珊瑚砂混凝土熱濕物性參數研究

王瑩瑩, 黃津津, 王登甲, 劉艷峰, 劉加平

(1.西安建筑科技大學 西部綠色建筑國家重點實驗室, 陜西 西安 710055; 2.西安建筑科技大學 建筑設備科學與工程學院, 陜西 西安 710055)

珊瑚沉積物可以用作混凝土中的骨料[1],與傳統混凝土相比,珊瑚砂混凝土具有更好的耐腐蝕性、更低的密度和細度模量,用珊瑚砂制作的輕質混凝土砌塊在島嶼地區已廣泛應用[2].由于地理位置限制,將河砂輸送到島嶼施工現場會大大增加成本[3],利用珊瑚砂不僅可以降低工程造價,而且能夠提高建筑的耐腐蝕性，以適應海水的干燥-潤濕循環環境.因此，眾學者對珊瑚砂混凝土的抗壓及耐久性能開展了許多研究[4-6],但對其熱濕物性參數的研究并不多見.

混凝土的導熱系數受骨料類型、孔隙率及干濕狀態等的影響,且溫濕度對其影響較大[7].因為在高溫高濕作用下,液態水在材料內部孔隙的儲存、蒸發與遷移,使傳熱過程變為三相(固、液、氣)熱傳導.Khoukhi等[8]認為必須要求建筑保溫材料制造商提供產品在不同工作溫度和濕度下的導熱系數,以準確進行建筑能耗的評估,當絕緣層含水率分別為0%與30%時,建筑冷負荷相差8%.輕質骨料混凝土的導熱系數和比熱對水分含量有很大的依賴性[9],其導熱系數隨含水量的增加而增加[10-12],且孔隙率越大含濕量對其有效導熱系數影響越明顯[13].因此,將材料干燥狀態下的導熱系數應用于高溫高濕地區的建筑能耗計算，將導致計算不準確、冷凝風險增大等問題[14].

在低緯度島礁地區,建筑常年處在高溫高濕的環境中,建筑傳熱與傳濕過程相互耦合,且忽略溫濕度對建筑材料導熱系數的影響必然造成建筑能耗計算的不準確.吸水系數和等溫吸濕曲線是建筑熱濕耦合傳遞過程計算的基礎參數,吸水系數常用于評估建筑材料由于毛細作用對吸水速率的影響,等溫吸濕曲線可以反映出吸附水對相對濕度的依賴性.因此,本文對低緯度島礁地區新興的珊瑚砂混凝土(CSC)的熱濕物性參數進行研究,利用微粒學水銀孔隙度儀獲得了CSC的孔隙率及孔徑分布;研究了溫濕度對CSC導熱系數的影響,得到了CSC的導熱系數隨相對濕度變化的函數關系式、CSC的吸水系數及等溫吸濕曲線,為準確計算建筑能耗及建筑熱濕傳遞研究提供基礎參考.

1 試驗

1.1 原材料

從工程中的小型珊瑚砂混凝土砌塊上截取所需試件,珊瑚砂混凝土配合比如表1所示.將混凝土制作成1～5mm的顆粒用于壓汞試驗,測試材料的孔隙率和孔徑分布.根據ASTM C1794—2015《用部分浸泡法測定吸水系數的標準試驗方法》，制作了3塊吸水面積大于等于100cm2的試件,用于材料的吸水系數測試.根據GB/T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定-防護熱板法》,制作2塊尺寸為200mm×200mm的試件,用于穩態保護熱板法測試不同溫度下試件的導熱系數.制作3塊尺寸大于傳感器面積(25mm×40mm)的試件,用于瞬態法測試材料在不同濕度下的導熱系數.導熱系數測試用試件的平均密度為1615.02kg/m3,其參數如表2所示.

表1 珊瑚砂混凝土配合比

表2 導熱系數測試試件的參數

1.2 試驗裝置

用Auto Pore IV 9500 V1.09微粒學水銀孔隙度儀測試CSC的孔隙率及孔徑分布,其測量范圍為0～6×105nm,精度為±0.1%,工作壓力為414MPa.參考ASTM C1794—2015，用自行搭建的試驗裝置測試CSC的吸水系數,裝置示意圖如圖1所示.用德國耐馳公司生產的GHP456型穩態導熱系數測試儀測試在不同溫度下干燥CSC材料的導熱系數,其測量范圍為0.01～2.00W/(m·K),測量精度為±0.1%.用基于平面源原理設計[15]的西安夏溪科技生產的TC3000型瞬態導熱系數測試儀測試不同濕度工況下CSC材料的導熱系數,其測試范圍為0.005～10.000W/(m·K),精度為±3%;為了構造具有穩定相對濕度的環境,將材料放置在德國Binder公司生產的KMF115型恒溫恒濕箱中,其控溫范圍為-10～100℃,精度為±2%,濕度調節范圍為0%～100%,精度為±3%.

