玻化微珠保溫砂漿的吸放濕及導(dǎo)熱性能

任 鵬,李秀輝,孟慶林

(華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室建筑節(jié)能研究中心,廣州510640)

?；⒅槭钦渲閹r經(jīng)膨脹急冷形成的表面玻璃化閉孔的珠狀微小顆粒,屬于膨脹珍珠巖改進(jìn)系列材料,以其為骨料配制的保溫砂漿是一種新型無機保溫材料,因具有保溫隔熱、防火、耐老化性能在國際上受到廣泛關(guān)注[1-2]。國外較早開展了以膨脹珍珠巖為主要填料對建材制品改性的研究工作,目的是為了提高制品的保溫性能[3-5]。近年來中國學(xué)者主要針對玻化微珠保溫砂漿配制成型技術(shù)和外加劑適應(yīng)性開展了相關(guān)研究[6-7],同時對?；⒅榧捌浔厣皾{制品采用憎水法進(jìn)行優(yōu)化,提高了干燥狀態(tài)下保溫砂漿的性能[8-9]。

盡管改性的玻化微珠保溫砂漿相比傳統(tǒng)膨脹珍珠巖吸水率大幅降低,但其自然吸濕依然是不可忽視的問題。目前針對珍珠巖類制品受潮的吸放濕特性、熱工及物理性能等相關(guān)研究報道較少[10-12],因材料集配和氣候類型的不同,已發(fā)表的相關(guān)研究結(jié)論也并不能完全適用于?；⒅楸厣皾{和中國的氣候類型。中國針對玻化微珠受潮和玻化微珠保溫砂漿受潮問題的研究才剛剛開始,尚未形成系統(tǒng)的研究結(jié)論[13-14],以至于中國現(xiàn)行民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范無法給出因受潮進(jìn)行修正的依據(jù)[15],導(dǎo)致實際設(shè)計中此類保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)取值混亂,嚴(yán)重影響了建筑節(jié)能設(shè)計質(zhì)量。

該文在中國南方濕熱氣候條件下對?；⒅楸厣皾{進(jìn)行了自然態(tài)吸放濕實驗、質(zhì)量平衡含濕率實驗,測定其濕平衡態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù),進(jìn)而提出濕熱地區(qū)的玻化微珠保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)。

1 ?；⒅楸厣皾{的自然狀態(tài)吸放濕試驗

1.1 試驗儀器及方法

試驗采用2007年下半年制成的?；⒅楸厣皾{試塊,尺寸為300 mm×300mm×30mm,如圖1所示。測試所采用的儀器包括HOBO溫濕度自記議、202A-2S型數(shù)顯電熱恒溫干燥箱和電子天平,儀器及其設(shè)置參數(shù)如表1。測試時間為2008年4月13-24日。

圖1 玻化微珠保溫砂漿試塊

表1 吸放濕性能測量參數(shù)及儀器

試塊干燥至恒重的質(zhì)量記為m0,將試塊置于室內(nèi)自然環(huán)境下,每24 h記錄試塊質(zhì)量m,連續(xù)記錄10 d,得到試塊質(zhì)量含濕率隨時間變化的關(guān)系曲線如圖2。由HOBO溫、濕度自記儀測定的室內(nèi)溫、濕度變化見圖3。

圖2 測試期間試塊質(zhì)量含濕率變化曲線

1.2 試驗結(jié)果與分析

測試期間的溫度基本在26℃上下波動,波動幅度小于2℃,可以視為溫度基本恒定。圖3表明,在該溫度條件下,試塊吸濕量與室內(nèi)相對濕度變化趨勢一致,即當(dāng)環(huán)境的相對濕度升高時,試塊吸收空氣中的水分,并且隨著相對濕度的提高質(zhì)量含濕率也不斷增大;相反,當(dāng)空氣相對濕度下降時,試塊能釋放一部分的水分,使質(zhì)量含濕率降低。

圖3 測試期間環(huán)境空氣溫度、濕度變化曲線

2 質(zhì)量平衡含濕率試驗

根據(jù)上面自然狀態(tài)吸放濕試驗結(jié)論,試塊的吸放濕受環(huán)境變化波動的影響。為進(jìn)一步觀察環(huán)境濕度波動對?；⒅楸厣皾{含水率變化的影響,更精確了解?；⒅楸厣皾{的吸放濕性能,為測定試件受潮后導(dǎo)熱系數(shù)提供更充分依據(jù),質(zhì)量平衡含濕率試驗應(yīng)用風(fēng)洞實驗臺構(gòu)建穩(wěn)定的溫濕度環(huán)境進(jìn)行吸放濕性能的測定,取得其在某特定溫度,不同濕度條件下的質(zhì)量平衡含濕率,觀察分析試件吸濕放濕過程。

