含濕量對混凝土導熱系數的影響分析

王瑩瑩， 馬 超， 劉艷峰， 王登甲， 劉加平

(1.西安建筑科技大學 環境與市政工程學院， 陜西 西安 710055； 2.中建科技集團有限公司， 北京 100070)

混凝土是典型的多孔材料，在建筑結構中應用廣泛.導熱系數是表示多孔材料傳熱性能的最重要參數之一.多孔材料含濕后其導熱系數會發生改變這一特點已為學界公認[1-3].因此，掌握含濕混凝土導熱系數是準確計算混凝土建筑圍護結構傳熱傳質性能和能耗的前提.但目前無論在冷熱負荷計算軟件還是相關規范規定的計算方法中，建筑對象一旦確定，往往近似認為圍護結構材料物性恒定，忽略其中濕分變化對材料熱工參數的影響，從而造成計算誤差[4-5].因此，若對含濕混凝土導熱系數進行修正，需要研究各種常見混凝土含濕量與導熱系數的定量變化關系.

事實上，多孔材料導熱系數是通過將材料中多種傳熱作用折合為導熱問題而得到的有效導熱系數.因此，含濕材料導熱系數與材料含濕量及內部結構有密切關系[6].王補宣等[7]通過實測分析了含濕量和濕遷移對建筑材料導熱系數的影響，給出了考慮濕遷移當量導熱系數的半經驗公式.Shin等[8]和Suchorab等[9]分別通過試驗分析了含濕量對普通混凝土和加氣混凝土導熱系數的影響，并采用線性擬合描述材料導熱系數與含濕量的定量關系，但在他們的研究中，含濕量變化范圍相對較小，很難準確反映變化范圍較大的含濕量對材料導熱系數的影響.Jerman等[10]通過試驗分析了含濕量對幾種常見保溫材料導熱系數的影響，并利用二次函數來擬合EPS和輕質混凝土導熱系數與含濕量的關系.Taoukil等[11]通過試驗分析了含濕量對木屑-混凝土導熱系數的影響，發現在高含濕量范圍內，導熱系數增加較快，并利用指數函數描述了木屑-混凝土導熱系數與體積含濕量之間的關系.

對于混凝土導熱系數與含濕量的定量變化關系，當前研究較少分析孔隙結構對含濕材料導熱系數的影響，且缺少統一且行之有效的定量描述.材料內部孔隙結構，尤其是孔徑分布和孔隙率對材料導熱系數具有重要影響[12].本文選擇不同孔隙結構的常見混凝土作為研究對象，利用掃描電子顯微鏡和壓汞儀對混凝土孔徑分布和孔隙率進行分析；利用平板導熱儀測試分析含濕量對混凝土導熱系數的影響，進而給出混凝土導熱系數與含濕量的定量關系，以期為混凝土建筑圍護結構傳熱傳濕的準確計算提供基礎.

1 試驗

1.1 試驗材料

為掌握混凝土導熱系數和含濕量的定量關系，考慮到孔隙結構對材料導熱系數的影響，選擇常見不同孔隙率和孔徑分布的普通混凝土、加氣混凝土及泡沫混凝土作為研究對象.同時，為了對比不同孔隙率對含濕材料導熱系數的影響，3種混凝土分別選擇2種孔隙率(用A，B表示).試件尺寸根據試驗儀器要求，長、寬、厚分別為300，300和30mm.

1.2 試驗儀器

采用中國建筑科學研究院研發的TPMBE-300平板導熱儀測試含濕混凝土的導熱系數，平板導熱儀的測量范圍為0.02～1.60W/(m·K)，精度為±3%，采用穩態法測試[13]；加氣混凝土和泡沫混凝土因孔隙尺寸較大，其孔徑采用JSM-6510LV掃描電鏡(SEM)觀測，掃描電鏡分辨率為4nm，放大倍數為5～3×105；普通混凝土孔徑采用PoreMaster GT60壓汞儀(MIP)測試，其測量范圍為3×10-3～1.08×103μm，精度為±0.11%.

1.3 試驗過程

利用掃描電鏡對加氣混凝土和泡沫混凝土試樣進行掃描獲得其SEM圖片，并利用圖像分析軟件對SEM圖片進行黑白二元處理，得到混凝土的面積孔隙率和孔隙面積孔徑分布，來近似替代材料孔隙率和孔徑分布[14].普通混凝土孔隙率和孔徑分布可通過壓汞儀直接測得.