圖1 吸水系數測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the water absorption coefficient test device

1.3 試驗方法

利用微粒學水銀孔隙度儀,汞在不同壓力下,將侵入不同孔徑大小的孔內,從而測試材料的孔徑分布及孔隙率.測量材料的吸水系數時,首先將試件干燥并將其周圍用石蠟密封以防止水的入侵,然后將材料放入水箱內的支架上,使試件底部被水浸沒1.0～1.5cm,在一定時間段內取出并擦干試件底部的液態水,稱取試件此時的質量.

干燥CSC材料在不同溫度工況下的導熱系數直接利用GHP456測得,考慮中國不同地區的氣候變化及建筑實際所處環境的溫度波動范圍,將工況設置為-20～50℃,每隔10℃測試1次.測量CSC材料在不同濕度下的導熱系數時,需要將材料放置在不同濕度環境中達到熱濕平衡,為保證其熱濕狀態不發生改變,直接在恒溫恒濕箱內測量材料的導熱系數.溫度取25、35℃,相對濕度取0%、30%、50%、70%、85%、100%,試驗主要過程如下：

(1)將試件放入鼓風干燥箱,105℃下烘干至恒重(連續3次間隔24h測得試件的質量變化不超過0.1%),將烘干后的試件用保鮮膜包裹冷卻至室溫,取試件此時的質量為其初始質量m0.

(2)將試件放入恒溫恒濕箱,設定對應的溫濕度.在每個工況下放置3d后,每隔24h進行1次測量,直至試件在連續3次測得的質量變化率小于0.1%則認為達到平衡.

(3)利用瞬態導熱系數測試儀測量材料在不同溫濕度工況下達到平衡狀態時的導熱系數,每種工況下測量10組,結果取其平均值.同時用試件平衡時的質量來計算材料在該工況下的含濕量(質量分數).

2 結果與分析

2.1 CSC的孔隙率和孔徑分布

CSC的總孔隙率(體積分數)為28.76%,其內部孔徑分布如圖2所示.由圖2可見,CSC的平均孔徑較小,孔體積增速最大值出現在孔徑30～40nm,占總孔隙的3.81%.由于儀器測試精度的限制,大于6×105nm的孔徑無法細分.

圖2 CSC內部孔徑分布Fig.2 Pore size distribution of CSC

2.2 CSC的吸水系數

圖3 CSC吸水量測試曲線Fig.3 Test curve for CSC water absorption

圖3為CSC吸水量測試曲線,即在吸水過程中材料單位面積的吸水量Δm′tf隨時間變化的曲線.根據ISO 15148—2002《建筑材料和產品的熱濕特性-部分浸入法測定吸水系數》,可利用圖3數據計算材料的小時吸水系數.由圖3可見：CSC單位面積的質量增量隨時間的變化是1條曲線,曲線的斜率緩慢減小,在24h以后趨于穩定,此時在試件表面觀測到明水,這表明液態水已經傳遞到試樣上表面.材料的小時吸水系數Ww,24和含濕量U的計算公式為：

(1)

(2)

式中：Δmtf為材料的吸水量,即試樣在tf時刻與初始時刻的質量差,單位為kg.

2.3 不同溫度下干燥CSC的導熱系數

圖4為不同溫度下CSC的導熱系數λθ及相對導熱系數λθ/λ20,其中相對導熱系數為不同溫度下材料導熱系數與20℃時材料導熱系數λ20的比值.由圖4可見：在低溫-20～10℃階段,導熱系數隨溫度升高略有增大,增長率為0.55%;在中溫10～20℃階段,導熱系數出現明顯降低,降低率為1.54%,這可能是由于材料本身的比熱變化[9]的影響;在高溫20～50℃階段,導熱系數增長率約為0.47%；與20℃時的導熱系數相比,CSC導熱系數最高增長約1.02倍,這說明不考慮相對濕度,在建筑環境可達到的溫度范圍內,溫度對CSC導熱系數的影響較小.

