到平衡的時(shí)間大約為1500 min，而整體浸泡實(shí)驗(yàn)，陶瓷透水磚AE 和混凝土透水磚B 僅用了30 min 便達(dá)到了平衡，吸濕平衡所需時(shí)間比吸水大出50 倍，這主要是由于多孔材料內(nèi)部連通孔形成了毛細(xì)管道，在毛細(xì)管力的作用下，液態(tài)水遷移速度要大于壓力驅(qū)動(dòng)下的濕空氣擴(kuò)散速度，多孔介質(zhì)水分?jǐn)U散過程中，忽略溫度情況下，毛細(xì)作用占主導(dǎo)作用，可增大多孔材料孔隙的比表面積來增加氣體吸附作用，提高對(duì)濕空氣的吸附。

2.3 多孔地板保水性性能分析

從表1 和表3 的數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，試件C 的陶土燒制的多孔磚保水性能最大，無論是整體浸泡實(shí)驗(yàn)還是單面浸泡實(shí)驗(yàn)，最大飽和質(zhì)量含水率都比較大，從表1 還可得出五個(gè)試件的保水性能相差不是很大，這是由于五種材料的孔隙不相同，材料也不相同，但綜合考慮來看，試件A 陶瓷燒制的透水磚不僅孔隙率大，而且最大飽和質(zhì)量含水率也高，主要由于本身材料主要為紫砂陶土，可見材料對(duì)多孔地板的保水性能有很大的影響。蒸發(fā)強(qiáng)度越慢，表示材料的保水能力越強(qiáng)，越不易被蒸發(fā)，ACE 均為燒結(jié)陶瓷透水磚，故而表明陶瓷的保水性較好，相對(duì)于混凝土、砂基制作的多孔磚更容易利用自身連通孔隙保水。另外單面浸泡實(shí)驗(yàn)與整體浸泡實(shí)驗(yàn)最大飽和含水量不同的一個(gè)原因是，可能試件自身孔徑尺寸大小不一樣，當(dāng)達(dá)到自身最大持水能力時(shí)，部分水會(huì)發(fā)生滲透，實(shí)驗(yàn)當(dāng)中從水中取出時(shí)也會(huì)遺漏掉部分水，故而會(huì)造成誤差。

2.4 多孔地板霉變風(fēng)險(xiǎn)分析

從上述結(jié)果表明，多孔地板內(nèi)部復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)易儲(chǔ)存濕空氣，而霉菌生長對(duì)氧氣的需求量較小，同時(shí)多孔介質(zhì)中較高的相對(duì)濕度、有機(jī)物質(zhì)都會(huì)給霉菌營造適宜生存的環(huán)境。因此多孔地板在增加吸濕性能的同時(shí)卻帶來了霉變的風(fēng)險(xiǎn)，霉菌的存在勢(shì)必會(huì)降低室內(nèi)舒適度，甚至引起霉菌病、過敏、霉菌中毒等人體疾病。對(duì)于大多數(shù)霉菌而言，其生長所需的相對(duì)濕度為80%，因此降低多孔介質(zhì)霉變的風(fēng)險(xiǎn)需要及時(shí)將吸收的水分排除出去，利用如圖10 所示鋪設(shè)模型，在多孔地板鋪設(shè)過程中，在土基層鋪設(shè)帶有多孔的管道，及時(shí)將吸收的水分排出。既可清楚地板積水，又可以降低霉變風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 透水磚濕度調(diào)節(jié)圖

綜上，不同材料制作的多孔吸濕地板吸放濕性能對(duì)比如表4 所示，吸濕保濕性能燒結(jié)透水磚明顯要優(yōu)于混凝土透水磚和砂基透水磚，因此應(yīng)該在高濕地區(qū)用于吸水滲水應(yīng)選用陶土材料制作陶瓷透水磚。

表4 不同試件吸濕性能對(duì)比

3 結(jié)論

通過研究五種不同材質(zhì)的多孔地板透吸濕性能，對(duì)其進(jìn)行蒸發(fā)強(qiáng)度測(cè)試，浸泡實(shí)驗(yàn)以及吸濕實(shí)驗(yàn)，證明用于高濕地區(qū)地板鋪設(shè)具有較高可行性，得出如下結(jié)論：

1）五種試樣的孔隙率在5.2%～15.9%之間，保水性均大于0.72 g/cm2，但保水性與孔隙率大小并無較大關(guān)聯(lián)，主要與多孔地板所含材料成分相關(guān)，在選取吸濕性較大的材料基礎(chǔ)上合理設(shè)計(jì)孔隙結(jié)構(gòu)能夠大幅度提高多孔地板的保水性能。

2）多孔地板的蒸發(fā)強(qiáng)度與最大飽和質(zhì)量的含水率呈負(fù)相關(guān)，蒸發(fā)強(qiáng)度越大，吸濕達(dá)到飽和時(shí)質(zhì)量含水率越小，其中陶土燒結(jié)的陶瓷透水磚A 最大的飽和質(zhì)量含水率為14.78%，為混凝土材料制作透水磚的3.5 倍，吸濕速率為2.99 kg/(m2·s0.5)，為混凝土材料制作透水磚的2.9 倍，表明陶土材料吸濕性能最好。此外，陶瓷透水磚具有較好的裝飾效果，可通過對(duì)材料進(jìn)行改性，來加強(qiáng)其吸放濕性能。

3）多孔地板的吸濕速率小于吸水速率，而且達(dá)到吸濕平衡需要消耗較久的時(shí)間，混凝土試件B 在95%高濕的環(huán)境中，可以持續(xù)48 h 進(jìn)行吸濕依然未達(dá)到平衡，說明混凝土、石英砂的吸濕能力較強(qiáng)，但保水能力較弱，通過改變材料配比，可以增加多孔地板的吸濕保水性能，可依據(jù)不同場(chǎng)合，合理設(shè)定多孔地板的參數(shù)，來滿足不同工程實(shí)際需要。

在加強(qiáng)多孔吸濕地板的吸放濕性能的基礎(chǔ)上，在材料配比設(shè)計(jì)中，能否減少有機(jī)物成分，通過添加氧化鋅、二氧化鈦等添加劑來抑制霉菌的生長，如何開發(fā)更好的吸濕材料，通過在現(xiàn)有的多孔地板表明覆涂一層納米涂層來增加其美觀性能和吸濕保水性能有待進(jìn)一步驗(yàn)證。