李娟紅 ,張鵬宇 ,王瑩瑩

（西安建筑科技大學(xué) a.建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院；b.西部綠色建筑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054）

建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)的準(zhǔn)確取值是建筑能耗預(yù)測準(zhǔn)確、設(shè)備選擇經(jīng)濟(jì)可靠的關(guān)鍵。目前，相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊一般僅給出建材在干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)[1-2]，實(shí)際使用過程中，多孔建材容易受到濕組分的侵入滲透，大量研究表明，建材含濕后導(dǎo)熱系數(shù)變化顯著[3-5]。

建立導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算模型預(yù)測含濕材料導(dǎo)熱系數(shù)是常用研究手段，Jin 等[6]考慮潮濕樣品中濕組分，利用分形理論推導(dǎo)出針對加氣混凝土的三相（固、液、氣）有效導(dǎo)熱系數(shù)分型模型；Shen 等[7]基于熱電類比原理，建立了液相不飽和多孔介質(zhì)有效導(dǎo)熱系數(shù)（ETC）的通用模型；馬超[8]基于分形理論推導(dǎo)出考慮微尺度傳熱效應(yīng)的液、氣空間替換的固液氣共存導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測模型，引入迂曲度等空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立模型時的通用假設(shè)一般為多孔建材含濕均勻。計(jì)算模型的預(yù)測精度隨含濕量變化會有所下降，多數(shù)學(xué)者選擇通過制備含濕材料實(shí)測其導(dǎo)熱系數(shù)變化，制備方法大致分為2 種：使用液態(tài)水侵入多孔材料的浸泡法及使用水蒸氣滲透多孔材料的恒濕箱法[9-12]。Boukhattem 等[13]、Belkharchouche 等[14]、Nguyen 等[15]、Gao 等[16]、Cao 等[17]、Liu 等[18]采用傳統(tǒng)浸泡法制備了半飽和、飽和含濕材料，Khoukhi[19]、Yang 等[20]的研究中采用恒溫恒濕箱或自制恒濕設(shè)備維持多孔材料穩(wěn)定的吸濕環(huán)境，制備含濕材料。通過以上試驗(yàn)方案能得到含濕飽和、穩(wěn)定的含濕材料，材料內(nèi)部濕分布均勻。

但實(shí)際工程使用中，建筑材料受室內(nèi)外溫、濕度變化動態(tài)影響，材料內(nèi)部濕組分會增加和衰減，呈現(xiàn)沿濕接觸方向上的非均勻分布，從而造成含濕多孔材料導(dǎo)熱系數(shù)動態(tài)變化。在多孔材料均勻增濕方案的基礎(chǔ)上，確定增減濕過程中非均勻含濕建材制備及導(dǎo)熱系數(shù)測量方案，初步探究相同含濕量下非均勻含濕狀態(tài)對多孔建材導(dǎo)熱系數(shù)影響程度。

1 多孔建材增減濕試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選擇材料首先考慮材料孔徑特征，不同的孔徑大小直接影響濕組分侵入材料的方式和速率，進(jìn)而影響含濕材料導(dǎo)熱系數(shù)[21]。運(yùn)用適當(dāng)?shù)脑鰷p濕方案，可得到在先增濕后減濕過程中不同材料濕組分的不同分布對材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。濕組分侵入材料的不同方式直接決定濕組分在材料中的不同分布，選用孔徑特征存在較大差異的加氣混凝土（AAC）、發(fā)泡水泥（FC）、紅磚（RB）等3 種材料進(jìn)行試驗(yàn)。

各材料均制作0.5～1 cm 立方體顆粒各3～5 塊用于壓汞實(shí)驗(yàn)，測量3 種材料的孔隙率及孔徑分布。各材料均制作60 mm×60 mm×50 mm 標(biāo)準(zhǔn)試件各6 塊，每2 塊為1 組，3 組材料同時進(jìn)行液態(tài)水侵入試驗(yàn)，測試完成后再進(jìn)行干空氣蒸發(fā)減濕試驗(yàn)。試驗(yàn)測量取平均值，各組減濕起點(diǎn)材料選用本組增濕穩(wěn)定材料，保證質(zhì)量含濕量連貫，各材料均用同一批次或同一塊母材料制作標(biāo)準(zhǔn)試件。

1.2 試驗(yàn)儀器

使用高性能全自動壓汞儀，型號為麥克9620，測試工作壓力為3.45～429 919.74 kPa，測試孔徑范圍為2.90～361 727.08 nm。測試試件為近似1 cm3正方體材料顆粒，利用壓汞儀可得出典型建筑材料的孔徑分布、比表面積、比孔容積等基本參數(shù)。使用高性能全自動壓汞儀，由小到大施加壓力，使汞克服表面張力，侵入材料孔隙，以此測定孔隙率及孔徑分布。