2.1 試驗裝置和儀器

實驗在華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室經(jīng)國家計量認(rèn)證(CMA)的熱濕氣候風(fēng)洞實驗臺(2008002969K)完成。實驗臺試塊測試槽及精密電子天平如圖4所示,環(huán)境控制參數(shù)見表2?？紤]到風(fēng)速對實驗材料吸放濕效果影響較大,并盡可能使風(fēng)洞內(nèi)熱環(huán)境接近實際,根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GBJ 50019-2003),對應(yīng)南方城市室外夏季平均風(fēng)速,構(gòu)建了風(fēng)洞的逐時刻風(fēng)速分布如圖5所示。

圖4 吸放濕測量槽及精密電子天平

表2 風(fēng)洞實驗臺各環(huán)境參數(shù)模擬范圍及控制精度

圖5 熱濕氣候風(fēng)洞內(nèi)逐時刻風(fēng)速值[16]

2.2 試驗方法及內(nèi)容

根據(jù)規(guī)范要求并結(jié)合風(fēng)洞實驗臺的模擬范圍,測試構(gòu)建的溫、濕度條件是：溫度恒定為25℃,分別測定試塊在相對濕度為 45%、55%、65%、75%、85%的環(huán)境下試塊的質(zhì)量平衡含濕率。試塊質(zhì)量通過精度為0.01 g的電子天平系統(tǒng)自動記錄,當(dāng)試塊的質(zhì)量每間隔24 h的連續(xù)3次測量結(jié)果的變化小于總質(zhì)量的0.1%,即認(rèn)為達(dá)到了恒重狀態(tài)。

根據(jù)風(fēng)洞實驗臺測試試件的要求,將?；⒅楸厣皾{制成尺寸為100mm×100mm×50mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊,按《建筑材料及制品的濕熱性能 吸濕性能的測定》(GB/T 20312-2006/ISO 12571：2000)的測定步驟,在干燥溫度為105±1℃的干燥箱內(nèi)干燥達(dá)到恒重后,置于風(fēng)洞實驗槽中,從相對濕度為45%開始逐級增加濕度,分別測定每個濕度環(huán)境下材料達(dá)到濕平衡時的質(zhì)量m,求出平衡含濕量。每一級相對濕度達(dá)到平衡的時間為7～10 d。表3為25℃,不同相對濕度吸濕過程的含濕量。

表3 25℃不同相對濕度吸濕過程質(zhì)量含濕率

當(dāng)試塊在相對濕度為85%達(dá)到濕平衡后,開始逐級降低濕度,分別測定每個濕度環(huán)境下材料達(dá)到濕平衡時的質(zhì)量m,求出放濕過程的平衡含濕量。表4為25℃,不同相對濕度放濕過程的含濕量。

表4 25℃不同相對濕度放濕過程質(zhì)量含濕率

2.3 實驗結(jié)果與分析

從2008年6月12日-9月16日,經(jīng)過3個多月的測試,測試了試塊的等溫吸放濕過程,求出每個濕度條件下的平衡含濕率μ,得到試件在25℃時的吸放濕曲線,如圖6?？梢钥闯?試塊的等溫吸放濕過程并非完全可逆過程。測量范圍內(nèi)平衡放濕曲線斜率明顯小于吸濕曲線,說明隨著空氣相對濕度下降,試塊內(nèi)部所含水分在短時間內(nèi)并不能完全排出。南方地區(qū)潮濕多雨氣候條件,相對濕度多在60%～90%之間,致使玻化微珠保溫砂漿頻繁受潮,其中水分并無足夠時間排出,因此?；⒅楸厣皾{內(nèi)濕度變化曲線應(yīng)更接近于平衡放濕曲線,始終保持在較高水平,十分有必要進(jìn)行?；⒅楸厣皾{受潮后導(dǎo)熱系數(shù)的變化。

圖6 玻化微珠保溫砂漿等溫吸放濕曲線

3 導(dǎo)熱系數(shù)試驗

3.1 試驗方法

試驗選取7塊2007年制成的玻化微珠保溫砂漿試塊先后測定其濕平衡和烘干狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù),模擬?；⒅楸厣皾{做為外墻內(nèi)保溫系統(tǒng)受潮情況下與絕干狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)差別。測試之前,試塊保存于樣品間內(nèi)長達(dá)1 a之久(樣品間內(nèi)溫度濕度與普通無空調(diào)房間類似,主要隨室外溫濕度影響),可認(rèn)為內(nèi)部含水率與環(huán)境溫濕度已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

