多孔建筑材料熱濕物理性能探究及應用

王曉峰

摘要：隨著社會經濟的發展，人們對生活的環境以及建筑質量有著更高的要求，而在建筑施工中為了提高建筑工程的質量而應用了堅固且運輸方便的多孔建筑材料，因此，多孔建筑材料對建筑工程有著較重要的作用。但是同時，多孔建筑材料會因自身結構特點而產生熱濕物理性能，而熱濕物理性能影響著建筑材料的使用性能以及使用壽命，因此，本文需要探討多孔建筑材料熱濕物理性能，從而為進一步改善多孔建筑材料以及合理的設計圍護結構而提供有效地依據。

關鍵詞：多孔結構;建筑材料;熱濕物理性能;分析

本文分析了多孔介質的傳熱質理論，同時，結合建筑圍護結構來分析了多孔介質材料的傳質系數，從而得知多孔建筑材料熱濕物理性能與建筑材料本身以及建筑圍護結構有著莫大的關系，因此，為進一步改善多孔建筑材料以及建筑圍護結構提供有效的依據，從而為建筑材料研發領域提供一定的指導意義。

1 關于多孔介質傳熱傳質理論分析

根據建筑市場來看，絕大部分的材料均屬于多孔介質，它是一種固體與流體組成的復合介質。但是目前為止還沒有對其有個明確的定義，根據相關研究學者J·Bear對其進行的簡單定義得知：多孔介質是指部分空間至少有一種非固態的物質，固體部分被稱為固相基質，固體以外的物質以外的空間被稱為空隙空間。同時，多孔介質中至少有一個空隙空間是相連通的。另外，在1990年S·P·W·Wong對建筑材料進行了分類，即非多孔介質材料、等吸濕多孔介質材料以及毛細多孔介質材料等。根據多孔介質傳輸現象可以得知其具有以下特點：第一，多孔介質傳輸涉及到較多的科學理論，因此具有多學科交叉的特點;第二，多孔介質材料應用于不同的地方，則側重點就不一樣，例如：當多孔介質材料應用于石油開發中，則需要側重其液相流動的規律;第三，多孔介質具有非均勻的特點，這也是構成其復雜性的重要原因，在此則需要通過實踐來了解其中的規律性。

2 關于建筑圍護結構多孔介質材料的傳質系數分析

多孔介質材料的各種傳遞系數在傳熱傳質的研究過程中存在著較大的難題，相關研究學者通過一系列的研究，到目前為止，關于傳質系數的研究成果有以下幾種：水蒸氣擴散系數、液態水擴散系數以及傳導系數。

2.1 水蒸氣擴散系數研究分析

水蒸氣擴散系數是指在一定的蒸汽壓差下，某一時間內通過一定面積擴散的水蒸氣量。同時，根據材料的不同，水蒸氣的擴散系數是不盡相同的，通過研究發現，水蒸氣在材料中的擴散系數與其在空氣中的系數呈以下關系：，其中μ為水蒸氣的擴散阻力系數，其與當地大氣壓力以及溫度有著直接的關系，通過實踐計算得出，水蒸氣擴散系數具有以下幾種成果：第一，水蒸氣擴散系數在濕傳過程中為一定值;第二，水蒸氣擴散系數在不同材料中會產生不同的值;第三，水蒸氣擴散系數與材料物理有著一定的關系，且呈現出一定的規律。

2.2 液態水擴散系數研究分析

隨著水蒸氣的含濕量的增加，在多孔材料中，將會出現水蒸氣以及液態水兩種介質傳遞形式。針對液態水在整個濕傳遞過程中的變化，不同的研究者提出不同的方程來描述，例如：Künzel認為濕擴散系數由吸濕水分階段與毛細水分階段結合而成的;而Roels針對水蒸氣濕傳遞給出了兩種擴散系數的計算辦法，一種是綜合指數法，另一種為疊加函數法，這種系數可以得出水汽曲線。

綜上所述，以上均是由國外研究學者針對擴散系數而提供的研究情況，我國國內針對水分在混凝土中的擴散也進行了大量的研究，以土壤與巖層水流為例，張靖在分析巖石擴散系統影響的基礎上提出擴散系數的溫度校正公式，從而建立了一套研究巖石擴散系統的方法;另外，劉志勇等人針對多孔介質材料的氣體傳輸基礎上而提出一種混凝土氣體有效擴散系數的計算公式，從而提出一種可以通過提高壓力梯度來測量混凝土的透氣性試驗方法等等。而相對于建筑材料而言，其擴散系數的研究較少，但是也有相關研究者提出一些研究成果，例如：蘇向輝針對多孔結構內熱濕遷移的問題，提出了將質擴散系數與熱質擴散系數作為溫度以及含濕量，來觀察液態水擴散系數的線性變化。

2.3 傳導系數研究分析

當驅動力為毛細壓力時，傳濕量的系數等于液態水傳導系數。我國國內不少研究學者就是利用液態水傳導系數來計算土壤方面的傳導系數。在普通建筑材料中，國外相關研究學者提出以下幾點模型，即簡化模型、網絡模型、管束模型等。簡化模型是不考慮多孔結構以及彎曲因子的，而網絡模型是利用網格來模擬實際孔隙結構，并且還通過了電阻網絡模型的驗證。

3 多孔建筑材料質擴散系數研究分析

3.1 關于建筑材料多孔孔隙結構分析

對于建筑材料而言，多孔孔隙影響著其材料的物理性質，例如：強度、定都、彈性等，因此，需要研究以及了解孔隙結構對材料性質的影響，從而有效的解決多孔材料耦合計算的問題。材料內部的熱濕物理性能與材料本身的結構特性有著直接的關系，而多孔材料的復雜性以及多樣性使得多孔材料的孔隙結構模型的建立有著較大的難度，但是還是取得了突破性的收獲，例如：在研究多孔材料結構表征中，探析出了圖像分析技術等相關設備。孔隙結構可以分為以下兩類，即各向同性與各向異性，其中各向異性材料給熱濕傳遞性能的研究帶來一定的難度，所以本文著重結合多孔孔隙結構的各向同性建筑材料來分析熱濕傳遞性能。

3.2 關于質擴散系數的推導分析

為了闡述濕分在多孔孔隙結構各向同性建筑材料中的傳遞過程，則需要將材料的孔隙體積進行進一步細分。當熱力學平衡時，多孔材料的濕度會隨著附近空氣的濕度而升高，一旦到了一定濕度程度時則會凝結液態水。這時候液態水會居于孔隙中，隨著濕度進一步增高，則形成以液態水的形式來傳遞濕度，在此過程中及公共三個含濕量過程，即干燥含濕量、過渡含濕量、有效含濕量。由于水蒸氣以及液態水的傳輸機理不一樣，有串聯模式與并聯模式，因此，多孔介質中濕熱傳遞情況也不盡相同。

4 結語

本文分析了多孔介質傳熱傳質理論，同時，結合多孔建筑材料質擴散系數理論來分析了熱濕物理性能，多孔孔隙結構的建筑材料產生熱濕物理性能與建筑的整體能耗以及室內熱濕環境有著直接的聯系。改善對孔結構建筑材料的熱濕物理性能對實現低碳、低能耗的建筑工程有著十分重要的作用，從而為建筑企業帶來經濟效益與社會效益。

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（作者單位：甘肅中興盛鼎建筑工程公司）