選用瞬態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測試儀（TPS2200），用瞬態(tài)平面熱源法測量材料導(dǎo)熱系數(shù)，儀器導(dǎo)熱系數(shù)測試范圍為0.005～500 W/（m·K），精度優(yōu)于3%。儀器探頭產(chǎn)生平面圓形熱場，測量被測試件的瞬間溫度提升，計(jì)算出材料導(dǎo)熱系數(shù)，短時間瞬間熱場引起的材料濕遷移可忽略不計(jì)。

使用烘箱營造干燥環(huán)境，烘箱由德國Binder 公司生產(chǎn)，型號為FD115，環(huán)境溫度營造最高限值為230 ℃，最低限值比環(huán)境溫度高5 ℃即可，可設(shè)置報警溫度（即儀器不受控升溫后提示操作者，防止損壞試件），溫度控制精度為±2%。

1.3 試驗(yàn)方案

傳統(tǒng)浸泡法一般直接浸沒試件，獲取液態(tài)水半飽和、飽和的含濕材料，材料內(nèi)部含濕均勻且含濕狀態(tài)點(diǎn)較少，并且未將增減濕過程相結(jié)合，無法得到相同含濕量下同組試件不同含濕狀態(tài)及分布的導(dǎo)熱系數(shù)差異。筆者采用不同于傳統(tǒng)含濕材料的制備方法，并將增減濕過程相結(jié)合。

1.3.1 增濕試驗(yàn)方案 增濕過程中使用飽和含水海綿接觸建筑材料上表面，從而獲得持續(xù)穩(wěn)定的液態(tài)水侵入速度和壓力，通過控制海綿放置時間來控制試件的質(zhì)量含濕量，經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能夠有效控制含濕材料質(zhì)量含濕量的近似增長規(guī)律。同時對材料其他非接觸面進(jìn)行蠟封處理，控制液態(tài)水沿侵入方向遷移。用顯微鏡觀察表面濕組分形態(tài)特征，并結(jié)合多孔材料的孔隙特征分析研究非均勻含濕多孔材料吸放濕全過程導(dǎo)熱系數(shù)變化特性。如圖1 所示，隨著試件與飽和含水海綿接觸時間的增加，液態(tài)水侵入材料的深度增加，在不同階段試件濕分布不同。增濕過程均在室溫25 ℃下進(jìn)行，具體如下。

圖1 AAC 材料液態(tài)水侵入增濕過程Fig.1 Liquid water intrusion humidification process of AAC material

1）取各材料標(biāo)準(zhǔn)試件組各兩塊，在105 ℃烘箱中烘干至質(zhì)量穩(wěn)定，連續(xù)3 d 測得試塊質(zhì)量變化率小于1%。覆膜冷卻前記錄材料干燥狀態(tài)下的質(zhì)量m0。

2）將烘干試塊用PE 保鮮膜包裹，冷卻至室溫，去除PE 膜后用游標(biāo)卡尺測量各試塊的真實(shí)長度，并記錄材料干燥狀態(tài)下體積V，并計(jì)算出干燥時試件的表觀密度。

3）將各標(biāo)準(zhǔn)試塊5 個面進(jìn)行蠟封處理，記錄蠟封后試塊質(zhì)量，作為吸濕過程的質(zhì)量起點(diǎn)m1。

4）用70 mm×70 mm×30 mm 的海綿飽和吸收添加純藍(lán)墨水的去離子水，并放置在材料未蠟封表面上側(cè)，每個增濕過程時長見表1。

表1 各材料加濕過程及吸濕時間Table 1 Humidification process and moisture absorption time of each material

5）完成第i增濕過程設(shè)定的時間，稱量含濕材料質(zhì)量mi，測量材料導(dǎo)熱系數(shù)。計(jì)算第i加濕過程材料含濕量ui，見式（1）。

式中：ui為第i增濕過程材料質(zhì)量含濕量；mi表示第i增濕過程材料的質(zhì)量；m1為同一材料干燥狀態(tài)下蠟封后質(zhì)量；m0為同一試件干燥狀態(tài)下的質(zhì)量。

