加气混凝土蒸汽渗透系数的变物性取值方法.pdf

第 3 5卷 第 5期 2 0 1 3年 1 0月 土 木 建 筑 与 环 境 3 -程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g Vo 1 3 5 N o 5 Oc t 20 1 3 d o i ： 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 3 0 5 0 2 2 加气混凝土蒸汽渗透系数的变物性取值方法 冯 驰 ， 冯 雅 。 ， 孟 庆 林 ( 1 华南理工大学 亚热带建 筑科 学国家重点 实验室 建筑节能研 究中心 ， 广州 5 1 0 6 4 0 ； 2 中国建筑西南设计研究院 ， 成都 6 1 0 0 4 1 ) 摘 要 ： 通过静 态称 重法和 干 湿杯 法测得 了加 气混 凝 土在 1 5 、 2 5和 3 5 下的等 温吸 放 湿 曲线和 蒸 汽渗透 系数， 讨论 了蒸汽渗透系数 的变物性取值方法， 并与 民用建筑热工设计规 范 ( GB 5 O 1 7 6 9 3 ) 中的取值进行 了对比。结果表明， 加气混凝土的等温吸放湿曲线和蒸汽渗透系数在 实验 温度 范 围内受温度影响不大。该取值方法能针对吸湿过程 ， 在 中等相对湿度( 6 0 8 O ) 或者整个典型 建筑环境相对湿度( 4 0 9 5 ) 范围内计算得到与规范规定值基本相 同的平均蒸汽渗透 系数。此 外， 该方法能推广到各种 多孔材料， 针对吸湿或放湿过程 ， 在各相对 湿度 范围内得到准确的蒸汽渗 透 系数 。 关键词 ： 加气混凝土， 渗透系数 ， 等温吸放湿曲线， 变物性 中图分 类号 ： T U 1 1 1 2 文献 标志码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 5 - 0 1 3 2 0 5 Ap pr o a c h t o De t e r mi ne Va l u e o f Va r i a b l e Va po r Pe r me a b i l i t y o f Au t o c l a v e d Ae r a t e d Co n c r e t e Fe n g Oh i ，F e n g Y u ，Me n g Qi n g l i n ( 1 B u i l d i n g En v i r o n me n t a n d En e r g y L a b o r a t o r y ( B EEL) ，S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f S u b t r o p i c a l Bu i l d i n g S c i e n c e ， Sou t h Ch i n a Uni v e r s i t y of Te c hno l o gy，Gu a ng z ho u 5 1 06 41，PR Ch i n a； 2 Chi na S out h we s t Ar c h i t e c t ur a l De s i g n a n d Re s e a r c h I ns t i t ut e Cor p LTD ，Ch e n gdu 61 0 041，PR Chi na ) Ab s t r a c t ： The s o r pt i o n i s o t h e r ms a n d v a p o r p e r me a b i l i t y o f a u t o c l a v e d a e r a t e d c on c r e t e a r e o bt a i ne d wi t h t he s t a t i c gr a v i m e t r i c me t ho d a nd t he c u p m e t ho d a t 1 5 。 C 2 5 D C a n d 3 5 C ，r e s p e c t i v e l y The a pp r oa o h t o d e t e r m i n e v al u e o f v a r i a b l e pe r m e a bi l i t y h a s be e n d i s c us s e d M e a nwh i l e，i t ha s b e e n c o m p a r e d wi t h t h e f i x e d v a l u e i n Th e r ma l De s i g n Co de f o r C i v i l Bu i l d i n g ( GB 5 0 1 7 6 9 3 ) Th e r e s u l t s s h o w t h a t t e mp e r a t u r e d e p e n de n c e o f t he s o r p t i o n i s ot he r ms a n d va po r p e r me a b i l i t y o f a ut oc l a v e d a e