試驗時間為2009年4月6日-4月23日。測試儀器為中國建筑科學(xué)研究院研制的TPMBE-300平板導(dǎo)熱儀,熱板設(shè)定溫度為35.0℃,冷板設(shè)定溫度為15.0℃,平均溫度25.0℃。每次導(dǎo)熱系數(shù)測試前后均測量試塊質(zhì)量,以免試驗過程中試塊含水率變化對試驗結(jié)果造成不可忽略影響。試驗期間樣品間室內(nèi)溫度20～30℃,空氣相對濕度在60%～90%之間。測定室測試濕平衡試件導(dǎo)熱系數(shù)時,只開啟空調(diào)控制溫濕度,環(huán)境溫度20～22℃,空氣相對濕度45%～55%;測試烘干后試件導(dǎo)熱系數(shù)時,開啟空調(diào)和除濕機,環(huán)境溫度20～22℃,空氣相對濕度30%～40%。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 測試過程中試塊質(zhì)量變化

濕平衡狀態(tài)下,試塊測量過程中質(zhì)量變化率均小于0.2%,其變化對于試塊熱系數(shù)的影響已經(jīng)遠(yuǎn)小于導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的精度。另外,導(dǎo)熱系數(shù)測定室內(nèi)采用空調(diào)控溫,其環(huán)境溫濕度均小于樣品間,因此測量過程中試塊質(zhì)量均為負(fù)變化。

根據(jù)《無機硬質(zhì)絕熱制品試驗方法-密度、含水率及吸水率》GB/T 5486.3-2001,試塊應(yīng)在105±5℃溫度烘干下,每隔3 h對試塊進(jìn)行稱重,質(zhì)量變化率小于0.2%認(rèn)為達(dá)到絕干狀態(tài)。試塊烘干后,整個測試過程總質(zhì)量變化率只有試塊3和試塊6超過0.2%。

3.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)及質(zhì)量平衡含濕量測試結(jié)果

含濕與烘干狀態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果如表5。

表5 含濕與烘干狀態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果

測試結(jié)果表明：

1)試塊烘干狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)為0.068～0.085 W/(m?K),均符合GB/T 20473-2006對“硬化后的物理力學(xué)性能”Ⅱ型規(guī)定。濕平衡狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)在0.074～0.094W/(m?K)之間,導(dǎo)熱系數(shù)增大4.11%～10.61%,平均增大7.82%。

2)試塊干密度在340.1～439.0 kg/m3,大部分滿足GB/T 20473-2006《硬化后的物理力學(xué)性能》Ⅱ型干密度小于400 kg/m3的要求。濕平衡狀態(tài)下試件密度在369.8～458.5 kg/m3,質(zhì)量平衡含水率在2.84%～4.49%之間,平均值為3.55%,如圖7所示。

3)測試結(jié)果驗證了玻化微珠保溫砂漿密度越小導(dǎo)熱系數(shù)越小這一基本趨勢,并且在濕平衡狀態(tài)下試件導(dǎo)熱系數(shù)隨密度增長趨勢與烘干狀態(tài)下一致,如圖8。

4)試塊受潮后導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)在1.04～1.11之間,平均值為1.08。因?qū)嶋H工程中存在若干施工允許誤差和質(zhì)量允許偏差,諸如保溫砂漿干粉料的質(zhì)量偏差、現(xiàn)場拌合和施工成型的誤差等,均會導(dǎo)致保溫砂漿的保溫性能出現(xiàn)偏差,為適當(dāng)保守起見,該修正系數(shù)取為1.10為宜。

圖7 濕平衡質(zhì)量含水率圖

圖8 導(dǎo)熱系數(shù)與密度關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過測試在室內(nèi)自然條件下存放的建筑?；⒅楸厣皾{試塊的自然態(tài)吸放濕曲線、風(fēng)洞試驗臺測得的質(zhì)量平衡含濕率以及在實驗室標(biāo)準(zhǔn)工況下測得的濕平衡狀態(tài)及絕干狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù),得出結(jié)論如下：

1)?；⒅楸厣皾{吸放濕過程短時間內(nèi)并非完全可逆過程;測量范圍內(nèi)平衡放濕曲線斜率明顯小于吸濕曲線,表明隨著空氣相對濕度下降,砂漿內(nèi)部所含水分在短時間內(nèi)并不能完全排出。