含濕混凝土試件導熱系數測試時間相對較長，試件兩個表面存在溫差，會引起水分的遷移和重新分布.為了防止試驗過程中含濕試件中的水分向空氣中擴散，采用不透水塑料薄膜包裹試件.平板導熱儀熱板和冷板溫度分別設定為35℃和15℃，忽略冷熱板和試件兩側表面溫差時，試件平均溫度約為25℃.含濕混凝土導熱系數取3次測試的平均值.其測試過程主要為：

(1)將加工好的試件置于烘箱中，在150℃左右的工作溫度下烘烤，直至試件質量基本不變.將干燥試件置于密封塑料袋中冷卻至常溫，利用平板導熱儀分別測試包裹和不包裹塑料薄膜干燥試件的導熱系數，同時計算由于包裹塑料薄膜引起的附加熱阻.

(2)將干燥試件置于水中浸泡48h，之后每隔24h 取出試件稱重，當前后兩次含濕試件質量之差小于后次測試質量的0.5%左右時，試件浸水過程結束.

(3)利用平板導熱儀測試包裹塑料薄膜含濕試件的導熱系數.根據不同混凝土試件浸泡后含水量的不同，將浸泡后試件置于烘箱中分別烘至不同含水狀態，使每種混凝土試件具有10個以上含水狀態點，且相鄰狀態點對應含濕量相差不大，測定不同含濕量下各試件的導熱系數.

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土孔徑分布和孔隙率

3種混凝土試件的孔徑(D)分布和孔隙率分別見圖1和表1.由圖1可知：普通混凝土內部孔徑非常小，主要分布在0.01～10.00μm范圍內，其大部分孔隙為微觀孔；加氣混凝土和泡沫混凝土內部孔隙主要為宏觀孔，尤其是泡沫混凝土孔徑較大，主要分布在1000～10000μm范圍內.

2.2 混凝土導熱系數隨含濕量的變化

使用平板導熱儀測試時，采用不透水塑料薄膜包裹試件可避免其中的水分向空氣中遷移，但仍會引起試件中水分的重新分布.試件中水分的分布很難確定，且試件較薄，因此忽略試件水分分布不均勻對導熱系數的影響.

圖1 混凝土孔徑分布Fig.1 Pore size distribution of concretes

ItemNormal concreteAerated concreteFoam concreteABABABDensity/(kg·m-3)2179.242115.16728.48597.75220.78196.79Porosity0.13360.16090.50750.58100.71240.7739

建筑材料內部的濕組分主要以水蒸氣和液態水的形式存在.根據擴散、毛細吸附、蒸發-凝結3種過程機理，濕組分的存在形式不同，對材料導熱系數的影響亦會發生變化，并且在不同含濕量范圍內材料導熱系數變化幅度也不同.

圖2表示了混凝土體積含濕量對含濕混凝土導熱系數(λm)與干燥混凝土導熱系數(λd)之比的影響.由圖2可知，含濕混凝土導熱系數隨著體積含濕量的增大而增大，且混凝土類型不同，其導熱系數增加幅度不同.在低含濕量情況下，材料內部的濕組分主要以水蒸氣分子和毛細吸附形式附著在固體骨架表面，水蒸氣擴散受材料固體骨架壁面吸濕的牽制較少，主要取決于含濕量的多少[7]，吸附水分導熱作用較強，有利于水分與骨架之間傳熱，因此導致混凝土導熱系數隨含濕量的增加而迅速增大.當體積含濕量從0%增至10%時，泡沫混凝土和加氣混凝土的導熱系數可分別增加200%和100%左右，而普通混凝土僅增加了15%左右.主要原因是泡沫混凝土和加氣混凝土孔隙率較大，當混凝土內部大量高導熱系數的水蒸氣替代了導熱系數較小的空氣時，對混凝土的傳熱有明顯增加作用；而普通混凝土孔隙率較小，其孔隙主要為微觀孔，固體骨架對吸附水作用力較強，因此含濕量對普通混凝土的導熱系數影響相對較小.由此可見，混凝土孔隙率越大，含濕量對其導熱系數影響越明顯.