r a t e d c o n c r e t e i s s ma l l wi t h i n t e s t t e mp e r a t u r e r a n g e M o r e o v e r ，f o r a d s o r p t i o n p r o c e s s i n me d i u m o r wh o l e RH r a n g e ，t h e a v e r a g e p e r me a b i l i t y o bt a i ne d f r o m o ur m e t ho d i s a l mo s t t he s a me a s t ha t i n t h e Co d e Th i s me t h o d c a n h e e x t e n d e d t O o t h e r p o r o u s b u i l d i n g ma t e r i a l s t o o b t a i n a c c u r a t e p e r me a b i l i t y t h r o u g h o u t wh o l e RH r a n g e f o r b o t h a d s o r pt i o n a nd d e s o r p t i on p r oc e s s e s Ke y wo r d s ： a ut o c l a v e d a e r a t e d c on c r e t e；pe r m e a bi l i t y；s or p t i o n i s o t he r ms；v a r i a b l e pr o pe r t y 理 解和 控制建 筑 围护结构 中的湿分 传 递 与储 存 过程可以帮助人们延长建筑构件的使用寿命 ， 减 少 暖通 空 调 系 统 的能 耗 ， 缓 和 室 内温 湿 度 的波 动嘲， 并提高室内空气品质 。 。 。分析建筑围护结构 中湿 分 传递 的方 法有 很 多 种 。长 期 以来 ， Gl a s e r 提 出的稳态蒸汽渗透模型被广泛用于工程实践 ， 甚至 成为 国际标 准 ( E N I S O 1 3 7 8 8 ) 。中 国 的 民用 建 筑热工设计规 范 ( GB 5 0 1 7 6 9 3 ) 也采用该计算 收稿 日期： 2 0 1 2 1 2 2 1 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 8 4 7 8 ) 作者简介 ： 冯驰( 1 9 8 6) ， 男 ， 博士生 ， 主要从事建筑围护结构热湿传递和屋顶绿化研究 ， ( E - ma i l ) f e n g c h i 8 6 0 6 0 2 g ma i l c o rn。 孟庆林 ( 通信作者 ) ， 男 ， 教授 ， 博士生导师 ， ( E - ma i l ) a r q l me n g s c u t e d u c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 4 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 5 卷 2 实验结果 2 1 等温吸放湿曲线 图 3为测 得 的加气混 凝土 试件 在各 温度 和 相对 湿度下的平衡含湿量散点图。其 中， 不 同温度下的 数据点未在图中加 以区分， 因为统计检验表明， 在实 验的温度范围内温度对加气混凝土的等温吸放湿曲 线影 响不 大 。从 图 3可 以看 出 ， 加 气 混 凝 土 的 毛 细 滞后效应明显 ， 因此应该用吸湿 曲线和放湿 曲线分 别描述 吸湿 和放 湿过程 。 相对湿度 注： -吸湿过程放湿过程 图 3 加气 混凝 土的等温 吸放湿 曲线 ( 1 5 3 5 ) 用 P e l e g 公式 1 。 拟合得到的吸湿和放湿 曲线分 别 为 ： 0 1 1 9 ( ) - ” 。 + 0 0 2 5 ( ) 0 I 7 7 。 ( 吸湿 ， R 一 0 9 9 ) ( 1 ) “： = =0 9 0 7 ( ) 钾 + o 0 3 3 X ( ) 。 ( 放 湿 ， R ： 0 9 7 ) ( 2 ) 式 中： “为平衡含湿量 ， k g k g ； 为相对湿度 ， 。 从 拟合 结果来 看 ， 无论 是 吸湿 过 程 还 是 放 湿 过 程 ， R 都非常接近 1 。这也再次说明了温度对加气 混凝土的等温吸放湿曲线影响不大 。 2 2 蒸 汽渗 透 系数 图 4为测得的加气混凝土试件在各温度和平衡 含湿量下的蒸汽渗透系数散 点图。与图 3类似 ， 不 同温度 下 的数据点 也未 加 以区分 。 用 Ga l b r a i t h公 式L 】 拟 合得 到 的表 达式 为 ： “一 1 0 0 9 。 + 0 0 0 0 0 7 6 2 ( R 一 0 8 9 ) ( 3 ) 式 中 为蒸汽渗透系数 ， g ( m h P a ) 。 拟合得到的R。 并不是非常接近 1 。但蒸汽渗透 系数的测试误差普遍较大E 1 8 - 1 9 ， 因此可以认为， 拟合 结果较为理想。