丁 楊，董晶亮，王中平，黃神恩

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)(2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)(3.同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804)

1 前 言

屋面作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一，屋面保溫系統(tǒng)的耐候性能直接關(guān)系到其使用壽命，并對(duì)降低建筑能耗具有深遠(yuǎn)意義[1]。泡沫混凝土現(xiàn)澆屋面系統(tǒng)是目前使用最廣泛的屋面保溫系統(tǒng)之一，但仍需對(duì)其耐候性能提升技術(shù)做進(jìn)一步研究。樊均等針對(duì)環(huán)境因素對(duì)泡沫混凝土夾心保溫板的熱工耐久性進(jìn)行了研究[2]。向仁科等以脫硫石膏為基材，添加礦渣、水泥等制備了不同密度等級(jí)的石膏泡沫混凝土，試驗(yàn)結(jié)果表明該泡沫混凝土具備更低的導(dǎo)熱系數(shù)[3]。崔玉理等研究了水和養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度對(duì)泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，當(dāng)水溫為35～40 ℃時(shí)，泡沫混凝土內(nèi)部孔徑分布均勻、連通孔少，導(dǎo)熱系數(shù)較小[4]。袁克闊通過(guò)正交試驗(yàn)得到了自制泡沫混凝土的最佳配合比(其中以水泥為基本量，粉煤灰、珍珠巖、泡沫、防凍劑、減水劑和促凝劑的添加量與水泥質(zhì)量之比分別為18%，150%，2%，1%，30%，4%；聚丙烯纖維、水、防水劑的添加量與混凝土拌合物總質(zhì)量之比分別為0.2%，40%，0.3%)，研制出了一種高強(qiáng)、防寒、保溫的泡沫混凝土[5]。于水軍等通過(guò)研究鋼渣粉煤灰泡沫混凝土的熱工性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)密度可以作為衡量泡沫混凝土隔熱性及耐火性的指標(biāo)[6]。劉潤(rùn)清等得出將中小孔與大孔的比例控制在10倍范圍內(nèi)，有助于使泡沫混凝土獲得最優(yōu)的耐干濕循環(huán)能力[7]。龐超明等發(fā)現(xiàn)離子的存在不影響混凝土中水分的傳輸方式，但會(huì)大大降低其毛細(xì)吸附和擴(kuò)散傳輸效果[8]。除了通過(guò)試驗(yàn)分析泡沫混凝土材料在不同環(huán)境下的耐候性，還可以采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其進(jìn)行研究。陳德鵬等給出了一種計(jì)算混凝土濕熱耦合變形的解析方法，并將實(shí)際工程結(jié)構(gòu)用混凝土變形的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明了該計(jì)算方法的合理性和有效性[9]。本團(tuán)隊(duì)通過(guò)COMSOL仿真對(duì)屋面保溫隔熱層進(jìn)行構(gòu)造模擬，得出材料組合、保溫層形狀、拼接方式和界面處材料對(duì)隔熱層傳熱性能的影響[10]。上述研究成果通過(guò)模擬仿真方法對(duì)泡沫混凝土的保溫性能和耐久性能進(jìn)行分析，但這一數(shù)值分析需要大量試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

本文以泡沫混凝土為對(duì)象，研究材料在濕熱循環(huán)、干濕循環(huán)、高低溫循環(huán)、凍融循環(huán)和多場(chǎng)耦合循環(huán)5種耐候性試驗(yàn)下的孔結(jié)構(gòu)、體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)變化率的演變規(guī)律，為今后泡沫混凝土現(xiàn)澆屋面保溫系統(tǒng)耐候性能設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文采用上海蜀通建材有限公司生產(chǎn)的尺寸為300 mm×300 mm×25 mm的泡沫混凝土(FC)，如圖1所示。其導(dǎo)熱系數(shù)為實(shí)驗(yàn)室測(cè)定數(shù)據(jù)，密度和比熱容為廠家提供數(shù)據(jù)，具體參見(jiàn)表1。

圖1 泡沫混凝土Fig.1 Foam concrete

表1 泡沫混凝土性能參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

濕熱環(huán)境參照GB/T 12000-2003《塑料暴露于濕熱、水噴霧和鹽霧中影響的測(cè)定》進(jìn)行構(gòu)建：設(shè)置GDJS-010L型恒溫恒濕箱內(nèi)溫度為60 ℃，濕度為93%RH(relative humidity，相對(duì)濕度)，將試樣置于此環(huán)境下循環(huán)112次，具體循環(huán)過(guò)程如圖2所示。