2)玻化微珠保溫砂漿在相同溫濕度環(huán)境下存在平衡含濕量,且平衡含濕量隨環(huán)境溫濕度同向變化;測試分析結(jié)果表明,在南方地區(qū)潮濕氣候條件下?；⒅楸厣皾{質(zhì)量平衡含濕率約為3.55%。

3)滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求的?；⒅楸厣皾{烘干狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)為0.068～0.085W/(m?K),濕平衡狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)在0.074～0.094W/(m?K)之間,導(dǎo)熱系數(shù)增大 4.11%～10.61%,平均增大7.82%。濕平衡狀態(tài)下?；⒅楸厣皾{導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)為 1.08,工程設(shè)計該修正系數(shù)取 1.10為宜。

[1]PAPADOPOULOS A M.State of the art in thermal insulation material and aims for future developments[J].Energy and Buildings,2005,37(11)：77-86.

[2]PAPADOPOULOS A M.Design and Development of Innovative Stone-wool Products for the Energy Upgrading of Existing and New Buildings[R].Project Thessa loniki,2004.

[3]ILERBEKIR TOPCU,BURAK ISLKDAG.Manufacture of high heat conductivity resistant clay bricks containing perlite[J].Building and Environment,2007,42(10)：3540-3546.

[4]K IKAVA O SH,BAJKOV B K,NEJM AN S M.Composition for Making H eat Insulating M aterial：Russia,SU 1079654-A 1[P].1984-03-15.

[5]RAMAZAN DEM IRBOG A,RUSTEM GUL.Thermal conductivity and compressive strength of expanded perlite aggregate con-crete with m ineral admixtures[J].Energy Buildings,2003,35：1155-1159.

[6]賀智敏,閆成文,張劍鋒.膨脹?；⒅楸厣皾{配制技術(shù)試驗研究[J].新型建筑材料,2007(8)：73-76.HE ZH I-M IN,YAN CHENG-WEN,ZHANG JIANFENG.Experimental study on p reparation technique of expanded vitrified m icrosphere heat insu lation mortar[J].New Building Materials,2007(8)：73-76.

[7]徐迅,李英丁,張鉻.外加劑對?；⒅楸厣皾{性能的影響[J].新型建筑材料,2008(12)：60-63.XU XUN,LI YING-DING,ZH ANG GE.Influence of addition agent on performance of vitrified m icrosphere thermal insulation mortar[J].New Building Materials,2008(12)：60-63.

[8]孟慶林,李寧,李秀輝,等.低品質(zhì)?；⒅楦男栽囼炑芯縖J].新型建筑材料,2008(5)：43-45.MENG QING-LIN,LI N ING,LI XIU-HU I,et al.Experimental study on modification of low quality vitrified m icrospheres[J].New Building Materials,2008(5)：43-45.

[9]曾亮,黃少文,胡欣,等.?；⒅楸厣皾{的性能優(yōu)化[J].南昌大學(xué)學(xué)報：工科版,2008,30(4)：341-344.ZENG LIANG,HUANG SH AO-W EN,HU XIN,et al.Op tim izing p roperties of vitrified m icrosphere insulationmortar[J].Journal of Nanchang University：Engineering&Technology,2008,30(4)：341-344.

[10]SEM IHA YILM AZER,M ESUT B OZDENIZ.The effect of moisture content on sound absorption o f expanded perlite p lates[J].Building and Environment,2005,40,(3)：311-318.

[11]WALDEMAR PICHOR,AGN IESZKA JAN IEC.Thermal stability of expanded perlitemodified bymu llite[J].Ceram ics International,2009 35(1)：527-530.

[12]IBRAH IM TURKMEN,ABDULHAM IT KANTARCL.Effects of expanded perlite aggregate and different curing conditions on the physical and mechanical p roperties of self-compacting concrete[J].Building and Environment,2007,42(6)：2378-2383.

[13]方萍,吳懿,龔光彩.膨脹?；⒅榈娘@微結(jié)構(gòu)及其吸濕性能研究[J].材料導(dǎo)報,2009,23(10)：112-114.FANG PING,WU YI,GONG GUANG-CA I.Study on them icrostructure o f expanded and vitrified small balls and its sorption performance[J].Materials Review,2009,23(10)：112-114.

[14]方正.保溫砂漿的熱濕性能研究[D].長沙：湖南大學(xué),2008.

[15]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50176-93民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社,1993

[16]張玉.建筑多孔材料熱蒸發(fā)量濕氣候風(fēng)洞測試方法[D].廣州：華南理工大學(xué),2005.