此外 ， 对各温度下 的测试结果分别 拟合得到的 R 。均在 0 9 0左右 ， 与上述拟合结果相 比并无明显提高， 因此 可以认为温度对加气混凝土 图 4加气混凝土的蒸汽渗透系数实测结 果( 1 5 3 5 ) 蒸 汽渗透 系数 的影 响不大 。 需要说 明的是 ， 干湿杯法测定蒸汽渗透系数时， 试件 两侧 的相 对 湿 度是 不 同的 ( 以营造 蒸 汽 压 差 ) 。 实 验 中， 最 高 的 相 对 湿 度 对 是 8 4 3 9 7 3 ( 2 5) ， 因此稳定状态下 ， 试件 的平衡含湿量将介 于这两个相对湿度分别对应的平衡含湿量之间。在 较 低相对 湿度 下 的 测试 也 类 似 。所 以与 图 3相 比 ， 图 4中的平衡 含湿 量范 围较小 。 3 蒸汽渗透 系数的变物性取值方法 3 1 取 值 方法 许多学者都将蒸汽渗透系数直接表达为环境相 对湿度的单值 函数 。 。但事实上， 蒸汽渗透系数 应该是 材料 含湿量 的单值 函数 。对 于加 气混 凝 土这 样有明显毛细滞后现象的材料而言， 即使环境相对 湿度相 同 ， 材 料 的平 衡 含 湿量 也 可 能 因为 吸 放 湿过 程的不 同而存在很大的差异 ， 所以， 一个相对湿度其 实对应了两个蒸汽渗透 系数。由此可见， 将蒸汽渗 透系数表达为相对湿度的单值函数是不合理的。 然而 ， 环境相 对 湿 度 是 一个 比材料 含 湿 量 更 容 易获得且非常常用的参数。若能将材料的蒸汽渗透 系数表达为相对湿度 的函数， 则能大大方便实际应 用。从上述分析可知 ， 这么做是有一定代价的： 即对 于有明显毛细滞后现象的材料而言 ， 应该有 2个 函 数分别 针对 吸 湿 和放 湿 过 程 ， 在 不 同工 况 下 予 以采 用 。将式 ( 1 ) ( 3 ) 合 并 ， 并假 定 环 境 相对 湿 度 没 有 剧 烈变化 ， 材 料 与环 境 的 吸放 湿 过 程始 终 处 于 ( 准) 动态平衡 ， 则可 以得到加气混凝土在吸湿 和放湿过 程 中蒸汽渗透系数与相对湿度的关系曲线( 图 5 ) 。 从图 5 可见 ， 吸放湿过程对应 的蒸汽渗透系数 有明显差异 ， 而且相对湿度越高， 差异越明显。这主 要是因为加气混凝土的毛细滞后效应在较高相对湿 度 下更 为 明显 。此外 ， 在 相 对 湿 度 超 过 9 O 后 ， 加 气混凝土的蒸汽渗透系数随相对湿度的增加而迅速 变大。此时 ， 蒸汽的传递已不再是湿传递的主要机 一 一B d q 量 皇 )， 籁 魁 撼 一 一 卿贼如 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第5 期 冯驰 ， 等 ： 加 气混凝 土 蒸汽渗 透 系数 的 变物性取 值 方法 1 3 5 事 导 龋 鼗 椭 相对湿度 注： 吸湿过程 放湿过程 图 5 加气混凝土 的蒸汽渗透 系数 与 相对湿度的关 系( 1 5 3 5 ) 制 ， 液 态水 的迁 移起 到 了更加 重要 的作 用 。 3 2与规 范 比较 中国 民用 建筑 热 工设 计 规 范 ( G B 5 O 1 7 6 9 3 ) 中规定 ， 加 气 混 凝 土 的蒸 汽 渗 透 系 数 取定 值 ， 为 0 0 0 0 0 9 9 8 g ( m h P a ) ( 材料 密 度 为 7 0 0 k g m 3 ) 和 0 0 0 0 1 1 1 0 g ( IT Ih P a )( 材 料 密 度 为 5 0 0 k g m 3 ) 9 。笔者所用加气混 凝土密度接近 7 0 0 k g m3 ， 因此 与前者 比较 。选 取 4个典 型 的 相对 湿度 工况， 用变物性取值法计算该工况下加气混凝土的蒸 汽渗透系数 ， 然后与规范比较， 结果见表 1 。 表 1加 气 混 凝 土 蒸 汽 渗 透 系数 的 比较 环境相对 湿度 蒸汽渗透系数 ( g( m h P a ) ) 常物性 ， ， 从 表 1可 见 ， 对 于 吸 湿 过 程 ， 在 中 等相 对 湿 度 ( 6 0 8 0 ) 或 者 整 个 典 型建 筑 环 境 相 对 湿 度 ( 4 0 9 5 ) 范 围内， 用 变物性取值方法计算得到 的加气 混凝 土 蒸 汽渗 透 系数 与 民用 建 筑 热 工 设 计 规范 ( G B 5 O 1 7 6 9 3 ) 规定的取值非常接近 。这一 方面说明笔者的测试结果和计算方法较为可靠 ， 另 一 方 面也说 明使 用规 范规 定 的取值 在一 定 工 况下 的 计算结果是较为准确 的。然而 ， 对于较低或者较高 相对湿度范围内的吸湿过程 ， 以及 中高相对湿度范 围内 的放湿 过程 ， 笔 者 的计 算 结 果 与 规 范 规 定 的取 值有较为明显的差异。通过采用推荐的计算方法， 可以提高计算准确度 。 对于其他多孔建筑材料 ， 在测得其等温 吸放湿 曲线和各平衡含湿量下 的蒸汽渗透系数后 ， 亦可采 用该方法 ， 根据环境相对湿度及吸放湿过程 的不同， 对蒸汽渗透系数进行变物性取值 。 