6）重復(fù)步驟4）、步驟5），進(jìn)入第i+1 加濕過程。

1.3.2 液態(tài)水侵入增濕截面方案 由于AAC 試件高孔隙率、高透水的特點(diǎn)，且材料易于切割，切割過程中液態(tài)水蒸發(fā)可忽略不計(jì)，因此，無液態(tài)水直接流出現(xiàn)象，故加氣混凝土材料AAC 非常適合進(jìn)行截面實(shí)驗(yàn)。共設(shè)置1、2、3、5 h 四種加濕時間，每個增濕時間共測量4 個部位的導(dǎo)熱系數(shù)，分別為材料觸濕表面及材料上層、中層、下層，通過調(diào)整探頭中心位置達(dá)到測量不同區(qū)域?qū)嵯禂?shù)的目的。每次完成加濕過程后，快速沿液態(tài)水浸入方向切開，可觀察到液態(tài)濕組分在材料內(nèi)部的空間不均勻分布。采用瞬態(tài)平面熱源法測試被測材料的導(dǎo)熱系數(shù)，通過調(diào)整瞬態(tài)平面熱源法圓形探頭中心位置，改變測試區(qū)域，從而得到沿濕組分浸入方向上的導(dǎo)熱系數(shù)變化，測試過程如圖2 所示。將沿液態(tài)水浸入方向1.5～2 mm 的區(qū)域定義為頂部區(qū)域，2～3.5 mm 的區(qū)域定義為中部區(qū)域，3.5～5 mm 的區(qū)域定義為底部區(qū)域。

圖2 改變探頭位置測量導(dǎo)熱系數(shù)Fig.2 Change the probe position to measure the thermal conductivity

1.3.3 減濕試驗(yàn)方案 利用烘箱營造干空氣環(huán)境，將含濕量穩(wěn)定的材料移入55 ℃的強(qiáng)制對流烘箱中，升高飽和試件主體及材料內(nèi)部濕組分溫度，加快飽和試件表面及內(nèi)部濕組分蒸發(fā)，具體過程如下。

1）試件經(jīng)液態(tài)水浸入達(dá)到吸濕穩(wěn)定，取該標(biāo)準(zhǔn)試件組重新放入鼓風(fēng)機(jī)烘箱在55 ℃進(jìn)行烘干處理。每個減濕過程時長詳見表2，測試前將試件覆膜冷卻至室溫。

表2 各材料減濕過程及減濕時間Table 2 Dehumidification process and time of each material

2）每個減濕過程結(jié)束后，記錄各階段含濕材料質(zhì)量mi，在室溫下測量導(dǎo)熱系數(shù)，計(jì)算第i減濕過程材料含濕量ui，如式（1）所示。

3）重復(fù)步驟1）、步驟2），進(jìn)入第i+1減濕過程。

2 非均勻吸放濕對建材導(dǎo)熱系數(shù)的影響

2.1 實(shí)驗(yàn)材料孔隙特征

用壓汞儀測得3 種材料的孔隙率及孔徑分布，如圖3 所示。加氣混凝土材料AAC 孔徑分布基本涵蓋了所有孔徑大小類型，主要以10～1 000 nm 區(qū)間的過渡孔、毛細(xì)孔及大于10 000 nm 的大孔為主，分別占總孔隙的53.6%和45.2%。毫米級的宏觀大型孔道可極大提高水蒸氣吸收面積，同時為液態(tài)水提供毛細(xì)管流通道；過渡孔、毛細(xì)孔作為固體骨架滲透的主要通道。

圖3 3 種材料不同孔徑孔隙容積百分比Fig.3 Percentage of pore volume of three materials with different pore diameters

發(fā)泡水泥材料FC 主要以大于10 000 nm 的大孔為主，占總孔隙的71.7%。由于發(fā)泡水泥獨(dú)特的封閉氣孔結(jié)構(gòu)，使得樣品總孔隙率較高，大孔占比較高，同時過渡孔、毛細(xì)孔較少，占總孔隙的26.1%，導(dǎo)致材料FC 固體骨架滲透阻力較大。

紅磚材料RB 主要以1 000～10 000 nm 的大孔為主，占總孔隙的66.9%，大孔孔徑明顯小于材料AAC，使得材料RB 大孔對濕空氣的吸收作用弱化，作為毛細(xì)管流通道則不受影響。100～1 000 nm 的毛細(xì)孔占總孔隙的23.5%，可作為固體骨架滲透作用的主要通道。3 種多孔建材總孔隙率見表3。

表3 3 種材料總孔隙率Table 3 Total porosity of three materials %

2.2 非均勻增減濕過程中多孔建材質(zhì)量含濕量及導(dǎo)熱系數(shù)變化

如圖4 所示，在增濕、減濕過程中，材料AAC 的導(dǎo)熱系數(shù)變化大致可分為3 個階段。AAC 干燥導(dǎo)熱系數(shù)為0.213 W/（m·K），經(jīng)過11 次加濕，含濕量穩(wěn)定時材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.807 W/（m·K），增長了279%。再經(jīng)過18 次減濕，減濕過程終此時材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.194 W/（m·K），降低了73.6%。在AAC 增減濕過程中，導(dǎo)熱系數(shù)均為前期變化劇烈，中期變化速率趨緩，后期基本趨于穩(wěn)定。

圖4 AAC 加濕及減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)及含濕量變化趨勢Fig.4 Variation trend of thermal conductivity and moisture content in humidification and dehumidification process of AAC

