方鑫炎 吳 哲 賈 巖 郭忠華 王立君

濕傳遞現(xiàn)象對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和耐久性產(chǎn)生很大的影響。水通過(guò)孔隙進(jìn)入多孔建筑材料內(nèi)部，不僅是Cl-、SO42-等有害離子的載體而且會(huì)降低溶液的pH 值，所以水在多孔建筑材料內(nèi)的傳遞能力在某種程度上確定了多孔材料的損傷劣化速度。其次，在凍融循環(huán)作用下，濕遷移會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生裂縫。在多孔建筑材料中，濕分的存在形式包括液態(tài)水和水蒸氣。

在環(huán)境相對(duì)濕度小于60%的條件下，濕分主要存在形式為水蒸氣，濕傳遞的主要形式也是水蒸氣傳遞，而在相對(duì)濕度高于80%的情況下，液態(tài)水的含量無(wú)法忽略。自然環(huán)境下相對(duì)濕度范圍為40%～95%。對(duì)于貴陽(yáng)、?？凇⒛蠈幍雀呦鄬?duì)濕度地區(qū)，年平均相對(duì)濕度達(dá)到80%。此時(shí)濕分中液態(tài)水的含量急劇增加，不能忽略液態(tài)水對(duì)濕傳遞的影響，液態(tài)水在濕傳遞中的比率無(wú)法確定。

液態(tài)水傳遞系數(shù)主要包括液態(tài)水滲透系數(shù)、液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)、毛細(xì)管系數(shù)和毛細(xì)吸水系數(shù)。水蒸氣傳遞系數(shù)主要包括水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)和水蒸氣滲透系數(shù)。目前眾多試驗(yàn)參數(shù)均缺乏普遍適用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，參數(shù)的準(zhǔn)確性和適用性有待考量。本文首先總結(jié)了濕分在多孔建筑材料中的傳遞機(jī)理，其次整理了液態(tài)水傳遞系數(shù)和水蒸氣傳遞系數(shù)的主要測(cè)試方法，最后指出濕傳遞傳遞系數(shù)試驗(yàn)方法的不足及未來(lái)的發(fā)展方向。

1 水分?jǐn)U散機(jī)理

水在多孔材料中的擴(kuò)散可以被認(rèn)為是一個(gè)一維的擴(kuò)散過(guò)程：在初始階段，相對(duì)濕度φ0和水分含量ω（0）是恒定的，并且均勻地分布在樣品中。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)（時(shí)間，t=0），樣品的一個(gè)邊界（x=0）的環(huán)境空氣的相對(duì)濕度沿水分轉(zhuǎn)移的方向增加到一個(gè)恒定值φ1，而另一個(gè)邊界的環(huán)境空氣的相對(duì)濕度保持不變。在樣品的兩端存在一個(gè)相對(duì)濕度梯度，水沿著樣品的長(zhǎng)度一維擴(kuò)散，就可得到水分相對(duì)濕度分布φ（X）和含水量分布ω（X）。

圖1 中的黑色虛線顯示了給定時(shí)間的相對(duì)濕度分布，使用材料的水分平衡吸收曲線將給定時(shí)間的試塊內(nèi)相對(duì)濕度分布轉(zhuǎn)換成含水量分布。計(jì)算過(guò)程為基于不同時(shí)刻的相對(duì)濕度分布，結(jié)合材料的等溫吸濕曲線，推導(dǎo)得出材料在不同時(shí)刻的含濕量分布[1]。

圖1 多孔建筑材料水蒸氣傳遞特性物理模型（來(lái)源：作者自繪）

王可等[2]認(rèn)為，等溫環(huán)境中，水在多孔材料內(nèi)的傳遞可用菲克第二定律表示：

式中：ω為質(zhì)量體積比含濕量；x為距離；D1（ω）為水分?jǐn)U散系數(shù)；忽略重力影響時(shí)，引入玻爾茲曼變量η：

式中：t 為擴(kuò)散時(shí)間；將式（1）轉(zhuǎn)化為常微分方程：

再由邊界條件ω（0，t）=ω1，ω（∞，t）=ω0，以及初始條件ω（x，0）=ω0代入式（4），可解得擴(kuò)散系數(shù)關(guān)于含濕量的函數(shù)，通過(guò)式（5）即可給出水分傳遞過(guò)程中含濕量分布的關(guān)系則可得到水分?jǐn)U散系數(shù)。