干濕循環(huán)試驗(yàn)按照GB/T 11969-2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》中關(guān)于干濕循環(huán)試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行：將試樣置于60 ℃下干燥7 h，隨后空冷20 min，再放入(20±5) ℃的水中浸泡5 min為一個(gè)干濕循環(huán)，如此循環(huán)112次。

高低溫循環(huán)試驗(yàn)按照GB/T 2423.34-2012《環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)ZAD：溫度濕度組合》進(jìn)行：將試樣于60 ℃高溫下暴露3 h(其中升溫1 h)，隨后直接在-20 ℃低溫下暴露3 h(其中降溫1 h)，此為一個(gè)循環(huán)，如此循環(huán)112次。

凍融循環(huán)試驗(yàn)參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行：調(diào)節(jié)冰柜溫度在-18～-20 ℃，保證試樣的冷凍時(shí)間為4 h；冷凍結(jié)束后，立即將試樣轉(zhuǎn)入溫度為18～20 ℃的水箱中，保持1 h，如此循環(huán)112次。

多場(chǎng)耦合循環(huán)參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 144-2004《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》附錄A中關(guān)于保溫隔熱材料耐候性試驗(yàn)方法進(jìn)行：控制試樣表面溫度、濕度變化如圖2所示，24 h內(nèi)完成一次循環(huán)。試驗(yàn)過(guò)程中，為保證壓力值恒定，在泡沫混凝土上疊放重物使其重力加載維持在2 kN/m2。

圖2 多場(chǎng)溫濕循環(huán)示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-field temperature and humidity circulation

對(duì)于5種試驗(yàn)的試樣，分別在循環(huán)7，14，28，56，84，112次后測(cè)量其質(zhì)量和導(dǎo)熱系數(shù)，并按照以下方法計(jì)算其體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)變化率。泡沫混凝土的體積吸水率：首先將試樣在101-3GW型干燥箱中于105 ℃下干燥24 h，得到其絕干狀態(tài)下的質(zhì)量為m；然后使絕干狀態(tài)下的泡沫混凝土充分吸水24 h達(dá)到飽和，測(cè)得其吸水飽和后的質(zhì)量為m1；通過(guò)泡沫混凝土絕干狀態(tài)下的質(zhì)量和密度(表1)求出其絕干狀態(tài)下的體積V0，最后根據(jù)公式(1)求出泡沫混凝土的體積吸水率WV。

(1)

式中：ρw為水的密度，常溫下取1 g/cm3。

泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)直接采用FD-TC-Ⅱ型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)公式(2)將材料在耐候性試驗(yàn)期間的導(dǎo)熱系數(shù)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)熱系數(shù)變化率：

(2)

式中：ROC為導(dǎo)熱系數(shù)變化率；λτ和λ0分別為材料不同時(shí)間段的導(dǎo)熱系數(shù)值和初始導(dǎo)熱系數(shù)值，單位為W/(m·K)。

經(jīng)過(guò)耐候性試驗(yàn)后，泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)變化通過(guò)數(shù)碼照相機(jī)拍攝的照片來(lái)表征，并進(jìn)行對(duì)比分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 宏觀性能分析

泡沫混凝土經(jīng)過(guò)5種耐候性試驗(yàn)后，各試樣內(nèi)部孔隙的變化可用體積吸水率加以表征。體積吸水率值的大小取決于材料內(nèi)部的孔隙構(gòu)造。若材料具有微細(xì)且連通的孔隙，則吸水率就較大；若為封閉孔隙，則水分難以滲入，吸水率就較??；若是較粗的大開(kāi)口孔隙，水分容易進(jìn)入，但不易在孔內(nèi)保留，僅起到潤(rùn)濕孔壁的作用，吸水率也較小。

3.1.1 體積吸水率

從圖3中可直觀地看出泡沫混凝土經(jīng)過(guò)不同耐候性試驗(yàn)后體積吸水率的變化。

圖3 泡沫混凝土在不同耐候性試驗(yàn)中的體積吸水率Fig.3 Volume water absorption of foam concrete under different accelerated weathering tests