增濕過程中，階段1 為加濕過程1～2，材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.213 W/m·K 增長至0.519 W/(m·K)，增長幅度為干燥狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)的177%，占增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)增長的63.9%。該過程液態(tài)濕組分接觸AAC 材料表面，多數(shù)通過毛細(xì)管流的方式深入材料內(nèi)部，少數(shù)通過固體骨架滲透方式進(jìn)入材料。液態(tài)濕組分滲透不及時、飽和等情況下，會在表面形成局部小型液橋，因此，該階段導(dǎo)熱系數(shù)增加迅速。

階段2 為加濕過程3～9，材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.633 W/（m·K）增長至 0.807 W/（m·K），增長幅度為上過程結(jié)束時導(dǎo)熱系數(shù)的36.1%，占增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)增長的29.4%。該過程宏觀孔洞中液態(tài)濕組分逐漸飽和，固體骨架滲透速度小于液態(tài)濕組分補(bǔ)充速度，造成表面濕組分組織形式逐步演化，即小型液橋→零星水團(tuán)→局部小液團(tuán)→大型連通液橋→小型液坑→大型液坑→局部液膜。

階段3 為加濕過程10～11，材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.781 W/(m·K)增長至 0.805 W/（m·K），含濕材料導(dǎo)熱系數(shù)基本保持穩(wěn)定。此時各宏觀孔道中液態(tài)濕組分已趨于飽和，固體骨架的細(xì)密氣孔中濕組分飽和，毛細(xì)作用微弱，材料AAC 表面形成穩(wěn)定的局部或大型水膜。

減濕過程中，階段1 為減濕過程1～6，材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.807 W/(m·K)降低至0.496 W/（m·K），占減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)降低的52.3%。減濕前期材料AAC 上層液態(tài)濕組分充足，表面液態(tài)濕組分受熱蒸發(fā)，淺層濕組分通過固體骨架滲透，快速返回材料表面或孔壁，參與蒸發(fā)，故該階段導(dǎo)熱系數(shù)下降迅速。

階段2 為減濕過程7～11，材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.482 W/（m·K）降低至0.248 W/（m·K），占減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)降低的39.4%，該過程材料AAC 導(dǎo)熱系數(shù)下降速度均勻。材料上層液態(tài)濕組分基本完全蒸發(fā)，中層濕組分通過固體骨架滲透方式返回材料上層，或直接在材料中層蒸發(fā)，隨膨脹空氣溢散出材料。

階段3 為減濕過程12～18，材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.257 W/（m·K）降低至 0.194 W/（m·K），占到減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)降低的10.5%。該過程AAC 材料導(dǎo)熱系數(shù)下降趨緩直至穩(wěn)定，已經(jīng)接近干燥狀態(tài)下材料導(dǎo)熱系數(shù)。此時，材料中上層液態(tài)濕組分緩慢遷移蒸發(fā)，底層蒸發(fā)水蒸氣返回材料表面是該過程材料導(dǎo)熱系數(shù)緩慢下降的原因。

截面實(shí)驗(yàn)中，試件內(nèi)濕分布如圖1 所示。材料加濕1 h，僅試件截面頂部區(qū)域有液態(tài)水浸入濕潤現(xiàn)象；加濕2 h，截面頂部、中部區(qū)域有液態(tài)水浸入濕潤現(xiàn)象；加濕3 h，截面頂部、中部、底部區(qū)域均有液態(tài)水浸入濕潤現(xiàn)象；加濕5 h，液態(tài)水已完全浸潤整個材料，材料截面導(dǎo)熱系數(shù)變化如圖5 所示。

圖5 截面各部位導(dǎo)熱系數(shù)隨加濕時間的變化Fig.5 The thermal conductivity of each part of the section changes with humidification time

由圖5 可見，材料表面導(dǎo)熱系數(shù)變化大致分為3個過程，導(dǎo)熱系數(shù)呈先增長10.9%，之后穩(wěn)定緩慢增長0.67%，再增長5.8%的整體趨勢。材料頂部導(dǎo)熱系數(shù)變化滯后于材料表面，即先穩(wěn)定緩慢增長0.3%，之后迅速增長22.6%，再處于穩(wěn)定波動狀態(tài)；材料中部導(dǎo)熱系數(shù)變化不同于表面和頂部，先迅速增長34.5%，之后趨于穩(wěn)定；材料底部導(dǎo)熱系數(shù)變化則是持續(xù)增長139%。