4 结 论 通过实 验测 试 了加气 混凝 土在 不 同温 度下 的等 温吸放湿曲线和蒸 汽渗透系数 ， 讨论 了蒸汽渗透 系 数的变物性取值 方法 ， 并 与 民用建 筑热工设计规 范 ( GB 5 0 1 7 6 9 3 ) 中的取值进行了对比， 得到如下 结 论 ： 1 ) 加气混凝土的等温吸放湿 曲线和蒸汽渗透系 数在 1 5 3 5 范围内受温度影响较小 。 2 ) 用所提出的计算方法能针对吸湿过程、 在中 等相对湿度( 6 0 -8 0 ) 或者整个典型建筑环境相 对湿度( 4 0 9 5 ) 范围内计算得到与规范规定值 基本相同的平均蒸汽渗透系数 ， 验证 了实验结果和 计算方法的可靠性 。 3 ) 用所提出的计算方法能准确得到吸湿或放湿 过程中不同环境相对湿度下加气混凝土的蒸汽渗透 系数 ， 且该方法能推广到其他建筑材料。 ( 致谢 ： 华 南 理 工 大 学 的 张 宇峰 副 教 授 和 吴 晨 晨 、 俞 溪 、 蒋超 硕 士 对 实验 的 开展 给 予 了大 量 支持 ， 深表 感谢 ! ) 参考 文献 ： 1 G e v i n g S ，Ho l me J T h e d r y i n g p o t e n t i a l a n d r i s k f o r mo l d g r o wt h i n c o mp a c t wo o d f r a me r o o f s wi t h b u i l t i n mo i s t u r e J J o u r n a l o f B u i l d i n g P h y s i c s ，2 0 1 0 ，3 3 ( 3 ) ：2 4 9 2 6 9 2C h e n J ， I t o KS i mp l i f i e d p r e d i c t i o n me t h o d f o r u n g a l g r o wt h r i s k i n i n do or e n vi r o n m e nt c o up l e d wi t h he a t a n d mo i s t u r e t r a n s f e r i n b u i l d i n g ma t e r i a l s E J J o u r n a l o f Env i r o nme n t a l En gi ne e r i ng，20 1 0，75：6 03 61 1 3Kw i a t k o w s k i J ，Wo l o s z y n M ，R o u x J I n f l u e n c e o f s o r p t i o n i s o t h e r m h y s t e r e s i s e f f e c t o n i n d o o r c l i ma t e a n d e n e r g y d e ma n d f o r h e a t i n g J A p p l i e d Th e r ma l En g i n e e r i n g，2 0 1 1 ，3 1 ( 6 7 )：1 0 5 0 1 0 5 7 4S t e e ma n M ，J a n s s e n s A，S t e e ma n H J ，e t a 1 O n c o u p l i n g 1 D n o n - i s o t h e r ma l h e a t a n d ma s s t r a n s f e r i n p or ou s ma t e r i a l s wi t h a m u l t i z one bu i l di ng e ne r gy s i mu l a t i o n mo d e l J B u i l d i n g a n d E n v i r o n me n t ， 2 0 1 0，4 5 ( 4 )：8 6 5 - 8 7 7 5Z h a n g H，Y o s h i n o H，Ha s e g a wa KAs s e s s i n g t h e mo i s t u r e b u f f e r i n g p e r f o r ma n c e o f h y g r o s c o p i c ma t e r i a l b y u s i n g e x p e r i me n t a l me t h o d J B u i l d i n g a n d En v i r o n me n t ，2 0 1 2，4 8( O ) ：2 7 3 4 6 Ab u k u M， J a n s s e n H，R o e l s S I mp a c t o f wi n d d r i v e n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 6 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 5 卷 r a i n o n hi s t or i c b r i c k wa l l bui l d i ngs i n a mo de r a t e l y c ol d a nd humi d c l