典型外墻外保溫系統濕氣遷移對其耐久性影響研究

吳小雙

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

0 引 言

外墻外保溫系統是提升建筑圍護結構節能的有效手段，但其在服役過程中逐漸暴露的空鼓、開裂、發霉、脫落等病害問題，影響了建筑的節能性、舒適性和耐久性[1]。外墻外保溫系統失效的一個重要原因是建筑內外環境熱濕傳遞引起水分累積[2]，進而導致材料性能逐漸失效、各材料層之間的粘結強度下降和保溫材料的熱工性能降低。由于有機保溫材料屢屢引起火災事故，使得無機保溫砂漿外保溫系統受到了廣泛應用。然而，由于無機保溫砂漿具有多孔、吸水率較高的特點，在服役過程中容易因吸濕、吸水導致其熱工性能和力學性能下降[3]。該系統在全國范圍內尤其夏熱冬冷地區使用爭議較大，研究溫度作用下的濕氣遷移情況所導致的耐久性失效成因極為重要。

國內外學者對無機保溫砂漿外保溫系統的傳濕進行了相關研究，發現砂漿內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散、水蒸氣凝結等因素的影響[4]。李秀輝等[5]研究了廣州返潮季節窒內自然環境下玻化微珠保溫砂漿的吸放濕情況，研究發現，該砂漿含水率隨空氣濕度變化非常敏感。任鵬等[6]測試了玻化微珠保溫砂漿的自然態吸放濕曲線、質量平衡含濕率和濕平衡狀態及絕干狀態下的導熱系數，研究發現，隨著空氣相對濕度下降，砂漿內部所含水分在短時間內并不能完全排出；玻化微珠保溫砂漿在相同溫濕度環境下存在平衡含濕量，且平衡含濕量隨環境溫濕度同向變化；相較于保溫砂漿烘干狀態下的導熱系數，濕平衡狀態下的導熱系數平均增大7.82%。張冰等[4]研究了水蒸氣擴散、空氣滲流、冷凝對玻化微珠保溫砂漿濕積累的影響，發現空氣流入時砂漿內水蒸氣分壓力和濕積累速率最大值向內遷移，空氣流出時相反，水蒸氣冷凝的速率與冷凝區域的邊界溫度成正比。目前相關的研究主要針對玻化微珠保溫砂漿，而對其作為保溫材料的外保溫系統的傳熱傳濕研究較少。本文采用WUFI Pro 6.0熱濕模擬軟件對瓷磚飾面無機保溫砂漿外墻外保溫系統進行穩態和非穩態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熱濕模擬軟件對瓷磚飾面無機保溫砂漿外墻外保溫系統進行溫濕耦合模擬。該系統各材料的組成和厚度如表1所示。組成材料的熱物性參數如表2所示。

表1 瓷磚飾面無機保溫砂漿外墻外保溫系統組成

表2 組成材料熱物性參數

1.2 邊界條件

將瓷磚飾面無機保溫砂漿外墻外保溫系統的溫濕耦合模擬分為穩態和非穩態2種情況。穩態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 穩態溫濕耦合模擬的邊界條件

瓷磚無機保溫砂漿外墻外保溫系統的非穩態溫濕耦合模擬時，室外的溫濕度采用上海2008年全年的溫濕度氣象數據（各年度溫濕度數據基本類似），考慮到室內通風良好且有空調、除濕機等電器調節溫濕度，設定室內的溫度為18～26℃，當室外溫度低于18℃時，設定室內溫度為18℃，當室外溫度高于26℃時，設定室內溫度為26℃，當室外溫度為18～26℃時，設定室內溫度與室外溫度相同，室內相對濕度則恒定為60%。

設定所有材料的初始溫度為20℃，初始相對濕度為80%。穩態條件下溫濕耦合模擬的計算時間為3年，以保證整個系統的傳濕達到穩定。非穩態條件下溫濕耦合模擬的計算則采用上海2008年的溫濕度氣象數據連續計算至少3次。

2 穩態條件下系統內部濕氣遷移研究

由于大多數建筑材料是親水性的，會出現毛細凝結現象，即使相對濕度還沒有達到100%，建筑材料內部毛細孔內就會出現液態水[7]，并發生液態水的傳輸過程，進而影響其熱工性能，墻體出現發霉甚至破壞墻體結構的現象[8]。對于具有不同孔隙特征的多孔材料，出現液態水的相對濕度有所不同。本文設定墻體內部相對濕度達到90%時會出現毛細凝結，相對濕度達到100%時會出現冷凝。