隨著累計(jì)增濕時長的增長，材料內(nèi)部濕組分趨于均勻，表面與底部材料導(dǎo)熱系數(shù)逐漸接近。實(shí)際情況中，由于濕組分浸入方向、時長等因素不同，含濕材料內(nèi)部導(dǎo)熱系數(shù)沿浸入方向遞減。材料頂部導(dǎo)熱系數(shù)變化滯后于材料表面，具體表現(xiàn)為表面導(dǎo)熱系數(shù)增長，頂部導(dǎo)熱系數(shù)增長停滯；表面導(dǎo)熱系數(shù)增長停滯，頂部導(dǎo)熱系數(shù)增長。原因是測量時刻1 至2，濕組分在表面積存，向下滲透浸入仍需持續(xù)的液態(tài)濕組分補(bǔ)充。造成表面導(dǎo)熱系數(shù)快速增長，而頂部導(dǎo)熱系數(shù)增長因遷入與遷出動態(tài)平衡，導(dǎo)熱系數(shù)增長停滯。測量時刻2 至3，濕組分進(jìn)一步增多，表面濕組分獲得浸入滲透動力，向下遷移。頂部濕組分增多，而表面濕組分仍持續(xù)增多，此時間段，材料表面導(dǎo)熱系數(shù)增長停滯，頂部材料導(dǎo)熱系數(shù)迅速增長。頂部材料導(dǎo)熱系數(shù)增長第1 次停滯是由于濕組分遷移停滯，濕組分暫時達(dá)到動態(tài)平衡。在測試時刻3 至5，材料中部也出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)增長停滯，原因是材料中部濕組分暫時動態(tài)平衡。材料底部一直處于導(dǎo)熱系數(shù)增長狀態(tài)，但隨著累計(jì)加濕時間的增加，在之后的測試時刻材料底部出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)增長停滯，由此可得隨著浸入滲透行程的增加，導(dǎo)熱系數(shù)增長、停滯過程拉長。

如圖6 所示，F(xiàn)C 的導(dǎo)熱系數(shù)變化在增濕、減濕過程中大致皆可分為兩個階段，F(xiàn)C 干燥導(dǎo)熱系數(shù)為0.11 W/(m·K)，經(jīng)過5 次加濕，含濕量穩(wěn)定時材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.403 W/(m·K)，導(dǎo)熱系數(shù)增長266%。再經(jīng)過8 次減濕，減濕過程終點(diǎn)材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.107 W/(m·K)，導(dǎo)熱系數(shù)降低73.5%。FC增減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)變化均為前期變化較快，后期變化速率趨緩。

圖6 增濕及減濕過程FC 導(dǎo)熱系數(shù)及含濕量變化趨勢Fig.6 Variation trend of thermal conductivity and moisture content in humidification and dehumidification process of FC

增濕過程中，階段1 為加濕過程1，材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.11 W/（m·K）增長至 0.246 W/（m·K），增長幅度為干燥狀態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)的123%，占增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)增長的46.4%，該階段液態(tài)濕組分通過固體骨架滲透方式進(jìn)入材料，滲透阻力明顯大于材料AAC。液態(tài)濕組分滲透不及時、飽和等情況下，在材料表面形成零星液滴，導(dǎo)熱系數(shù)增加迅速。

階段2 為加濕過程2～5，材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.271 W/（m·K）增長至0.403 W/（m·K），占增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)增長的53.6%。由于液態(tài)濕組分只能通過固體骨架滲透方式進(jìn)入材料，且滲透阻力明顯大于材料AAC 液態(tài)濕組分補(bǔ)充速度，容易造成液態(tài)濕組分在表面積累，液態(tài)濕組分形態(tài)特征快速演化，即零星液滴→小型液橋→小型液坑→大型液坑，表面濕組分組織形式演化明顯快于材料AAC。

減濕過程中，階段1 為減濕過程1～4，材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.403 W/（m·K）降低至 0.177 W/（m·K），占減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)降低的76.7%。由于發(fā)泡水泥特殊的表面微觀特征，即封閉氣孔造成的無宏觀孔道、無固體骨架細(xì)密氣孔結(jié)構(gòu)。液態(tài)濕組分滲透速率低，通過毛細(xì)作用返回表面的速率低，液態(tài)濕組分多數(shù)積存在材料上層，減濕初期FC 材料表面濕組分快速蒸發(fā)，材料導(dǎo)熱系數(shù)快速下降。

階段2 為減濕過程5～8，材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.142 W/（m·K）降低至0.107 W/（m·K），占減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)降低的23.3%。由于發(fā)泡水泥特殊的封閉氣孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致濕組分僅能通過固體骨架滲透方式緩慢上移參與蒸發(fā)，遷移阻力較大，減濕過程時間長。故該過程材料導(dǎo)熱系數(shù)已經(jīng)接近干燥狀態(tài)下材料導(dǎo)熱系數(shù)。

如圖7 所示，在增濕、減濕過程中,RB 的導(dǎo)熱系數(shù)變化大致可分為4 個階段。干燥狀態(tài)下材料RB導(dǎo)熱系數(shù)為0.851 W/（m·K），經(jīng)過6 次加濕，含濕量穩(wěn)定時材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.758 W/（m·K），增長106%。再經(jīng)過9 次減濕，減濕過程結(jié)束時材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.719 W/（m·K），降低63.19%。增減濕過程RB 導(dǎo)熱系數(shù)變化與AAC 不同之處在于其中前期存在導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定階段。

