珊瑚砂混凝土热湿物性参数研究

王莹莹, 黄津津, 王登甲, 刘艳峰, 刘加平

(1.西安建筑科技大学 西部绿色建筑国家重点实验室, 陕西 西安 710055; 2.西安建筑科技大学 建筑设备科学与工程学院, 陕西 西安 710055)

珊瑚沉积物可以用作混凝土中的骨料[1],与传统混凝土相比,珊瑚砂混凝土具有更好的耐腐蚀性、更低的密度和细度模量,用珊瑚砂制作的轻质混凝土砌块在岛屿地区已广泛应用[2].由于地理位置限制,将河砂输送到岛屿施工现场会大大增加成本[3],利用珊瑚砂不仅可以降低工程造价,而且能够提高建筑的耐腐蚀性，以适应海水的干燥-润湿循环环境.因此，众学者对珊瑚砂混凝土的抗压及耐久性能开展了许多研究[4-6],但对其热湿物性参数的研究并不多见.

混凝土的导热系数受骨料类型、孔隙率及干湿状态等的影响,且温湿度对其影响较大[7].因为在高温高湿作用下,液态水在材料内部孔隙的储存、蒸发与迁移,使传热过程变为三相(固、液、气)热传导.Khoukhi等[8]认为必须要求建筑保温材料制造商提供产品在不同工作温度和湿度下的导热系数,以准确进行建筑能耗的评估,当绝缘层含水率分别为0%与30%时,建筑冷负荷相差8%.轻质骨料混凝土的导热系数和比热对水分含量有很大的依赖性[9],其导热系数随含水量的增加而增加[10-12],且孔隙率越大含湿量对其有效导热系数影响越明显[13].因此,将材料干燥状态下的导热系数应用于高温高湿地区的建筑能耗计算，将导致计算不准确、冷凝风险增大等问题[14].

在低纬度岛礁地区,建筑常年处在高温高湿的环境中,建筑传热与传湿过程相互耦合,且忽略温湿度对建筑材料导热系数的影响必然造成建筑能耗计算的不准确.吸水系数和等温吸湿曲线是建筑热湿耦合传递过程计算的基础参数,吸水系数常用于评估建筑材料由于毛细作用对吸水速率的影响,等温吸湿曲线可以反映出吸附水对相对湿度的依赖性.因此,本文对低纬度岛礁地区新兴的珊瑚砂混凝土(CSC)的热湿物性参数进行研究,利用微粒学水银孔隙度仪获得了CSC的孔隙率及孔径分布;研究了温湿度对CSC导热系数的影响,得到了CSC的导热系数随相对湿度变化的函数关系式、CSC的吸水系数及等温吸湿曲线,为准确计算建筑能耗及建筑热湿传递研究提供基础参考.

从工程中的小型珊瑚砂混凝土砌块上截取所需试件,珊瑚砂混凝土配合比如表1所示.将混凝土制作成1～5mm的颗粒用于压汞试验,测试材料的孔隙率和孔径分布.根据ASTM C1794—2015《用部分浸泡法测定吸水系数的标准试验方法》，制作了3块吸水面积大于等于100cm2的试件,用于材料的吸水系数测试.根据GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定-防护热板法》,制作2块尺寸为200mm×200mm的试件,用于稳态保护热板法测试不同温度下试件的导热系数.制作3块尺寸大于传感器面积(25mm×40mm)的试件,用于瞬态法测试材料在不同湿度下的导热系数.导热系数测试用试件的平均密度为1615.02kg/m3,其参数如表2所示.

表1 珊瑚砂混凝土配合比

表2 导热系数测试试件的参数

用Auto Pore IV 9500 V1.09微粒学水银孔隙度仪测试CSC的孔隙率及孔径分布,其测量范围为0～6×105nm,精度为±0.1%,工作压力为414MPa.参考ASTM C1794—2015，用自行搭建的试验装置测试CSC的吸水系数,装置示意图如图1所示.用德国耐驰公司生产的GHP456型稳态导热系数测试仪测试在不同温度下干燥CSC材料的导热系数,其测量范围为0.01～2.00W/(m·K),测量精度为±0.1%.用基于平面源原理设计[15]的西安夏溪科技生产的TC3000型瞬态导热系数测试仪测试不同湿度工况下CSC材料的导热系数,其测试范围为0.005～10.000W/(m·K),精度为±3%;为了构造具有稳定相对湿度的环境,将材料放置在德国Binder公司生产的KMF115型恒温恒湿箱中,其控温范围为-10～100℃,精度为±2%,湿度调节范围为0%～100%,精度为±3%.