2 液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)測(cè)試方法

液態(tài)水的滲透性的4 個(gè)系數(shù)中，毛細(xì)管系數(shù)表示水的滲透深度與吸水時(shí)間平方根的關(guān)系。液態(tài)水滲透系數(shù)使用毛細(xì)管壓力作為驅(qū)動(dòng)力。液態(tài)水的擴(kuò)散系數(shù)使用含水量作為驅(qū)動(dòng)力，并基于菲克第二定律來(lái)描述液態(tài)水的運(yùn)輸能力。毛細(xì)管吸水系數(shù)以時(shí)間的平方根表示，描述多孔建筑材料的吸水能力。液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)的測(cè)量方法是基于毛細(xì)吸水實(shí)驗(yàn)測(cè)量試件內(nèi)部的含濕量分布，再使用玻爾茲曼變換求解濕擴(kuò)散方程，得到液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)。

測(cè)試試件內(nèi)部的含濕量分布分為破壞性試驗(yàn)和非破壞性試驗(yàn)。破壞性試驗(yàn)主要為切片法，非破壞性試驗(yàn)包括X 射線法、標(biāo)尺法等。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于毛細(xì)吸水系數(shù)的測(cè)量有明確說(shuō)明，都使用部分浸水試驗(yàn)測(cè)定毛細(xì)吸水系數(shù)。但是試樣尺寸和密封方式等試驗(yàn)細(xì)節(jié)還未統(tǒng)一。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者研究表明，試樣密封方式對(duì)結(jié)果影響較大，試樣尺寸對(duì)結(jié)果影響可忽略。

黃達(dá)海等[3]以混凝土與碾壓混凝土為試驗(yàn)對(duì)象測(cè)量了2 種混凝土干燥傳濕全過(guò)程。利用Boltzmamn 變量求解混凝土濕度擴(kuò)散系數(shù)的非線性微分方程，導(dǎo)出常微分形式，濕度擴(kuò)散系數(shù)表示為顯函數(shù)，再通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得參數(shù)。得到了Boltzmamn 變量關(guān)于混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度的4 次擬合多項(xiàng)式；建立了相對(duì)濕度的3 次多項(xiàng)式來(lái)表示混凝土的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；在相對(duì)濕度處于70%～100%時(shí)，混凝土質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)隨相對(duì)濕度的增加成正相關(guān)，混凝土質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)量級(jí)為10-6 ～10-5。

馮馳[4]用X 射線發(fā)射器和接收器測(cè)得陶瓷磚、石灰砂漿和混凝土在毛細(xì)吸水試驗(yàn)中的含濕量分布，求得液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)。X 射線法通過(guò)計(jì)算X射線的強(qiáng)度可以準(zhǔn)確得到試塊內(nèi)部的含濕量分布。X 射線法是非破壞性的方法，其測(cè)試結(jié)果的相對(duì)差異平均為12%，可以認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果可靠。

金珊珊等[5]使用傳遞學(xué)理論推導(dǎo)了基于浸水時(shí)間、浸水高度和含濕量的水分?jǐn)U散系數(shù)。測(cè)試了4 組砂漿試件吸水高度及其每一浸水高度處的含濕量，測(cè)得試件的含水量變化折線圖。根據(jù)折線圖顯示的試件在不同滲透高度下的含水量，評(píng)估了水在砂漿試件中的滲透性高低。

楊寒羽等[6]提出了1 種預(yù)測(cè)液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)的方法。該方法通過(guò)已有材料的吸水系數(shù)和毛細(xì)含濕量計(jì)算預(yù)測(cè)λ 值，帶入標(biāo)尺法的計(jì)算公式，得到液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)，結(jié)論為：新方法通過(guò)材料已有參數(shù)計(jì)算省去了試驗(yàn)過(guò)程且計(jì)算簡(jiǎn)便；相比于X 射線衰減法、標(biāo)尺法和 KieBl-Künzel 法，新方法預(yù)測(cè)值與其他方法較為接近，誤差較小，新預(yù)測(cè)方法較為可靠。