圖7 增濕及減濕過程RB 導(dǎo)熱系數(shù)及含濕量變化趨勢Fig.7 Variation trend of thermal conductivity and moisture content in humidification and dehumidification process of RB

增濕過程中，階段1 為加濕過程1，材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.851 W/（m·K）增長至 1.301 W/（m·K），增長幅度為干燥狀態(tài)下的52.9%，占增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)增長的49.6%。該過程液態(tài)濕組分多數(shù)通過毛細(xì)管流的方式深入材料內(nèi)部，少數(shù)通過固體骨架滲透方式進(jìn)入材料，液態(tài)濕組分滲透完全，材料微觀表面無法觀察到成規(guī)模的液態(tài)濕組分，因此導(dǎo)熱系數(shù)增加較快。

階段2 為加濕過程2～4，材料導(dǎo)熱系數(shù)由1.35 W/（m·K）增長至1.40 W/（m·K），占到增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)增長的10.8%。該過程材料上層孔道濕組分局部動態(tài)飽和，液態(tài)濕組分向下浸入，滲透速率基本等于液態(tài)水補(bǔ)充速率。表面液態(tài)濕組分積聚狀態(tài)基本保持不變，導(dǎo)熱系數(shù)增長趨緩。

階段3 為加濕過程4，材料導(dǎo)熱系數(shù)由1.40 W/（m·K）增長至1.78 W/（m·K），占增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)增長的41.9%。該過程表面濕組分由連通液坑過渡為大型連通液坑，材料下層孔道液態(tài)濕組分趨于飽和，表面濕組分開始積聚，液坑規(guī)模不斷擴(kuò)大，向液膜態(tài)發(fā)展。

階段4 為加濕過程5，含濕材料RB 導(dǎo)熱系數(shù)基本保持穩(wěn)定。此時各宏觀孔道中液態(tài)濕組分已趨于飽和，固體骨架細(xì)密氣孔中的濕組分飽和，毛細(xì)作用微弱，材料RB 表面形成穩(wěn)定的局部或大型水膜。

減濕過程中，階段1 為減濕過程1～3，材料導(dǎo)熱系數(shù)由1.90 W/（m·K）降低至1.674 W/（m·K），占到減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)降低的10.0%。減濕前期材料RB 上層液態(tài)濕組分充足，表面液態(tài)濕組分受熱蒸發(fā)，淺層濕組分通過固體骨架滲透，快速返回材料表面或孔壁，參與蒸發(fā)，由于毛細(xì)作用，測試區(qū)液態(tài)濕組分質(zhì)量可能維持不變甚至上升，導(dǎo)致前兩個減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)反常上升。減濕過程3，由于重力、行程等原因上層濕組分無法及時補(bǔ)充至材料表面，導(dǎo)熱系數(shù)開始下降。

階段2 為減濕過程4～5，材料導(dǎo)熱系數(shù)由1.651 W/（m·K）降低至1.615 W/（m·K），占減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)降低的2.9%。該過程材料表面濕組分蒸發(fā)，但又通過固體骨架向上滲透，得到內(nèi)部濕組分的補(bǔ)充，測試區(qū)材料含濕狀態(tài)幾乎達(dá)到動態(tài)平衡，故材料導(dǎo)熱系數(shù)下降速度緩慢。

階段3 為減濕過程6～7，材料導(dǎo)熱系數(shù)由1.333 W/（m·K）降低至0.814 W/（m·K），占減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)降低的42.1%。該過程RB 材料導(dǎo)熱系數(shù)迅速下降，材料上層液態(tài)濕組分基本完全蒸發(fā)，中層濕組分通過固體骨架滲透方式返回材料上層，或直接在材料中層蒸發(fā)，隨膨脹空氣溢散。

階段4 為減濕過程8～9，材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.768 W/（m·K）降低至0.719 W/（m·K），占到減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)降低的3.91%。材料中上層液態(tài)濕組分基本蒸發(fā)完全，底層液態(tài)濕組分以固體骨架滲透方式上移，無法影響測試區(qū)材料含濕量，是該過程材料導(dǎo)熱系數(shù)緩慢下降的原因。

2.3 增/減濕過程多孔建材濕組分分布示意圖

增濕過程中，飽和吸水的海綿提供長時間穩(wěn)定的液態(tài)水接觸，液態(tài)濕組分受重力和毛細(xì)作用影響，總體沿重力向下浸入滲透。由于孔隙特征不同，各多孔建材浸入滲透速率各不相同。增濕過程初期，濕組分分布在材料表面淺層且較集中，中后期液態(tài)濕組分通過固體骨架滲透和毛細(xì)管流的方式浸入材料內(nèi)部，內(nèi)部濕分布隨增濕時間的增長而逐漸趨于均勻。內(nèi)部非均勻濕分布示意圖如圖8所示。