图1 吸水系数测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the water absorption coefficient test device

利用微粒学水银孔隙度仪,汞在不同压力下,将侵入不同孔径大小的孔内,从而测试材料的孔径分布及孔隙率.测量材料的吸水系数时,首先将试件干燥并将其周围用石蜡密封以防止水的入侵,然后将材料放入水箱内的支架上,使试件底部被水浸没1.0～1.5cm,在一定时间段内取出并擦干试件底部的液态水,称取试件此时的质量.

干燥CSC材料在不同温度工况下的导热系数直接利用GHP456测得,考虑中国不同地区的气候变化及建筑实际所处环境的温度波动范围,将工况设置为-20～50℃,每隔10℃测试1次.测量CSC材料在不同湿度下的导热系数时,需要将材料放置在不同湿度环境中达到热湿平衡,为保证其热湿状态不发生改变,直接在恒温恒湿箱内测量材料的导热系数.温度取25、35℃,相对湿度取0%、30%、50%、70%、85%、100%,试验主要过程如下：

(1)将试件放入鼓风干燥箱,105℃下烘干至恒重(连续3次间隔24h测得试件的质量变化不超过0.1%),将烘干后的试件用保鲜膜包裹冷却至室温,取试件此时的质量为其初始质量m0.

(2)将试件放入恒温恒湿箱,设定对应的温湿度.在每个工况下放置3d后,每隔24h进行1次测量,直至试件在连续3次测得的质量变化率小于0.1%则认为达到平衡.

(3)利用瞬态导热系数测试仪测量材料在不同温湿度工况下达到平衡状态时的导热系数,每种工况下测量10组,结果取其平均值.同时用试件平衡时的质量来计算材料在该工况下的含湿量(质量分数).

CSC的总孔隙率(体积分数)为28.76%,其内部孔径分布如图2所示.由图2可见,CSC的平均孔径较小,孔体积增速最大值出现在孔径30～40nm,占总孔隙的3.81%.由于仪器测试精度的限制,大于6×105nm的孔径无法细分.

图2 CSC内部孔径分布Fig.2 Pore size distribution of CSC

图3 CSC吸水量测试曲线Fig.3 Test curve for CSC water absorption

图3为CSC吸水量测试曲线,即在吸水过程中材料单位面积的吸水量Δm′tf随时间变化的曲线.根据ISO 15148—2002《建筑材料和产品的热湿特性-部分浸入法测定吸水系数》,可利用图3数据计算材料的小时吸水系数.由图3可见：CSC单位面积的质量增量随时间的变化是1条曲线,曲线的斜率缓慢减小,在24h以后趋于稳定,此时在试件表面观测到明水,这表明液态水已经传递到试样上表面.材料的小时吸水系数Ww,24和含湿量U的计算公式为：

(1)

(2)

式中：Δmtf为材料的吸水量,即试样在tf时刻与初始时刻的质量差,单位为kg.

图4为不同温度下CSC的导热系数λθ及相对导热系数λθ/λ20,其中相对导热系数为不同温度下材料导热系数与20℃时材料导热系数λ20的比值.由图4可见：在低温-20～10℃阶段,导热系数随温度升高略有增大,增长率为0.55%;在中温10～20℃阶段,导热系数出现明显降低,降低率为1.54%,这可能是由于材料本身的比热变化[9]的影响;在高温20～50℃阶段,导热系数增长率约为0.47%；与20℃时的导热系数相比,CSC导热系数最高增长约1.02倍,这说明不考虑相对湿度,在建筑环境可达到的温度范围内,温度对CSC导热系数的影响较小.