2.1 夏季穩態條件下系統內部濕氣遷移研究

2.1.1 夏季條件溫度變化情況

系統夏季工況穩態模擬溫度變化情況如圖1所示。

圖1 無機保溫砂漿外墻外保溫系統夏季墻體溫度分布

由圖1可見，從系統外側到內側溫度逐漸下降，溫度的下降主要出現在無機保溫砂漿和加氣混凝土內。整個系統內外表面的溫差為8.17℃，無機保溫砂漿內外表面的溫差為2.10℃，加氣混凝土內外表面的溫差為5.68℃。主要原因是無機保溫砂漿和加氣混凝土的導熱系數小且厚度大，因此熱阻大。加氣混凝土在夏季墻體隔熱中起主要作用，其次是無機保溫砂漿。

2.1.2 夏季條件濕氣遷移情況

系統夏季工況穩態模擬相對濕度變化情況如圖2所示。

圖2 無機保溫砂漿外墻外保溫系統夏季墻體濕度分布

由圖2可見：

（1）墻體各個位置的相對濕度均未達到100%，因此不會出現冷凝現象。其中一小部分瓷磚相對濕度超過90%，說明該部分出現了毛細凝結。

（2）從系統的外側到內側，瓷磚、瓷磚膠、抹面砂漿、抹灰砂漿的相對濕度逐漸下降，而無機保溫砂漿和加氣混凝土的相對濕度逐漸增大。對于瓷磚、瓷磚膠、抹面砂漿和抹灰砂漿，導熱系數和水蒸氣擴散阻力因子較大，導致材料內相對溫度變化不大，因此飽和水蒸氣分壓變化不大，而實際水蒸氣分壓變化較大。

（3）從材料的外側到內側，溫度變化不大，飽和水蒸氣分壓也變化不大，而實際水蒸氣分壓明顯下降，因此相對濕度出現下降。其中瓷磚的水蒸氣擴散阻力因子很大且有一定的厚度，對墻體的水蒸氣傳輸過程的影響最大，當水蒸氣從室外向室內傳輸時，瓷磚阻礙了水蒸氣從室外進入墻體，從瓷磚外側到內側，相對濕度快速下降。對于無機保溫砂漿和加氣混凝土，導熱系數和水蒸氣擴散阻力因子較小，導致材料內溫度變化較大，因此飽和水蒸氣分壓變化較大，而實際水蒸氣分壓變化不大。無機保溫砂漿和加氣混凝土從外側到內側，溫度明顯下降，飽和水蒸氣分壓也明顯下降，而實際水蒸氣分壓變化不大，因此相對濕度明顯上升。

2.2 冬季穩態條件下系統內部濕氣遷移研究

2.2.1 冬季條件溫度變化情況

系統冬季工況穩態模擬溫度變化情況如圖3所示。

圖3 無機保溫砂漿外墻外保溫系統冬季墻體溫度分布

由圖3可見，整個墻體內外表面的溫差為20.80℃，無機保溫砂漿內外表面的溫差為4.54℃，加氣混凝土內外表面的溫差為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，其次是無機保溫砂漿。此外，由于無機保溫砂漿的保溫作用，加氣混凝土的溫度高于0℃，不會出現凍融。

2.2.2 冬季條件濕氣遷移情況

系統冬季工況穩態模擬相對濕度變化情況如圖4所示。

圖4 無機保溫砂漿外墻外保溫系統冬季墻體濕度分布

由圖4可見，墻體各個位置的相對濕度都未達到100%，不會出現冷凝現象。接近1/2厚度的墻體的相對濕度超過90%，說明該部分墻體出現了毛細凝結，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、無機保溫砂漿和抹灰砂漿。主要原因是瓷磚的水蒸氣擴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，導致其內側的墻體出現濕累積的現象，一部分墻體的相對濕度較高。