圖4 不同溫度下CSC的導熱系數及相對導熱系數Fig.4 Thermal conductivity and relative thermal conductivity of CSC under different temperature conditions

2.4 CSC的等溫吸濕曲線

圖5 CSC的等溫吸濕曲線Fig.5 Moisture sorption isotherms of CSC

根據不同濕度下CSC含濕量的變化,繪制了CSC的等溫吸濕曲線,如圖5所示.由圖5可見,等溫吸濕曲線分為3個階段：第1階段,相對濕度0%～30%,CSC含濕量平穩增加;第2階段,相對濕度30%～85%,CSC含濕量增加緩慢;第3階段,相對濕度85%～100%,CSC含濕量迅速增加.這主要是因為在低相對濕度下CSC孔內多為濕空氣,隨著相對濕度的增加,濕空氣逐漸填充以至于其孔隙內的水蒸汽分壓力增高,且由于孔隙逐漸被濕空氣充滿所以含濕量增長緩慢,進一步增大相對濕度,其內部水蒸汽分壓力進一步增大,這時材料內部出現液態水,且液態水逐漸增多甚至吸附到孔壁上形成水橋[16],導致其含濕量迅速增大.

2.5 不同相對濕度下CSC的導熱系數

當濕空氣滲入材料內部時,隨著相對濕度的變化,材料孔隙內部可能出現氣態、氣液共存態和液態,繼而存在水蒸汽的儲存、蒸發與遷移的過程,使材料內部的濕分布發生變化,其傳熱傳濕過程高度耦合[7,13],將造成導熱系數的巨大變化.孔隙率的差異使材料導熱系數隨相對濕度的變化幅度不同,且由于孔徑分布的差異,導熱系數隨相對濕度的增加變化速率也不同.

圖6為CSC導熱系數隨相對濕度的變化曲線.由圖6可見：其導熱系數隨相對濕度呈多項式函數關系增長,這與文獻[17]中所研究材料在不同溫濕度下導熱系數變化趨勢相同,并與文獻中得到的相對濕度與導熱系數呈非線性關系的結論相似[9,11-13,16-18];當相對濕度從0%增至100%時,CSC的導熱系數在25℃ 下的增長率約為29.5%,在35℃下的增長率約為49.0%.

圖6 CSC導熱系數隨相對濕度的變化Fig.6 Thermal conductivity of CSC changes with relative humidity

由圖6還可見：混凝土的導熱系數隨相對濕度的增高而增大,且該過程可分為3個階段,隨濕度的增加,第1階段導熱系數緩慢上升,第2階段導熱系數變化趨于平緩,第3階段導熱系數迅速增加.這和CSC的等溫吸濕特性相符合,一方面,由CSC的吸濕曲線可以看出隨著相對濕度的增加含濕量有1個趨于平緩的變化過程,導熱系數在這個階段增加緩慢;另一方面,混凝土中的被困水可能以氣液平衡的方式存在[9].低相對濕度時,部分濕空氣進入孔的內部,導致導熱系數增加;相對濕度進一步增大時,其導熱系數顯示出平穩甚至稍有下降的趨勢,這可能是由于濕空氣開始充滿其內部的孔隙并與孔壁之間產生壓力,雖然濕空氣的填充會使導熱系數增大,但是其與孔壁之間的空氣層,相當于1層接觸熱阻,在壓力作用下將對傳熱非常不利,這時導熱系數將隨相對濕度上升的緩慢甚者有所降低;進一步提升相對濕度,孔內部的濕空氣開始滲透,且孔內逐漸變為氣液共存態,對傳熱的阻礙將減小,這時導熱系數又重新回升;在相對濕度增至100%時,材料內部液態水的含量大大增高,這時材料內部氣液共存狀態逐漸轉變為液態水居多狀態,可以觀測到導熱系數增長迅速.

對比已有的研究[18-20],輕質混凝土材料的導熱系數均隨著水濕量的增加先迅速增加后趨于平緩,且試驗多是利用浸泡法改變材料的含濕量,這種情況下材料含濕量的變化完全是由于液態水的入侵導致,而本研究中改變的是環境相對濕度,在材料內部發生的冷凝-蒸發動態平衡過程[9]更接近實際狀態.因此,在后續研究中,結合孔徑大小分析相對濕度對導熱系數影響的理論探索更有意義.

3 結論

(2)在干燥狀態下,珊瑚砂混凝土-20～50℃下的導熱系數隨溫度升高并非單調遞增;溫度對其導熱系數影響較小,導熱系數最大變化率約為0.55%.

(3)在25、35℃,相對濕度0%～100%下,珊瑚砂混凝土導熱系數隨相對濕度變化的過程可分為平穩上升階段、趨于平緩階段和迅速增加3個階段,與其等溫吸濕特性相符合.

(4)當相對濕度在0%～100%范圍內變化時,無論是在35℃還是在25℃下,珊瑚砂混凝土導熱系數隨相對濕度變化過程均可近似成二次多項式函數關系.當相對濕度從0%增至100%時，CSC的導熱系數在25、35℃下分別增長約29.5%、49.0%.