多孔吸濕地板用于南方高濕地區的可行性研究

趙闖 王漢青 黃旭豪

1 南華大學土木工程學院

2 中南林業科技大學土木工程學院

3 建筑環境控制技術湖南省工程實驗室

4 裝配式建筑節能技術湖南省重點實驗室

0 引言

隨著人們對建筑環境舒適度要求的提高，將建筑環境的溫濕度參數控制在合理的區間內顯得尤為重要，然而現有的建筑環境溫濕度調控技術與達到這一目標還存在差距。據統計我國南方地區平均相對濕度在70%～80%，部分地區最高可達95%～100%[1]。每年的二三月份易發生的“回南天”現象，以及“梅雨”季節長時間的陰沉多雨天氣，空氣中的含濕量幾乎達到飽和，一天中溫度變化極大，地板等圍護結構凝露現象隨處可見。地板表面凝露易使老年人和兒童滑倒，同時帶來了清潔工作量增加，空調能耗升高以及潛在的醫療成本上升等問題。因此，防止地板表面凝露亟需解決。

目前室內的濕度控制主要由傳統的主動式除濕和被動式除濕，傳統的主動式除濕需要消耗大量的能源，且控制效果不夠理想，被動式除濕可借助可再生環保型能源或特殊材料自動調節空氣濕度。早在1949年，西藤宮野等人首次提出“調濕材料的概念”[2]。近年來對調濕材料不斷進行補充完善，透水磚被廣泛應用于公園，小區以及人行道中。透水磚自身具有高強度，高氣孔率的特點，較高氣孔率可儲存一定水汽并進行熱能交換，降低地表溫度，同時依靠自身高孔隙率，進行雨水滲透，補充地下水，緩解水資源緊張。但目前研究更偏重于材料配比、添加輔助劑來增強透水系數，對如何開發更好的材料強化其性能，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行整體浸泡實驗，單面浸泡實驗，蒸發強度測試實驗，常溫下在95%相對濕度工況下的吸濕實驗，測試不同的地板吸放濕性能。分析得出了最適合應用在高濕地區的吸濕材料。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

本文選取了三種具有代表性的透水磚，依次為燒結陶瓷透水磚，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的不同孔隙率的試樣進行對比，為了便于對比對五種試樣進行編號，基本參數如表1：

表1 試樣的種類

表1 中所測孔隙為開口孔隙[3]。保水性測定依據JC/T945-2005 標準進行[4]。

1.2 實驗設備

實驗測試所需設備參數如表2 所示：

表2 測試儀器參數

1.3 實驗方法

在進行實驗測試之前，須事先將五種試件放入電熱鼓風干燥箱進行干燥，干燥24 后進行稱量，直至兩次試件稱量質量差小于0.1%時，視為恒重。記試件干燥后的質量為Md，待其溫度降為室溫時稱量其質量記為M1，以避免溫度對磚體吸水特性的影響。將兩次記錄的數據作為實驗初始的邊界條件。

1.3.1 蒸發強度測試

在標準大氣條件下，室溫控制在20±1 ℃，相對濕度控制在40%，計算出五種試件的蒸發面積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，立即進行稱量并記為試樣吸水24 h 的質量M0，將試件放置在預先制作好的鋼絲網架上進行蒸發，每隔0.5 h 稱量一次試樣質量，記為Mt，按式（1）計算試樣的蒸發強度W，計算試件吸水達到飽和后的放濕效果[3]。

式中：Wt為蒸發t 小時后試件的蒸發強度，g/(c)；M0為試件吸水24 h 后的質量，g；Mt為試件蒸發t 小時后的質量g；A 為測試過程中試樣的蒸發面積，即試樣與空氣的接觸面積，cm2；t 為蒸發時間，h。

1.3.2 整體浸泡實驗

整體浸泡實驗借鑒GB/T 2542-2012《砌墻磚實驗方法》進行測試[5]。實驗方法：控制室內空氣溫度為25±1 ℃，相對濕度控制為40%±2%，將干燥后降溫并稱重的試件各三塊進行實驗。自制實驗裝置如圖1 所示，該裝置主要由電子天平，懸掛細繩（質量不計），玻璃箱，玻璃箱尺寸為800 mm×1000 mm×1100 mm，水桶容器和計算機等組成。實驗時，將干燥試件用細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，電子天平通過數據線連接至計算機，設定每隔1 min 記錄質量一次并自動保存至計算機，玻璃箱側面放置兩個溫濕度自記儀隨時監測箱內溫濕度是否有變化，避免對實驗結果造成影響，整個實驗進行12 h，實驗結束后迅速取出試件，用擰干濕毛巾擦去試件表面水分后立即進行稱量，記為濕質量Mw，則根據式（2）計算試件12 h 質量的含水率Ws，同類型試件實驗結果取三塊樣本測試結果平均值。