i ma t e： Nu m e r i c a l a n a l y s e s o f mo ul d gr owt h r i s k， i n do o r c l i mat e a nd e n e r g y c on s ump t i o n 口 E n e r g y a n d B u i l d i n g s ， 2 0 0 9 ，4 1 ( 1 ) ： 1 0 1 1 1 O 7d o s S a n t o s G H，Me n d e s N，P h i l i p p i P C A b u i l d i n g c o r n e r mo d e l f o r h y g r o t h e r ma l p e r f o r m a n c e a n d mo u l d g r o wt h r i s k a n a l y s e s J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f He a t a n d Ma s s Tr a n s f e r ，2 0 0 9，5 2 ( 2 1 2 2 )：4 8 6 2 4 8 7 2 8 I S O 1 3 7 8 8 ： 2 0 0 1 Hy g r o t h e r ma l p e r f o r ma n c e o f b u i l d i n g c o mpo ne n t s a nd bui l di ng e l e m e n t s I nt e r na l s ur f a c e t e mpe r a t ur e t o a v oi d c r i t i c a l s ur f a c e hu mi di t y a n d i n t e r s t i t i a l c o n d e n s a t i o n ： C a l c u l a t i o n me t h o d s s 2 00 1 9 G B 5 0 1 7 6 9 3民用建筑热工设 计规范 S 北京 ： 中国 计划出版社 ，l 9 9 3 E l O K o n g F ，Wa n g H He a t a n d ma s s c o u p l e d t r a n s f e r c o mbi ne d wi t h f r e e z i ng pr o c e s s i n b ui l di ng ma t e r i a l s： Mo d e l i n g a n d e x p e r i me n t a l v e r i f i c a t i o n j E n e r g y a n d Bu i l d i n g s ，2 0 1 1 ，4 3 ( 1 0 )：2 8 5 0 2 8 5 9 1 1 Z h u Q Y， X i e M H， Ya n g J ， e t a 1 I n v e s t i g a t i o n o f t h e 3D mod e l o f c o up l e d he a t a nd l i q ui d mo i s t u r e t r a n s f e r i n h y g r o s c o p i c p o r o u s f i b r o u s me d i a J ， I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f He a t a n d Ma s s Tr a n s f e r ，2 0 1 0 ，5 3 ( 1 9 2 0 ) ： 3 91 4 3 9 27 1 2 1 Ta r i k u P ，Ku ma r a n K，F a z i o P I n t e g r a t e d a n a l y s i s o f wh o l e b u i l d i n g h e a t ，a i r a n d mo i s t u r e t r a n s f e r J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f He a t a n d Ma s s Tr a n s f e r ，2 0 1 0 ， 5 3 ( 1 5 1 6 ) ：3 1 1 l _ 3 1 2 O I 3 S t e e m a n H J ，v a n B e l l e g h e m M，J a n s s e n s A，e t a 1 Coup l e d s i mul a t i o n of he a t a n d moi s t ur e t r a ns por t i n a i r a n d po r ous ma t e r i a l s f or t he a s s e s s me nt o f moi s t ur e r e l a t e d d a ma g e J B u i l d i n g a n d E n v i r o n me n t ，2 0 0 9 ， 4 4( 