圖8 增濕過程多孔材料非均勻濕分布示意圖Fig.8 Schematic diagram of non-uniform moisture distribution in humidification process of porous materials

減濕過程初期，表面濕組分快速蒸發(fā)，淺層液態(tài)水返流，補(bǔ)充表層蒸發(fā)損失，在重力及毛細(xì)作用影響下，中下層液態(tài)水繼續(xù)向下滲透浸入；減濕過程中期，表層淺層液態(tài)水持續(xù)蒸發(fā)，由于材料中層含濕量降低，返流作用不斷減弱，材料內(nèi)部微孔中的液態(tài)水開始蒸發(fā)，中下層液態(tài)濕組分分布趨于均勻。減濕過程后期，大型孔道內(nèi)的液態(tài)水基本蒸發(fā)完畢，僅微小孔隙中液態(tài)濕組分內(nèi)部蒸發(fā)。內(nèi)部非均勻濕分布示意圖如圖9 所示。

圖9 減濕過程多孔材料非均勻濕分布示意圖Fig.9 Schematic diagram of non-uniform moisture distribution in the dehumidification process of porous materials

2.4 增/減濕全過程多孔材料導(dǎo)熱系數(shù)變化特性分析

材料AAC 與RB 孔隙結(jié)構(gòu)相似，孔徑分布不同，故將二者一并討論。如圖10 所示，增/減濕過程材料AAC 與RB 的導(dǎo)熱系數(shù)變化可大致分為3 個階段，階段1 導(dǎo)熱系數(shù)快速上升或降低，階段2 導(dǎo)熱系數(shù)上升或下降速度趨緩，階段3 導(dǎo)熱系數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖10 增減濕全過程材料AAC 和RB 相同質(zhì)量含濕量下的導(dǎo)熱系數(shù)Fig.10 Thermal conductivity of AAC and RB under the same mass moisture content in the whole process of increasing and decreasing humidity

增、減濕過程中材料AAC 和RB 紅色含濕狀態(tài)點(diǎn)的質(zhì)量含濕量及導(dǎo)熱系數(shù)均相同。按照預(yù)期設(shè)想，如果含濕量下降，導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)隨之下降，但減濕初期、增濕后期，AAC 和RB 紅色圓區(qū)域內(nèi)的減濕狀態(tài)點(diǎn)含濕量明顯小于增濕狀態(tài)點(diǎn)，但導(dǎo)熱系數(shù)卻分別高出10.3%和13.4%。

階段3 材料AAC 含濕量區(qū)間為0.38～0.46 kg/kg，RB 含濕量區(qū)間為0.118～0.227 kg/kg。減濕過程前期，由于表層液態(tài)水蒸發(fā)，濕組分返流上升帶來液態(tài)水補(bǔ)充，流動性增強(qiáng)。增濕過程液態(tài)水均主要集中在中上層，但減濕過程淺層濕潤且流動性更強(qiáng)，內(nèi)部濕組分更均勻，故材料質(zhì)量含濕量相同時，該階段材料AAC 和RB 減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)高于增濕過程，導(dǎo)熱系數(shù)最大增長約為20.2% 和18.0%。同時，由于材料RB 峰值孔徑小于材料AAC，蒸發(fā)強(qiáng)度較小，返流作用持續(xù)時間更長，導(dǎo)熱系數(shù)反向增長持續(xù)時間更長。

階段2 材料AAC 含濕量區(qū)間為0.151～0.38 kg/kg，RB 含濕量區(qū)間為0.07～0.118 kg/kg。減濕過程中經(jīng)過長時間蒸發(fā)，淺層濕組分基本蒸發(fā)，中上層濕組分返流行程長且受重力作用無法返流至材料表面，由于遷移時間更久，濕組分已滲透進(jìn)入材料骨架內(nèi)部，流動受限，并且主要集中在材料中部；增濕過程中，濕組分分布在材料表面淺層且更加集中，并存在一定流動性。故材料質(zhì)量含濕量相同時，該階段增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)逐漸大于減濕過程，增濕過程材料AAC 和RB 導(dǎo)熱系數(shù)分別高出減濕過程最大約63.4%和37.4%。

階段1 材料AAC 質(zhì)量含濕量區(qū)間為0.023～0.151 kg/kg，材料RB 含濕量區(qū)間為0.025～0.07 kg/kg。減濕過程后期，液態(tài)水主要分布在材料底部且較分散，流動性差，大型孔道內(nèi)液態(tài)水蒸發(fā)完全，微小孔隙內(nèi)液態(tài)水蒸發(fā)遷移緩慢。增濕過程液態(tài)水主要分布在材料表面淺層，大型孔道中液態(tài)水向骨架滲透，流動性較強(qiáng)。增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)增長迅速，減濕過程基本保持穩(wěn)定，故該階段材料質(zhì)量含濕量相同時，增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)逐漸大于減濕過程。

