吳小雙

（1.上海全筑控股集團(tuán)股份有限公司，上海 200235；2.上海全筑住宅裝飾工程有限公司，上海 200235）

0 引 言

外墻外保溫系統(tǒng)是提升建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能的有效手段，但其在服役過(guò)程中逐漸暴露的空鼓、開(kāi)裂、發(fā)霉、脫落等病害問(wèn)題，影響了建筑的節(jié)能性、舒適性和耐久性[1]。外墻外保溫系統(tǒng)失效的一個(gè)重要原因是建筑內(nèi)外環(huán)境熱濕傳遞引起水分累積[2]，進(jìn)而導(dǎo)致材料性能逐漸失效、各材料層之間的粘結(jié)強(qiáng)度下降和保溫材料的熱工性能降低。由于有機(jī)保溫材料屢屢引起火災(zāi)事故，使得無(wú)機(jī)保溫砂漿外保溫系統(tǒng)受到了廣泛應(yīng)用。然而，由于無(wú)機(jī)保溫砂漿具有多孔、吸水率較高的特點(diǎn)，在服役過(guò)程中容易因吸濕、吸水導(dǎo)致其熱工性能和力學(xué)性能下降[3]。該系統(tǒng)在全國(guó)范圍內(nèi)尤其夏熱冬冷地區(qū)使用爭(zhēng)議較大，研究溫度作用下的濕氣遷移情況所導(dǎo)致的耐久性失效成因極為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無(wú)機(jī)保溫砂漿外保溫系統(tǒng)的傳濕進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)砂漿內(nèi)濕積累除受本身吸濕性能等的影響外，還受到由溫、濕度差引起的水蒸氣擴(kuò)散、水蒸氣凝結(jié)等因素的影響[4]。李秀輝等[5]研究了廣州返潮季節(jié)窒內(nèi)自然環(huán)境下?；⒅楸厣皾{的吸放濕情況，研究發(fā)現(xiàn)，該砂漿含水率隨空氣濕度變化非常敏感。任鵬等[6]測(cè)試了?；⒅楸厣皾{的自然態(tài)吸放濕曲線、質(zhì)量平衡含濕率和濕平衡狀態(tài)及絕干狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，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；?；⒅楸厣皾{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；相較于保溫砂漿烘干狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，濕平衡狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)平均增大7.82%。張冰等[4]研究了水蒸氣擴(kuò)散、空氣滲流、冷凝對(duì)?；⒅楸厣皾{濕積累的影響，發(fā)現(xiàn)空氣流入時(shí)砂漿內(nèi)水蒸氣分壓力和濕積累速率最大值向內(nèi)遷移，空氣流出時(shí)相反，水蒸氣冷凝的速率與冷凝區(qū)域的邊界溫度成正比。目前相關(guān)的研究主要針對(duì)?；⒅楸厣皾{，而對(duì)其作為保溫材料的外保溫系統(tǒng)的傳熱傳濕研究較少。本文采用WUFI Pro 6.0熱濕模擬軟件對(duì)瓷磚飾面無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)2種情況下的溫濕耦合模擬，有利于解析其耐久性失效成因，為提高墻體使用壽命提供參考。

1 典型外墻外保溫系統(tǒng)濕氣遷移研究

1.1 基本物理模型

采用WUFI Pro 6.0熱濕模擬軟件對(duì)瓷磚飾面無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)進(jìn)行溫濕耦合模擬。該系統(tǒng)各材料的組成和厚度如表1所示。組成材料的熱物性參數(shù)如表2所示。

表1 瓷磚飾面無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)組成

表2 組成材料熱物性參數(shù)

1.2 邊界條件

將瓷磚飾面無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)的溫濕耦合模擬分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)2種情況。穩(wěn)態(tài)模擬分為夏季工況和冬季工況，夏季工況用于研究夏季高溫高濕的情況，冬季工況用于研究冬季低溫的情況，邊界條件如表3所示。

表3 穩(wěn)態(tài)溫濕耦合模擬的邊界條件

瓷磚無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)溫濕耦合模擬時(shí)，室外的溫濕度采用上海2008年全年的溫濕度氣象數(shù)據(jù)（各年度溫濕度數(shù)據(jù)基本類(lèi)似），考慮到室內(nèi)通風(fēng)良好且有空調(diào)、除濕機(jī)等電器調(diào)節(jié)溫濕度，設(shè)定室內(nèi)的溫度為18～26℃，當(dāng)室外溫度低于18℃時(shí)，設(shè)定室內(nèi)溫度為18℃，當(dāng)室外溫度高于26℃時(shí)，設(shè)定室內(nèi)溫度為26℃，當(dāng)室外溫度為18～26℃時(shí)，設(shè)定室內(nèi)溫度與室外溫度相同，室內(nèi)相對(duì)濕度則恒定為60%。