郭興國(guó)等[7]參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Standard Organization，ISO 15148）以及美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué) 會(huì)（American Society of Testing Materials，ASTM）標(biāo)準(zhǔn)，以B07 級(jí)加氣混凝土為例，通過(guò)干濕杯試驗(yàn)和毛細(xì)吸水試驗(yàn)，測(cè)試了液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)和水蒸氣滲透系數(shù)。在滲透試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了不同預(yù)處理的方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

使用Plackett-Burman 法對(duì)影響毛細(xì)吸水實(shí)驗(yàn)的7 個(gè)影響因素進(jìn)行篩選評(píng)估，結(jié)論表明：在高相對(duì)濕度的區(qū)間內(nèi)，不同預(yù)處理會(huì)使結(jié)果差異達(dá)到16%，試塊周圍密封材料和吸水初始階段值的選擇有著顯著影響；試塊底面積大小、粗糙程度以及容器頂面是否開(kāi)口對(duì)毛細(xì)吸水實(shí)驗(yàn)存在一定影響，但并未指出影響程度大??；試塊厚度、浸水深度對(duì)試驗(yàn)的影響可忽略。表1列出研究中測(cè)試參數(shù)及其試驗(yàn)方法。

表1 液態(tài)水傳遞系數(shù)測(cè)定的研究現(xiàn)狀

3 水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試方法

水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)是表達(dá)多孔建筑材料濕遷移的重要參數(shù)之一。水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)是衡量以濃度梯度為驅(qū)動(dòng)勢(shì)的水蒸氣遷移能力的物理參數(shù)。測(cè)試方法包括穩(wěn)態(tài)法：用干濕杯試驗(yàn)測(cè)量材料的水蒸氣滲透系數(shù)，然后根據(jù)材料的等溫吸濕曲線計(jì)算水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)。這種方法雖然準(zhǔn)確，但很耗時(shí)，一次測(cè)量可能需要幾周甚至幾個(gè)月。

測(cè)試方法還包括瞬態(tài)法，瞬態(tài)法是通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量樣品中的水分分布來(lái)計(jì)算水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是大大減少了試驗(yàn)時(shí)間，試驗(yàn)在幾天之內(nèi)就可完成。但搭建實(shí)驗(yàn)裝置較為復(fù)雜。近年來(lái)，瞬態(tài)法的研究逐漸被完善。

易思陽(yáng)等[8]測(cè)量了水蒸氣在蒸壓加氣混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)。構(gòu)建了多孔建筑材料中水蒸氣的瞬態(tài)一維擴(kuò)散物理模型，通過(guò)對(duì)試塊內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控，得出水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)瞬態(tài)測(cè)試方法測(cè)量材料的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)。最后使用穩(wěn)態(tài)法驗(yàn)證準(zhǔn)確性，測(cè)試了同條件下水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)最大偏差小于30%，其結(jié)果準(zhǔn)確性可以保證。

趙立曉等[9]測(cè)試了7 個(gè)月內(nèi)混凝土試塊內(nèi)部的相對(duì)濕度變化情況，基于菲克第二定律與波茲曼轉(zhuǎn)換，以不同水灰比為影響因素，計(jì)算了混凝土相對(duì)濕度與水分?jǐn)U散系數(shù)的關(guān)系。結(jié)論為：在內(nèi)部相對(duì)濕度相同的情況下，混凝土水灰比的增加導(dǎo)致其水分?jǐn)U散系數(shù)越大；混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度越大，其水分?jǐn)U散系數(shù)也隨之增大；以混凝土在干燥過(guò)程中導(dǎo)熱系數(shù)和密度的關(guān)系式為基礎(chǔ)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸的方法，建立了基于相對(duì)濕度和密度的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)模型，將導(dǎo)熱系數(shù)與相對(duì)濕度結(jié)合了起來(lái)。