濕熱循環(huán)試驗(yàn)中，泡沫混凝土存在凝膠間孔、顆粒間孔和宏孔，孔徑分布范圍為0.05～500 μm，除去無(wú)法保留水分的宏孔，其體積吸水率仍在20%以上。濕熱老化試驗(yàn)過(guò)程中，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，泡沫混凝土的體積吸水率變化不大，當(dāng)循環(huán)112次時(shí)測(cè)量的體積吸水率相較于初始時(shí)僅有1.77%的增長(zhǎng)。此過(guò)程中，泡沫混凝土的表面泡孔除不可避免的機(jī)械損傷外，大部分泡孔形狀完整、排列規(guī)則。

從圖3的干濕循環(huán)曲線得知，泡沫混凝土體積吸水率由初始值20.64%增長(zhǎng)到25.63%，增長(zhǎng)速率很大。隨著干濕循環(huán)試驗(yàn)的進(jìn)行，泡沫混凝土的泡孔結(jié)構(gòu)逐漸受到破壞，循環(huán)112次后泡孔破裂明顯，局部出現(xiàn)空洞。泡孔的破裂倒塌不僅造成泡沫混凝土質(zhì)量的損失，而且導(dǎo)致其中封閉孔數(shù)量的減少，孔之間連通性提高。因此，隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，泡沫混凝土的體積吸水率逐漸提高。

由凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果可知，泡沫混凝土在凍融循環(huán)前期和中期出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，凍融循環(huán)56次后試樣體積吸水率增長(zhǎng)變緩，循環(huán)112次后其體積吸水率從23.97%提高到了29.38%。這是因?yàn)樵囼?yàn)前期，泡孔因凍融被破壞；隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，受到破壞的封閉孔數(shù)量增多，體積吸水率快速增長(zhǎng)；而在試驗(yàn)后期，雖然體積吸水率仍在增長(zhǎng)，但增速減緩，這是由于隨著凍融循環(huán)試驗(yàn)的進(jìn)行，中小孔因孔壁破壞而貫穿，逐漸形成大孔、宏孔甚至裂紋，水分無(wú)法保留在孔內(nèi)部，僅起到潤(rùn)濕的作用，故而在試驗(yàn)后期泡沫混凝土的體積吸水率的增長(zhǎng)速率減緩。

高低溫循環(huán)試驗(yàn)中泡沫混凝土體積吸水率緩慢增加，經(jīng)112次循環(huán)后，其體積吸水率從21.13%增加到了25.14%。原因與濕熱老化、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)類(lèi)似：在溫度應(yīng)力下，泡孔開(kāi)裂導(dǎo)致體積吸水率增加。在多場(chǎng)耦合試驗(yàn)中，泡沫混凝土的體積吸水率呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，經(jīng)112次循環(huán)后，其體積吸水率從14.12%增長(zhǎng)到16.88%，增幅2.76%。

3.1.2 導(dǎo)熱系數(shù)變化率

泡沫混凝土在不同耐候性試驗(yàn)中的導(dǎo)熱系數(shù)變化率如圖4所示。泡沫混凝土的泡孔結(jié)構(gòu)主要是由水泥砂漿硬化形成的孔壁及空氣填充的孔隙組成。根據(jù)Campbell-Allen模型[11]：泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與其固相占比相關(guān)，固相占比越高則其導(dǎo)熱系數(shù)值越大。

圖4 泡沫混凝土在不同耐候性試驗(yàn)中的導(dǎo)熱系數(shù)變化率Fig.4 Variation of thermal conductivity of foam concrete under different accelerated weathering tests

濕熱環(huán)境下，泡沫混凝土的固相占比降低，氣相占比提高，而干燥空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較水泥砂漿的更低。因此，濕熱循環(huán)環(huán)境下，在泡沫混凝土的泡孔結(jié)構(gòu)完整性沒(méi)有受損的前提下，因泡沫混凝土質(zhì)量損失，其導(dǎo)熱系數(shù)呈逐漸降低的趨勢(shì)，在循環(huán)結(jié)束后，僅降低了6%。

在干濕循環(huán)試驗(yàn)中，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)從初始值0.0724增長(zhǎng)到0.0836 W/(m·K)，漲幅為15.47%。這是因?yàn)榕菽炷恋呐菘捉Y(jié)構(gòu)受到破壞，局部出現(xiàn)空洞，從而縮短了熱流在其中的傳輸路徑，導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)有所提高。經(jīng)過(guò)112次高低溫循環(huán)后，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)率為6.68%。此過(guò)程中，泡沫混凝土因高低溫循環(huán)形成了裂紋，裂紋貫穿多個(gè)泡孔。隨著裂紋的增多，孔與孔之間的有效連通性也隨之增加，因此，使得熱流在泡沫混凝土內(nèi)部的傳輸路徑縮短，熱阻值降低，導(dǎo)熱系數(shù)增加，進(jìn)而影響了泡沫混凝土的保溫隔熱性能。