設(shè)定所有材料的初始溫度為20℃，初始相對(duì)濕度為80%。穩(wěn)態(tài)條件下溫濕耦合模擬的計(jì)算時(shí)間為3年，以保證整個(gè)系統(tǒng)的傳濕達(dá)到穩(wěn)定。非穩(wěn)態(tài)條件下溫濕耦合模擬的計(jì)算則采用上海2008年的溫濕度氣象數(shù)據(jù)連續(xù)計(jì)算至少3次。

2 穩(wěn)態(tài)條件下系統(tǒng)內(nèi)部濕氣遷移研究

由于大多數(shù)建筑材料是親水性的，會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象，即使相對(duì)濕度還沒(méi)有達(dá)到100%，建筑材料內(nèi)部毛細(xì)孔內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)液態(tài)水[7]，并發(fā)生液態(tài)水的傳輸過(guò)程，進(jìn)而影響其熱工性能，墻體出現(xiàn)發(fā)霉甚至破壞墻體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象[8]。對(duì)于具有不同孔隙特征的多孔材料，出現(xiàn)液態(tài)水的相對(duì)濕度有所不同。本文設(shè)定墻體內(nèi)部相對(duì)濕度達(dá)到90%時(shí)會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)凝結(jié)，相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)會(huì)出現(xiàn)冷凝。

2.1 夏季穩(wěn)態(tài)條件下系統(tǒng)內(nèi)部濕氣遷移研究

2.1.1 夏季條件溫度變化情況

系統(tǒng)夏季工況穩(wěn)態(tài)模擬溫度變化情況如圖1所示。

圖1 無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)夏季墻體溫度分布

由圖1可見(jiàn)，從系統(tǒng)外側(cè)到內(nèi)側(cè)溫度逐漸下降，溫度的下降主要出現(xiàn)在無(wú)機(jī)保溫砂漿和加氣混凝土內(nèi)。整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)外表面的溫差為8.17℃，無(wú)機(jī)保溫砂漿內(nèi)外表面的溫差為2.10℃，加氣混凝土內(nèi)外表面的溫差為5.68℃。主要原因是無(wú)機(jī)保溫砂漿和加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)小且厚度大，因此熱阻大。加氣混凝土在夏季墻體隔熱中起主要作用，其次是無(wú)機(jī)保溫砂漿。

2.1.2 夏季條件濕氣遷移情況

系統(tǒng)夏季工況穩(wěn)態(tài)模擬相對(duì)濕度變化情況如圖2所示。

圖2 無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)夏季墻體濕度分布

由圖2可見(jiàn)：

（1）墻體各個(gè)位置的相對(duì)濕度均未達(dá)到100%，因此不會(huì)出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。其中一小部分瓷磚相對(duì)濕度超過(guò)90%，說(shuō)明該部分出現(xiàn)了毛細(xì)凝結(jié)。

（2）從系統(tǒng)的外側(cè)到內(nèi)側(cè)，瓷磚、瓷磚膠、抹面砂漿、抹灰砂漿的相對(duì)濕度逐漸下降，而無(wú)機(jī)保溫砂漿和加氣混凝土的相對(duì)濕度逐漸增大。對(duì)于瓷磚、瓷磚膠、抹面砂漿和抹灰砂漿，導(dǎo)熱系數(shù)和水蒸氣擴(kuò)散阻力因子較大，導(dǎo)致材料內(nèi)相對(duì)溫度變化不大，因此飽和水蒸氣分壓變化不大，而實(shí)際水蒸氣分壓變化較大。