图4 不同温度下CSC的导热系数及相对导热系数Fig.4 Thermal conductivity and relative thermal conductivity of CSC under different temperature conditions

图5 CSC的等温吸湿曲线Fig.5 Moisture sorption isotherms of CSC

根据不同湿度下CSC含湿量的变化,绘制了CSC的等温吸湿曲线,如图5所示.由图5可见,等温吸湿曲线分为3个阶段：第1阶段,相对湿度0%～30%,CSC含湿量平稳增加;第2阶段,相对湿度30%～85%,CSC含湿量增加缓慢;第3阶段,相对湿度85%～100%,CSC含湿量迅速增加.这主要是因为在低相对湿度下CSC孔内多为湿空气,随着相对湿度的增加,湿空气逐渐填充以至于其孔隙内的水蒸汽分压力增高,且由于孔隙逐渐被湿空气充满所以含湿量增长缓慢,进一步增大相对湿度,其内部水蒸汽分压力进一步增大,这时材料内部出现液态水,且液态水逐渐增多甚至吸附到孔壁上形成水桥[16],导致其含湿量迅速增大.

当湿空气渗入材料内部时,随着相对湿度的变化,材料孔隙内部可能出现气态、气液共存态和液态,继而存在水蒸汽的储存、蒸发与迁移的过程,使材料内部的湿分布发生变化,其传热传湿过程高度耦合[7,13],将造成导热系数的巨大变化.孔隙率的差异使材料导热系数随相对湿度的变化幅度不同,且由于孔径分布的差异,导热系数随相对湿度的增加变化速率也不同.

图6为CSC导热系数随相对湿度的变化曲线.由图6可见：其导热系数随相对湿度呈多项式函数关系增长,这与文献[17]中所研究材料在不同温湿度下导热系数变化趋势相同,并与文献中得到的相对湿度与导热系数呈非线性关系的结论相似[9,11-13,16-18];当相对湿度从0%增至100%时,CSC的导热系数在25℃ 下的增长率约为29.5%,在35℃下的增长率约为49.0%.

图6 CSC导热系数随相对湿度的变化Fig.6 Thermal conductivity of CSC changes with relative humidity

由图6还可见：混凝土的导热系数随相对湿度的增高而增大,且该过程可分为3个阶段,随湿度的增加,第1阶段导热系数缓慢上升,第2阶段导热系数变化趋于平缓,第3阶段导热系数迅速增加.这和CSC的等温吸湿特性相符合,一方面,由CSC的吸湿曲线可以看出随着相对湿度的增加含湿量有1个趋于平缓的变化过程,导热系数在这个阶段增加缓慢;另一方面,混凝土中的被困水可能以气液平衡的方式存在[9].低相对湿度时,部分湿空气进入孔的内部,导致导热系数增加;相对湿度进一步增大时,其导热系数显示出平稳甚至稍有下降的趋势,这可能是由于湿空气开始充满其内部的孔隙并与孔壁之间产生压力,虽然湿空气的填充会使导热系数增大,但是其与孔壁之间的空气层,相当于1层接触热阻,在压力作用下将对传热非常不利,这时导热系数将随相对湿度上升的缓慢甚者有所降低;进一步提升相对湿度,孔内部的湿空气开始渗透,且孔内逐渐变为气液共存态,对传热的阻碍将减小,这时导热系数又重新回升;在相对湿度增至100%时,材料内部液态水的含量大大增高,这时材料内部气液共存状态逐渐转变为液态水居多状态,可以观测到导热系数增长迅速.

对比已有的研究[18-20],轻质混凝土材料的导热系数均随着水湿量的增加先迅速增加后趋于平缓,且试验多是利用浸泡法改变材料的含湿量,这种情况下材料含湿量的变化完全是由于液态水的入侵导致,而本研究中改变的是环境相对湿度,在材料内部发生的冷凝-蒸发动态平衡过程[9]更接近实际状态.因此,在后续研究中,结合孔径大小分析相对湿度对导热系数影响的理论探索更有意义.

(2)在干燥状态下,珊瑚砂混凝土-20～50℃下的导热系数随温度升高并非单调递增;温度对其导热系数影响较小,导热系数最大变化率约为0.55%.

(3)在25、35℃,相对湿度0%～100%下,珊瑚砂混凝土导热系数随相对湿度变化的过程可分为平稳上升阶段、趋于平缓阶段和迅速增加3个阶段,与其等温吸湿特性相符合.

(4)当相对湿度在0%～100%范围内变化时,无论是在35℃还是在25℃下,珊瑚砂混凝土导热系数随相对湿度变化过程均可近似成二次多项式函数关系.当相对湿度从0%增至100%时，CSC的导热系数在25、35℃下分别增长约29.5%、49.0%.

建筑材料学报2020年4期