圖1 吸水實驗圖

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

1.3.3 單面浸泡實驗

單面浸泡實驗參考國際標準ISO15148:2002(E)進行測試[6]。不考慮水化反應，利用多孔結構毛細作用進行吸水測試。考慮多孔地板一般為上表面接觸濕空氣以及液態水，故可將上表面作為實驗測試的浸水面。實驗裝置如圖2 所示，實驗室空氣溫度控制為25±1 ℃，相對濕度控制為40%±2%，將烘干、降溫且稱量的干燥試件各三塊作為實驗樣本，利用防水膠條將試件四個側面及底面進行密封，側面距離上表面8 mm，底面留有足夠的通氣孔用于排氣。將密封好的試件進行稱重，記為m1，用兩點支撐試件，將試件上表面浸沒在水中4～5 mm，水溫為25 ℃，根據試件的吸水快慢按照一定的時間間隔（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量mt，每次水平的取出試件，防止液滴從孔隙漏下影響結果，同時用擰干濕毛巾擦去表面水分，立即進行稱量，待試件進入第二吸水階段質量變化率不超過0.1%時停止實驗。按式（3）、式（4）對第一階段進行線性擬合，采用t1/2為橫坐標，Vm為縱坐標，擬合直線的斜率記為試件的毛細吸水系數Aw，按式（5）計算試件逐時質量含水率Wti及飽和質量含水率Ws，同類型試件實驗結果取三塊樣本測試平均值[7]。公式如下：

圖2 單面浸泡實驗裝置圖

式中：t 為時間，s；A 為試件上表面面積，m2；m1為密封后的試件質量，kg；mt為包裹后的試件質量，kg為試件在ti時刻的值，kg為擬合直線與y軸交點的縱坐標值，kg；md為試件干燥后的質量，kg。

1.3.4 吸濕實驗

吸濕實驗環境控制為：空氣溫度25±1℃，相對濕度控制為95±2%，挑選烘干，降溫且稱重處理的不同試件各三塊作為實驗樣本，自制裝置如圖3 所示，該裝置與圖1 裝置相似，將整體浸泡實驗所用盛水容器換位加濕器，實驗時預先通過智能加濕器將玻璃箱內空氣加濕，控制箱體內空氣濕度恒定，設定溫濕度自記儀間隔一分鐘進行計數。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量一次并儲存于電腦，不同時刻試件的質量記為mt，實驗進行48 h觀測試件是否達到吸濕平衡，利用式（6）計算試件的吸濕率，同類型的試件實驗結果取三塊樣本測試結果平均值。

圖3 吸濕測試裝置圖

式中：mt為不同時刻試件吸濕后的質量，kg；md為試件干燥24 h 后的質量，kg。

2 實驗結果與分析

五種不同試件達到飽和平衡時測試結果如表3所示：

表3 實驗測試結果

2.1 多孔地板蒸發強度分析

蒸發強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強度均隨時間增加在逐漸減少，這是由于初始時刻試件中由于自身孔隙的存在，在水中浸泡24 h 后孔隙已經充滿了液態水，其中材料與水結合的方式又存在多種，如毛細管水，吸附水和層間水等。最初是由于環境濕度低，材料本身與環境間處于濕度差，從而促使材料內部的水分從孔隙中遷移到表面，擴散到空氣中。從表3 可知混凝土試件的蒸發強度要遠大于其他材料試件，蒸發強度為0.066 g/(cm2·h)，約為其它試件的6 倍，蒸發強度越大，表示著當多孔地板吸濕達到平衡后放濕能力越強。若采用混凝土所示材料進行多孔地板鋪設于高濕地區門廳當中，用來調節室內濕度的能力也就越強，但是調濕能力還與材料的吸濕性能，含濕量和試件自身孔隙有關，需要從多個方面進行設計。蒸發強度能夠從一方面表面多孔地板用于高濕地區具有較大的可行性。

圖4 蒸發強度圖

2.2 多孔地板吸水性能分析

整體浸泡實驗測試五種多孔地板的質量含水率如圖5 所示，陶瓷透水磚A，E 和砂基透水磚B 均在30 min 左右便達到了最大平衡含濕量，混凝土試件D在80 min 后達到平衡，陶土透水磚試件C 則經過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%，經測量陶土透水磚試件C 孔隙率較小，且主要材料為陶土成分，內部連通孔隙少，水分需要足夠的時間才能完全充滿孔隙。各種試件單位面積的吸水速率（圖6）隨時間的變化趨勢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樣品的面積大小無關，而主要與試樣的孔隙以及材料成分有關，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