王友輝等[10]，搭建了球體吸收法試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)。通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)球體試塊含濕量的手段，結(jié)合半時(shí)法和矩量法測(cè)量建筑材料水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果表明半時(shí)法計(jì)算加氣混凝土水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)誤差最小；相對(duì)濕度在45%～80%區(qū)間內(nèi)，水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)逐漸增加，相對(duì)濕度大于80%的情況下，由于液態(tài)水的增加，水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)反而減小了。相對(duì)于干濕杯法這種穩(wěn)態(tài)方法，球體法的測(cè)量時(shí)間短、而且測(cè)量結(jié)果較準(zhǔn)確。

李魁山等[11]基于ASTM 標(biāo)準(zhǔn)和《建筑材料及其制品水蒸氣透過(guò)性能試驗(yàn)方法》（GB/T17146—1997）設(shè)計(jì)了干杯法和濕杯法試驗(yàn)，對(duì)膨脹聚苯乙烯（EPS）、擠塑聚苯乙烯（XPS）、聚氨酯（PU）等多種建筑材料進(jìn)行了水蒸氣滲透系數(shù)試驗(yàn)，擬合了水蒸氣滲透系數(shù)的曲線。后通過(guò)積分計(jì)算得到了不同相對(duì)濕度下建筑材料的水蒸氣滲透系數(shù)。表2 列出了水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)方法。

表2 水蒸氣測(cè)試方法研究現(xiàn)狀

4 現(xiàn)有測(cè)試方法不足

液態(tài)水傳遞系數(shù)測(cè)試方法主要問(wèn)題有3 點(diǎn)：第1，測(cè)試方法缺乏普遍適用的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)分別在ISO 15148 和ASTM C1794-15 中規(guī)定毛細(xì)吸水系數(shù)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，即均采用部分浸漬法，其余傳遞系數(shù)的方法沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。部分非破壞性試驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴不利于推廣。第2，實(shí)驗(yàn)主要誤差來(lái)源不明確，文獻(xiàn)[10]選取吸水初始階段值、容器開(kāi)口處設(shè)置等7 個(gè)試驗(yàn)影響要素，評(píng)估了各個(gè)因素對(duì)毛細(xì)吸水試驗(yàn)的干擾程度大小，結(jié)果表明周圍密封材料與吸水初始階段值得到選擇對(duì)毛細(xì)吸水試驗(yàn)影響最大。但現(xiàn)階段研究未涉及其他試驗(yàn)的影響因素大小。第3，溫度對(duì)液態(tài)水傳遞系數(shù)的影響不明確。Karagiannis等[12]認(rèn)為無(wú)法獲得濕傳遞和溫度相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，無(wú)法確定液態(tài)水傳遞系數(shù)是否與溫度有關(guān)。溫度對(duì)液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)的影響要進(jìn)一步研究。

在水蒸氣瞬態(tài)測(cè)試方法中，因放置傳感器需要給試件鉆孔不可避免地破壞材料，盡管使用膠凝材料密封，但還是會(huì)因?qū)嶒?yàn)與模型不符產(chǎn)生誤差；水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)對(duì)環(huán)境相對(duì)濕度的控制更為嚴(yán)格，將試塊暴露在室內(nèi)環(huán)境下時(shí)間稍長(zhǎng)，就會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響；試驗(yàn)設(shè)備材料價(jià)格昂貴不利于普及。為進(jìn)一步提高瞬態(tài)檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性和普遍適用性，可考慮其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，降低成本以獲得連續(xù)的相對(duì)濕度分布或含濕量分布。

5 結(jié)語(yǔ)

濕傳遞的研究對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性和建筑保溫節(jié)能有及其重要的意義。本文梳理了水蒸氣、液態(tài)水傳遞系數(shù)主要測(cè)試方法，介紹了濕傳遞作用機(jī)理及各測(cè)試方法的研究現(xiàn)狀。多孔建筑材料濕傳遞性質(zhì)國(guó)內(nèi)的研究較少，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試參數(shù)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)不斷改善測(cè)試方法，使其具有普遍適用性及標(biāo)準(zhǔn)性。