由穩態模擬結果可知，夏季熱量和水蒸氣的傳輸方向是從室外到室內，冬季熱量和水蒸氣的傳輸方向是從室內到室外。由于全年中出現了反向的蒸汽滲透現象，且室外相對濕度較高，外墻外保溫系統材料層的蒸汽滲透阻不應過大，以避免嚴重阻礙水蒸氣傳輸過程，導致出現墻體濕累積的現象。保溫材料的導熱系數小，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散阻力因子較小，實際水蒸氣分壓變化不大，保溫材料的相對濕度就會快速上升。因此宜選用水蒸氣擴散阻力因子較大的保溫材料，使實際水蒸氣分壓也快速下降，避免保溫材料的相對濕度快速上升。

3 非穩態條件下系統內部濕氣遷移研究

上海地區各年度溫濕度數據基本類似，本文在進行非穩態模擬時室外的溫濕度采用上海市2008年全年的溫濕度氣象數據，分別如圖5、圖6所示。

圖5 上海市2008年的溫度氣象數據

圖6 上海市2008年的相對濕度氣象數據

3.1 非穩態條件系統內部溫度變化

系統非穩態模擬溫度變化情況如圖7所示。

圖7 無機保溫砂漿外墻外保溫系統非穩態模擬溫度變化

由圖7可見，加氣混凝土內外表面的溫度一直都在0℃以上，說明加氣混凝土不會凍融。無機保溫砂漿和加氣混凝土的熱阻較高，隔熱作用好，減小了溫度的波動范圍，使室內的溫度保持相對恒定。

3.2 非穩態條件系統內部濕氣遷移情況

系統非穩態模擬相對濕度變化情況如圖8所示。

圖8 無機保溫砂漿外墻外保溫系統非穩態模擬濕度變化

由圖8可見，系統外表面的濕度波動范圍較大，而砂漿和加氣混凝土內外表面的濕度波動范圍都不大，說明無機保溫砂漿外表面外側的部分蒸汽滲透阻較大，減小了濕度的波動范圍。

值得注意的是，無機保溫砂漿和加氣混凝土的內外表面的相對濕度都沒有超過90%，說明無機保溫砂漿外表面內側的部分不會出現冷凝或毛細凝結。

無機保溫砂漿和加氣混凝土的含水量隨時間的變化如圖9所示。

圖9 無機保溫砂漿和加氣混凝土含水量的變化

由圖9可見，加氣混凝土的含水量為7.5～8.5 kg/m3，無機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。無機保溫砂漿的含水量波動范圍相對較大，主要原因是無機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。

由非穩態的溫濕耦合模擬結果可知，無機保溫砂漿外墻外保溫系統不會出現冷凝或毛細凝結。與穩態的溫濕耦合模擬結果相比，非穩態的模擬結果更接近實際情況，說明目前的無機保溫砂漿外墻外保溫系統在理論上是有效的，不會出現冷凝或毛細凝結。考慮到實際情況的復雜多變，與本文中設置的溫濕度條件可能有較大不同，無機保溫砂漿外墻外保溫系統也可能會出現冷凝或毛細凝結現象。

4 結論

（1）對無機保溫砂漿外墻外保溫系統進行3年夏季工況穩態模擬結果顯示，系統不會出現冷凝，只有小部分瓷磚出現毛細凝結；3年冬季工況穩態模擬結果顯示，系統不會出現冷凝，但近1/2厚度的墻體的相對濕度超過90%，說明墻體出現了比較嚴重的毛細凝結現象。瓷磚的水蒸氣擴散阻力因子很大且有一定的厚度，對墻體的水蒸氣傳輸過程有很大影響，在冬季容易導致墻體出現濕累積的現象。

（2）非穩態的溫濕耦合模擬結果表明，無機保溫砂漿外墻外保溫系統保溫層外表面內側的部分不會出現冷凝或毛細凝結，然而保溫層外側的部分有可能出現毛細凝結，從而影響外保溫系統的熱工性能和耐久性。

（3）當無機保溫砂漿外墻外保溫系統中出現濕累積或毛細凝結現象時，保溫層在凍融循環條件下易產生凍融破壞，長時間浸水導致化學組成及孔結構變化，進而造成開裂、粉化甚至脫落等耐久性失效問題。上海全年中出現了反向的蒸汽滲透現象，且室外相對濕度較高，外墻外保溫系統材料層的蒸汽滲透阻不應過大，以避免出現墻體濕累積的現象。因此，夏熱冬冷地區宜選用水蒸氣擴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濕度快速上升。