1 0 )：21 7 6 21 8 4 E 1 4 3 I S O 1 2 5 7 1 ： 2 0 0 0 Hy g r o t h e r ma l p e r f o r ma n c e o f b u i l d i n g ma t e r i a l s a n d pr od uc t sDe t e r mi na t i o n o f hyg r os c op i c s o r p t i o n p r o p e r t i e s I s 2 0 0 0 1 5 I S O 1 2 5 7 2 ： 2 0 0 1 Hy g r o t h e r ma l p e r f o r ma n c e o f b u i l d i n g ma t e r i a l s a n d p r o du c t sDe t e r mi na t i on o f wa t e r va p ou r t r a n s mi s s i o n p r o p e r t i e s I s 2 0 0 1 1 6 P e l e g M As s e s s me n t o f a s e mi e mp i r i c a l f o u r pa r a me t e r ge ne r a l mo de l f o r s i gmo i d mo i s t ur e s or pt i on i s o t h e r ms J J o u r n a l o f F o o d P r o c e s s E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 3 ，l 6 ( 1 ) ：2 1 3 7 r 1 7 Ga l b r a i t h G，Mc l e a n R，Gu o J Mo i s t u r e p e r me a b i l i t y d a t a p r e s e n t e d a s a ma t h e ma t i c a l r e l a t i o n s h i p J B u i l d i n g Re s e a r c h & I n f o r ma t i o n，1 9 9 8 ，2 6( 3 ) ：1 5 7 1 68 r 1 8 Ku ma r a n M K A t b e r ma 1 a n d mo i s t u r e p r o p e r t y d a t a b a s e f o r c o mmo n b u i l d i n g a n d i n s u l a t i o n ma t e r i a l s - J As h r a e Tr a n s a c t i o n s ，2 0 0 6 ， 1 1 2 ( 2 ) ： l l 3 E 1 9 3 Ro ds S ，C a r me l i e t J ，He n s H，e t a 1 I n t e r 1 a b 0 r a t o r y c omp a r i s o n of hy gr i c p r o pe r t i e s of p or ou s b ui l d i ng ma t e r i a l s J J o u r n a l o f B u i l d i n g P h y s i c s ，2 0 0 4 ，2 7 ( 4 ) ：3 0 7 3 2 5 2 O Yu s ，B o mb e r g M，Z h a n g x I n t e g r a t e d me t h o d o l o g y f o r e va l ua t i o n o f e ne r g y pe r f o r ma n c e o f t he bu i l di ng e nc l o s ur e s：Pa r t 5 - a ppl i c a t i on o f t h e p r o p os e d h y g r o t h e r ma l c h a r a c t e r i z a t i o n J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ph y s i c s ，2 0 1 2，3 6 ( 2 ) ：1 7 8 1 9 7 2 1 P a z e r a M，S a l o n v a a r a MMu l t i l a y e r t e s t me t h o d f o r wa t e r v a por t r a ns mi s s i on t e s t i ng o f c ons t r u c t i o n ma t e r i a l s J J o u r n a l o f B u i l d i n g P h y s i c s ，2 0 1 2 ，3 5 (3 )：2 2 4 2 37 ( 编 辑胡英 奎 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m