從凍融循環(huán)過(guò)程中試樣的導(dǎo)熱系數(shù)變化率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線可知，凍融循環(huán)112次后泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)上升明顯，由初始值0.0789上升至0.0980 W/(m·K)，增長(zhǎng)了24.21%。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)嚴(yán)重破壞了泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)，經(jīng)112次凍融循環(huán)后，泡沫混凝土潰散嚴(yán)重，表面出現(xiàn)大量縱橫交錯(cuò)的裂紋，并且成為熱流聚集處，極大地縮短了熱流在泡沫混凝土內(nèi)部的傳熱路徑，降低了材料的熱阻值，提高了其導(dǎo)熱系數(shù)。

經(jīng)過(guò)多場(chǎng)耦合試驗(yàn)，泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)從0.0720增長(zhǎng)到0.0850 W/(m·K)，增幅18.06%。這是因?yàn)槲⒓?xì)的裂紋遍布泡沫混凝土，裂紋寬度約為100 μm，長(zhǎng)度在1 cm左右，貫穿2～4個(gè)泡孔。這些裂紋在傳熱過(guò)程中成為熱流集中通過(guò)的通道，降低了泡沫混凝土的有效熱阻。多場(chǎng)耦合中高低溫交變使泡沫混凝土泡孔內(nèi)的冷凝水飽和，泡孔壁因凍融開(kāi)裂，且其上方施加的恒定壓應(yīng)力加速了微裂紋的擴(kuò)展。隨著多場(chǎng)耦合循環(huán)周期的增加，裂紋數(shù)目不斷增加，因此材料的導(dǎo)熱系數(shù)也逐漸提高。

3.2 微觀分析

3.2.1 干濕循環(huán)

圖5是干濕循環(huán)不同次數(shù)后泡沫混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的數(shù)碼照片，可以明顯看到泡孔的破裂。結(jié)合圖3和圖4可知，泡沫混凝土經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后，其體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)顯著增加。這是因?yàn)榕菘椎钠茐?，增加了孔與孔之間的連通性，增大了泡沫混凝土的孔隙率，同時(shí)縮短了熱流的傳熱路徑，降低了材料的熱阻，從而使材料的保溫隔熱性能降低。

圖5 干濕循環(huán)不同次數(shù)后泡沫混凝土的數(shù)碼照片：(a)初始試樣，(b)干濕循環(huán)28次，(c)干濕循環(huán)112次Fig.5 Digital photos of foam concrete with different dry-wet cycles: (a) original sample, (b) 28 dry-wet cycles, (c) 112 dry-wet cycles

3.2.2 高低溫循環(huán)

圖6為泡沫混凝土經(jīng)過(guò)不同次高低溫循環(huán)試驗(yàn)后的表面宏觀形貌圖。經(jīng)過(guò)112次高低溫循環(huán)試驗(yàn)后，泡沫混凝土的泡孔發(fā)生破壞、倒塌并出現(xiàn)裂縫，開(kāi)孔率進(jìn)一步提高，孔與孔之間的連通性也有所提高，從而導(dǎo)致材料的體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)顯著提高。

圖6 高低溫循環(huán)不同次數(shù)后泡沫混凝土的表面形貌：(a)初始試樣，(b)高低溫循環(huán)112次Fig.6 The surface morphologies of foam concrete after different high-low temperature cycles: (a) original sample, (b) 112 high-low temperature cycles

3.2.3 凍融循環(huán)

未經(jīng)凍融循環(huán)及分別經(jīng)歷28次和112次凍融循環(huán)后的泡沫混凝土的數(shù)碼照片如圖7所示。經(jīng)112次凍融循環(huán)后，泡沫混凝土表面分布著大大小小的網(wǎng)絡(luò)狀裂紋，泡孔破裂倒塌嚴(yán)重。試驗(yàn)過(guò)程中，試樣被搬動(dòng)、浸水時(shí)，構(gòu)成泡沫混凝土孔壁的水泥砂漿顆粒因泡沫混凝土開(kāi)裂脫離本體。這是導(dǎo)致泡沫混凝土經(jīng)凍融試驗(yàn)后體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)提高的根本原因。