（3）從材料的外側(cè)到內(nèi)側(cè)，溫度變化不大，飽和水蒸氣分壓也變化不大，而實(shí)際水蒸氣分壓明顯下降，因此相對(duì)濕度出現(xiàn)下降。其中瓷磚的水蒸氣擴(kuò)散阻力因子很大且有一定的厚度，對(duì)墻體的水蒸氣傳輸過(guò)程的影響最大，當(dāng)水蒸氣從室外向室內(nèi)傳輸時(shí)，瓷磚阻礙了水蒸氣從室外進(jìn)入墻體，從瓷磚外側(cè)到內(nèi)側(cè)，相對(duì)濕度快速下降。對(duì)于無(wú)機(jī)保溫砂漿和加氣混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)和水蒸氣擴(kuò)散阻力因子較小，導(dǎo)致材料內(nèi)溫度變化較大，因此飽和水蒸氣分壓變化較大，而實(shí)際水蒸氣分壓變化不大。無(wú)機(jī)保溫砂漿和加氣混凝土從外側(cè)到內(nèi)側(cè)，溫度明顯下降，飽和水蒸氣分壓也明顯下降，而實(shí)際水蒸氣分壓變化不大，因此相對(duì)濕度明顯上升。

2.2 冬季穩(wěn)態(tài)條件下系統(tǒng)內(nèi)部濕氣遷移研究

2.2.1 冬季條件溫度變化情況

系統(tǒng)冬季工況穩(wěn)態(tài)模擬溫度變化情況如圖3所示。

圖3 無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)冬季墻體溫度分布

由圖3可見(jiàn)，整個(gè)墻體內(nèi)外表面的溫差為20.80℃，無(wú)機(jī)保溫砂漿內(nèi)外表面的溫差為4.54℃，加氣混凝土內(nèi)外表面的溫差為15.28℃。加氣混凝土層具有高的熱阻，且厚度大，因此在冬季墻體保溫中起了主要作用，其次是無(wú)機(jī)保溫砂漿。此外，由于無(wú)機(jī)保溫砂漿的保溫作用，加氣混凝土的溫度高于0℃，不會(huì)出現(xiàn)凍融。

2.2.2 冬季條件濕氣遷移情況

系統(tǒng)冬季工況穩(wěn)態(tài)模擬相對(duì)濕度變化情況如圖4所示。

圖4 無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)冬季墻體濕度分布

由圖4可見(jiàn)，墻體各個(gè)位置的相對(duì)濕度都未達(dá)到100%，不會(huì)出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。接近1/2厚度的墻體的相對(duì)濕度超過(guò)90%，說(shuō)明該部分墻體出現(xiàn)了毛細(xì)凝結(jié)，包括瓷磚和加氣混凝土的一部分以及它們之間的瓷磚膠、抹面砂漿、無(wú)機(jī)保溫砂漿和抹灰砂漿。主要原因是瓷磚的水蒸氣擴(kuò)散阻力因子很大且有一定的厚度，阻礙了水蒸氣從墻體向室外傳輸，導(dǎo)致其內(nèi)側(cè)的墻體出現(xiàn)濕累積的現(xiàn)象，一部分墻體的相對(duì)濕度較高。

由穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果可知，夏季熱量和水蒸氣的傳輸方向是從室外到室內(nèi)，冬季熱量和水蒸氣的傳輸方向是從室內(nèi)到室外。由于全年中出現(xiàn)了反向的蒸汽滲透現(xiàn)象，且室外相對(duì)濕度較高，外墻外保溫系統(tǒng)材料層的蒸汽滲透阻不應(yīng)過(guò)大，以避免嚴(yán)重阻礙水蒸氣傳輸過(guò)程，導(dǎo)致出現(xiàn)墻體濕累積的現(xiàn)象。保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)小，在沿水蒸氣的傳輸方向上溫度下降較快，因此飽和水蒸氣分壓也下降較快。如果保溫材料的水蒸氣擴(kuò)散阻力因子較小，實(shí)際水蒸氣分壓變化不大，保溫材料的相對(duì)濕度就會(huì)快速上升。因此宜選用水蒸氣擴(kuò)散阻力因子較大的保溫材料，使實(shí)際水蒸氣分壓也快速下降，避免保溫材料的相對(duì)濕度快速上升。

3 非穩(wěn)態(tài)條件下系統(tǒng)內(nèi)部濕氣遷移研究

上海地區(qū)各年度溫濕度數(shù)據(jù)基本類(lèi)似，本文在進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)模擬時(shí)室外的溫濕度采用上海市2008年全年的溫濕度氣象數(shù)據(jù)，分別如圖5、圖6所示。

圖5 上海市2008年的溫度氣象數(shù)據(jù)

圖6 上海市2008年的相對(duì)濕度氣象數(shù)據(jù)