增/減濕過程發(fā)泡水泥材料FC 導(dǎo)熱系數(shù)變化可大致分為2 個階段，如圖11 所示。階段1 導(dǎo)熱系數(shù)快速上升或降低，階段2 導(dǎo)熱系數(shù)上升或下降速度趨緩。

圖11 增減濕全過程FC 在相同質(zhì)量含濕量下的導(dǎo)熱系數(shù)Fig.11 Thermal conductivity of FCunder the same mass moisture content in the whole process of increasing and decreasing humidity

在質(zhì)量含濕量相同時，材料FC 液態(tài)水接觸表面導(dǎo)熱系數(shù)增濕過程始終大于減濕過程。階段2 質(zhì)量含濕量區(qū)間為0.243～0.331 kg/kg，材料FC 增濕過程與減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)平行變化。材料FC 沒有出現(xiàn)類似于材料AAC 的導(dǎo)熱系數(shù)反向增長現(xiàn)象，由于材料FC 特殊的封閉氣孔結(jié)構(gòu)，阻礙了濕組分遷移。減濕過程中，表面濕組分蒸發(fā)迅速而無反流補(bǔ)充，質(zhì)量降低，導(dǎo)熱系數(shù)開始劇烈下降。導(dǎo)熱系數(shù)由增濕過程結(jié)束時的0.403 W/（m·K）降低至減濕初期的0.345 W/（m·K），降低約14.5%。

階段1 質(zhì)量含濕量區(qū)間為0.029～0.243 kg/kg，增濕與減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)差值先增大后減小。減濕過程中由于孔隙結(jié)構(gòu)不利于濕組分遷移，濕組分分散在材料內(nèi)部蒸發(fā)；增濕過程濕組分分布集中在表面淺層，非均勻分布導(dǎo)致相同質(zhì)量含濕量下增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)更大。最大差值出現(xiàn)在質(zhì)量含濕量0.12 kg/kg 附近，增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)為0.271 W/（m·K），減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)為0.127 W/（m·K），降低約53.3%。

3 結(jié)論

針對加氣混凝土、發(fā)泡水泥、紅磚等多孔建材開展增/減濕過程中液態(tài)濕組分非均勻分布下導(dǎo)熱系數(shù)變化特性研究，更加貼近多孔建材非均勻吸/放濕的實(shí)際使用情況。首先得到3 種材料的孔隙率和孔徑分布，然后采用瞬態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測試技術(shù)得到增減濕過程中非均勻分布下的導(dǎo)熱系數(shù)變化特性。主要結(jié)論如下：

1）增減濕過程中3 種材料存在質(zhì)量含濕量相同的含濕狀態(tài)點(diǎn)，導(dǎo)熱系數(shù)變化與液態(tài)濕組分分布及流動性有關(guān)。

2）質(zhì)量含濕量相同時，材料AAC 與RB 階段1和階段2 增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)始終大于減濕過程；質(zhì)量含濕量相同時，階段3 減濕過程導(dǎo)熱系數(shù)高于增濕過程。減濕初期含濕量下降，相較增濕過程，導(dǎo)熱系數(shù)反而增長。減濕初期、增濕后期，紅色圓區(qū)域內(nèi)的減濕狀態(tài)點(diǎn)含濕量明顯小于增濕狀態(tài)點(diǎn)，但導(dǎo)熱系數(shù)卻分別高出10.3%和13.4%。

3）FC 的封閉氣孔結(jié)構(gòu)不利于液態(tài)水返流蒸發(fā)，含濕量降低導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)降低。相同含濕量下，材料增濕過程導(dǎo)熱系數(shù)始終高于減濕過程。

4）相較干燥狀態(tài)加濕后AAC、FC、RB 導(dǎo)熱系數(shù)，分別增長279%、266%、106%。增、減濕全過程中，AAC 質(zhì)量含濕量變化范圍為0～0.457 kg/kg；FC 為0～0.332 kg/kg；RB 為0～0.227 kg/kg，質(zhì)量含濕量相同時AAC 導(dǎo)熱系數(shù)差值范圍約為-20.2%～63.4%；FC 為14.5%～53.3%，RB 為-18.0%～37.4%。

相同含濕量下，不同增/減濕過程中，不同含濕分布狀態(tài)的多孔建材導(dǎo)熱系數(shù)存在差異。需要考慮多孔建材的含濕狀態(tài)及濕分布，以精準(zhǔn)預(yù)測建筑在不同氣候條件下的能耗。