3.2.4 多場(chǎng)耦合

多場(chǎng)耦合試驗(yàn)中設(shè)定相對(duì)濕度值為93%，溫度為60 ℃，以保證恒溫恒濕箱內(nèi)有較多的水汽。降溫時(shí)，水汽在泡沫混凝土孔內(nèi)凝結(jié)液化，雖無(wú)法使大孔飽水，但其中小孔徑的泡孔可能因此充水飽和。隨后在-20 ℃的低溫環(huán)境中，泡孔內(nèi)的水結(jié)冰膨脹，使泡孔壁開(kāi)裂破壞。此外，在泡沫混凝土上方施加的壓應(yīng)力可能加劇凍融對(duì)泡沫混凝土的破壞，其經(jīng)過(guò)不同時(shí)期多場(chǎng)耦合作用后的形貌如圖8所示。因此，孔結(jié)構(gòu)的破壞和孔隙率的提高是導(dǎo)致泡沫混凝土體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)顯著提高的根本原因。

圖7 凍融循環(huán)不同次數(shù)后泡沫混凝土的數(shù)碼照片：(a)初始試樣，(b)凍融循環(huán)28次，(c)凍融循環(huán)112次Fig.7 Digital photos of foam concrete with different freeze-thaw cycles: (a) original sample, (b) 28 freeze-thaw cycles, (c) 112 freeze-thaw cycles

圖8 多場(chǎng)耦合作用下不同時(shí)期泡沫混凝土的數(shù)碼照片：(a)初始試樣，(b)經(jīng)28次多場(chǎng)耦合作用，(c)經(jīng)112次多場(chǎng)耦合作用Fig.8 Digital photos of foam concrete in different stages of multi-field coupling cycles: (a) original sample, (b) after 28 multi-field coupling cycles, (c) after 112 multi-field coupling cycles

4 結(jié) 論

本文對(duì)泡沫混凝土在濕熱循環(huán)、干濕循環(huán)、高低溫循環(huán)、凍融循環(huán)和多場(chǎng)耦合循環(huán)等環(huán)境中的耐候性能展開(kāi)了詳細(xì)的研究，得到了如下結(jié)論：

(1)泡沫混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)駸崂匣阅?。?jīng)過(guò)112次濕熱循環(huán)試驗(yàn)后，其體積吸水率僅增長(zhǎng)了1.77%，導(dǎo)熱系數(shù)僅降低了6%。

(2)干濕循環(huán)環(huán)境對(duì)泡沫混凝土材料的導(dǎo)熱性能影響較大。經(jīng)過(guò)112次的干濕循環(huán)試驗(yàn)，其體積吸水率由20.64%增長(zhǎng)到25.63%，導(dǎo)熱系數(shù)由0.0724增長(zhǎng)到0.0836 W/(m·K)，漲幅15.47%。

(3)高低溫循環(huán)環(huán)境對(duì)泡沫混凝土的導(dǎo)熱性能影響不顯著。經(jīng)過(guò)112次高低溫循環(huán)試驗(yàn)，其體積吸水率由21.13%增長(zhǎng)到25.14%，導(dǎo)熱系數(shù)增大了6.68%。

(4)凍融循環(huán)嚴(yán)重破壞了泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)，極大地縮短了熱流在其內(nèi)部的傳熱路徑，降低了材料的熱阻值。經(jīng)過(guò)112次凍融循環(huán)后，泡沫混凝土體積吸水率由23.97%增長(zhǎng)到29.38%，導(dǎo)熱系數(shù)由0.0789上升至0.0980 W/(m·K)，增長(zhǎng)了24.21%。

(5)經(jīng)過(guò)112次多場(chǎng)耦合試驗(yàn)，泡沫混凝土的體積吸水率由14.12%增長(zhǎng)到16.88%，導(dǎo)熱系數(shù)從0.0720增長(zhǎng)到0.0850 W/(m·K)，增幅18.06%。多場(chǎng)耦合作用下的泡沫混凝土受到凍融、高低溫和干濕循環(huán)的聯(lián)合作用：小孔徑泡孔內(nèi)冷凝水飽和，泡孔壁因凍融開(kāi)裂，恒定壓應(yīng)力加速了微裂紋的擴(kuò)展。隨著作用時(shí)間增加，長(zhǎng)度為2～4 cm的裂紋數(shù)目增多，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸提高。