單面浸泡實驗主要利用多孔地板的毛細吸水作用，五種透水地板的質量含水率隨時間的變化如圖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 達到平衡時的最大含水率為15.78%，約為混凝土試件D 飽和質量含水率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 混凝土材料毛細作用效果不明顯，需要將近100 min 才可以趨于最大值。在毛細作用的驅使下，試件初始階段吸水速率與時間的開方成線性關系，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，毛細作用與重力作用相反，因此單面浸泡試件整體達到飽和狀態時所需時間較整體浸泡而言要久一些，但實際工程中多孔地板大多是單面接觸濕空氣，因此單面浸泡測試性能更為切合實際。

圖7 毛細作用含水率

但是大多情況下多孔地板接觸的是濕空氣，為此測試了多孔地板在95%濕度的環境中的吸濕情況，結果如圖9 所示，五種試件均是隨著吸濕時間的增加，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行擴散。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到最大值，繼續吸濕，有部分水蒸氣發生液化，通過連通孔隙滲透到地板下面，導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，經歷2000 min 后試件燒結陶瓷透水磚A，E 和燒結陶土透水磚C 均趨于平衡狀態，但試件B 混凝土透水磚依然進行吸濕，盡管速率下降，但是經歷48 h 后還未趨于平衡，表明混凝土、石英砂的吸濕能力較強，不僅與自身孔隙較大有關，主要還由于混凝土更易于與水分結合。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 吸濕實驗含水率

對比上面吸濕實驗與吸水實驗，除了混凝土試件B 之外吸濕達到平衡的時間大約為1500 min，而整體浸泡實驗，陶瓷透水磚AE 和混凝土透水磚B 僅用了30 min 便達到了平衡，吸濕平衡所需時間比吸水大出50 倍，這主要是由于多孔材料內部連通孔形成了毛細管道，在毛細管力的作用下，液態水遷移速度要大于壓力驅動下的濕空氣擴散速度，多孔介質水分擴散過程中，忽略溫度情況下，毛細作用占主導作用，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 的數據對比分析可知，試件C 的陶土燒制的多孔磚保水性能最大，無論是整體浸泡實驗還是單面浸泡實驗，最大飽和質量含水率都比較大，從表1 還可得出五個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，可見材料對多孔地板的保水性能有很大的影響。蒸發強度越慢，表示材料的保水能力越強，越不易被蒸發，ACE 均為燒結陶瓷透水磚，故而表明陶瓷的保水性較好，相對于混凝土、砂基制作的多孔磚更容易利用自身連通孔隙保水。另外單面浸泡實驗與整體浸泡實驗最大飽和含水量不同的一個原因是，可能試件自身孔徑尺寸大小不一樣，當達到自身最大持水能力時，部分水會發生滲透，實驗當中從水中取出時也會遺漏掉部分水，故而會造成誤差。

2.4 多孔地板霉變風險分析

從上述結果表明，多孔地板內部復雜的孔隙結構易儲存濕空氣，而霉菌生長對氧氣的需求量較小，同時多孔介質中較高的相對濕度、有機物質都會給霉菌營造適宜生存的環境。因此多孔地板在增加吸濕性能的同時卻帶來了霉變的風險，霉菌的存在勢必會降低室內舒適度，甚至引起霉菌病、過敏、霉菌中毒等人體疾病。對于大多數霉菌而言，其生長所需的相對濕度為80%，因此降低多孔介質霉變的風險需要及時將吸收的水分排除出去，利用如圖10 所示鋪設模型，在多孔地板鋪設過程中，在土基層鋪設帶有多孔的管道，及時將吸收的水分排出。既可清楚地板積水，又可以降低霉變風險。

圖10 透水磚濕度調節圖

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

表4 不同試件吸濕性能對比

3 結論

通過研究五種不同材質的多孔地板透吸濕性能，對其進行蒸發強度測試，浸泡實驗以及吸濕實驗，證明用于高濕地區地板鋪設具有較高可行性，得出如下結論：

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聯，主要與多孔地板所含材料成分相關，在選取吸濕性較大的材料基礎上合理設計孔隙結構能夠大幅度提高多孔地板的保水性能。

2）多孔地板的蒸發強度與最大飽和質量的含水率呈負相關，蒸發強度越大，吸濕達到飽和時質量含水率越小，其中陶土燒結的陶瓷透水磚A 最大的飽和質量含水率為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，可通過對材料進行改性，來加強其吸放濕性能。

3）多孔地板的吸濕速率小于吸水速率，而且達到吸濕平衡需要消耗較久的時間，混凝土試件B 在95%高濕的環境中，可以持續48 h 進行吸濕依然未達到平衡，說明混凝土、石英砂的吸濕能力較強，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，可依據不同場合，合理設定多孔地板的參數，來滿足不同工程實際需要。

在加強多孔吸濕地板的吸放濕性能的基礎上，在材料配比設計中，能否減少有機物成分，通過添加氧化鋅、二氧化鈦等添加劑來抑制霉菌的生長，如何開發更好的吸濕材料，通過在現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一步驗證。