3.1 非穩(wěn)態(tài)條件系統(tǒng)內(nèi)部溫度變化

系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)模擬溫度變化情況如圖7所示。

圖7 無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)模擬溫度變化

由圖7可見(jiàn)，加氣混凝土內(nèi)外表面的溫度一直都在0℃以上，說(shuō)明加氣混凝土不會(huì)凍融。無(wú)機(jī)保溫砂漿和加氣混凝土的熱阻較高，隔熱作用好，減小了溫度的波動(dòng)范圍，使室內(nèi)的溫度保持相對(duì)恒定。

3.2 非穩(wěn)態(tài)條件系統(tǒng)內(nèi)部濕氣遷移情況

系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)模擬相對(duì)濕度變化情況如圖8所示。

圖8 無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)模擬濕度變化

由圖8可見(jiàn)，系統(tǒng)外表面的濕度波動(dòng)范圍較大，而砂漿和加氣混凝土內(nèi)外表面的濕度波動(dòng)范圍都不大，說(shuō)明無(wú)機(jī)保溫砂漿外表面外側(cè)的部分蒸汽滲透阻較大，減小了濕度的波動(dòng)范圍。

值得注意的是，無(wú)機(jī)保溫砂漿和加氣混凝土的內(nèi)外表面的相對(duì)濕度都沒(méi)有超過(guò)90%，說(shuō)明無(wú)機(jī)保溫砂漿外表面內(nèi)側(cè)的部分不會(huì)出現(xiàn)冷凝或毛細(xì)凝結(jié)。

無(wú)機(jī)保溫砂漿和加氣混凝土的含水量隨時(shí)間的變化如圖9所示。

圖9 無(wú)機(jī)保溫砂漿和加氣混凝土含水量的變化

由圖9可見(jiàn)，加氣混凝土的含水量為7.5～8.5 kg/m3，無(wú)機(jī)保溫砂漿的含水量為8.0～12.5 kg/m3，2種材料的含水量都不高。無(wú)機(jī)保溫砂漿的含水量波動(dòng)范圍相對(duì)較大，主要原因是無(wú)機(jī)保溫砂漿孔洞率較高且靠近外墻表面，容易受到室外濕度變化的影響。

由非穩(wěn)態(tài)的溫濕耦合模擬結(jié)果可知，無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)冷凝或毛細(xì)凝結(jié)。與穩(wěn)態(tài)的溫濕耦合模擬結(jié)果相比，非穩(wěn)態(tài)的模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，說(shuō)明目前的無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)在理論上是有效的，不會(huì)出現(xiàn)冷凝或毛細(xì)凝結(jié)?？紤]到實(shí)際情況的復(fù)雜多變，與本文中設(shè)置的溫濕度條件可能有較大不同，無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)也可能會(huì)出現(xiàn)冷凝或毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）對(duì)無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)進(jìn)行3年夏季工況穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果顯示，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)冷凝，只有小部分瓷磚出現(xiàn)毛細(xì)凝結(jié)；3年冬季工況穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果顯示，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)冷凝，但近1/2厚度的墻體的相對(duì)濕度超過(guò)90%，說(shuō)明墻體出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象。瓷磚的水蒸氣擴(kuò)散阻力因子很大且有一定的厚度，對(duì)墻體的水蒸氣傳輸過(guò)程有很大影響，在冬季容易導(dǎo)致墻體出現(xiàn)濕累積的現(xiàn)象。

（2）非穩(wěn)態(tài)的溫濕耦合模擬結(jié)果表明，無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)保溫層外表面內(nèi)側(cè)的部分不會(huì)出現(xiàn)冷凝或毛細(xì)凝結(jié)，然而保溫層外側(cè)的部分有可能出現(xiàn)毛細(xì)凝結(jié)，從而影響外保溫系統(tǒng)的熱工性能和耐久性。

（3）當(dāng)無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)中出現(xiàn)濕累積或毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象時(shí)，保溫層在凍融循環(huán)條件下易產(chǎn)生凍融破壞，長(zhǎng)時(shí)間浸水導(dǎo)致化學(xué)組成及孔結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而造成開(kāi)裂、粉化甚至脫落等耐久性失效問(wèn)題。上海全年中出現(xiàn)了反向的蒸汽滲透現(xiàn)象，且室外相對(duì)濕度較高，外墻外保溫系統(tǒng)材料層的蒸汽滲透阻不應(yīng)過(guò)大，以避免出現(xiàn)墻體濕累積的現(xiàn)象。因此，夏熱冬冷地區(qū)宜選用水蒸氣擴(kuò)散阻力因子較大的保溫材料，避免在沿水蒸氣的傳輸方向上保溫材料的相對(duì)濕度快速上升。