圖2 體積含濕量對混凝土導熱系數的影響Fig.2 Influence of volumetric moisture content on thermal conductivity of concretes

在高含濕量情況下，混凝土導熱系數隨含濕量增加而增加的幅度變小，且混凝土孔隙率和孔徑越大時，此變化趨勢越明顯.原因是含濕量增加到一定程度后，混凝土內部會逐漸出現凝結水，這些凝結水在骨架之間連接成液橋，增強了液橋兩側骨料之間的傳熱[15]，且固體骨架壁面尚未處于濕飽和狀態，導致壁面的吸濕效應顯著，材料導熱系數隨含濕量增加的速度減緩.隨著含濕量的進一步增加，液態水毛細回流增強，將導致材料導熱系數的增幅更小.如體積含濕量從10%增至30%時，A,B兩種孔隙率的泡沫混凝土導熱系數分別增加了70%和40%左右；A,B兩種孔隙率的加氣混凝土導熱系數分別增加了38%和55%左右.加氣混凝土和泡沫混凝土內部骨架之間孔隙率和孔徑較大，其內部主要為宏觀孔，骨架連接處固體材料占比較小，液橋的影響作用較為明顯.當含濕量進一步增加時，材料內部微小孔隙飽和，較大孔隙的壁面濕潤(液態水與水蒸氣混合占據混凝土內部孔隙)，骨架、液體和氣體之間存在一定傳熱熱阻，并且液態水毛細回流已增強到使總濕遷移熱效應減弱到忽略不計的程度，從而使水分增加傳熱的作用減弱.

2.3 含濕量與混凝土導熱系數的定量關系

經驗公式(1)常用于表示含濕建筑材料導熱系數和質量含濕量的定量關系[8-9]：

λm=λd+a0u

(1)

式中：λm為含濕材料導熱系數，W/(m·K)；λd為干燥材料導熱系數，W/(m·K)；u為材料質量含濕量，kg/kg；a0為經驗常數，W/(m·K).

根據本文試驗結果和文獻[10,16]，混凝土導熱系數與質量含濕量近似成冪函數關系.一般情況下，建筑材料內含濕量變化較小，可采用式(1)計算含濕材料導熱系數.當含濕量變化較大時(如新建建筑)，采用線性擬合關系式計算含濕材料導熱系數會出現較大誤差，此時需對式(1)進行修正.根據試驗結果，采用式(2)對含濕混凝土導熱系數和質量含濕量進行擬合分析，結果見圖3，圖中縱坐標均采用含濕混凝土導熱系數與干燥混凝土導熱系數之差(λs).

λm=λd+aub

(2)

式中：a為擬合常數，W/(m·K)；b為擬合指數.

圖3 含濕量對3種混凝土導熱系數的影響Fig.3 Influence of moisture content on thermal conductivity of three types of concretes

根據式(2)對含濕混凝土導熱系數與質量含濕量進行擬合分析，得到擬合常數和擬合指數如表2所示.由表2可知，式(2)中的指數b主要在0.6～0.8范圍內，擬合常數a隨著孔隙率的增大而減小，且相關系數較高.若采用式(1)對含濕混凝土導熱系數與質量含濕量進行擬合，則相應的相關系數R2分別為0.952，0.911，0.965，0.980，0.914和0.940，其擬合相關性均低于冪函數擬合結果.可見采用冪函數來擬合含濕混凝土導熱系數和質量含濕量，可更準確地反映兩者之間的定量關系.

表2 含濕混凝土導熱系數計算式中的擬合值

3 結論

(1)含濕混凝土導熱系數隨含濕量的增大而增大.混凝土孔隙率越大，含濕量對其導熱系數影響越明顯，體積含濕量從0%增至10%時，泡沫混凝土和加氣混凝土的導熱系數可分別增加200%和100%左右，而普通混凝土僅增加了15%左右.

(2)在低含濕量范圍內，混凝土導熱系數隨含濕量增加而增加的幅度較大；在高含濕量范圍，混凝土導熱系數增加幅度變小，且混凝土孔隙率和孔徑越大時，此變化趨勢越明顯.如孔隙率為0.7124的泡沫混凝土，當體積含濕量從0%增加到10%時其導熱系數增加了200%左右，而體積含濕量從10%增加到30%時其導熱系數增加了70%左右.

(3)混凝土導熱系數與質量含濕量近似成冪函數關系，同時給出了混凝土導熱系數與質量含濕量的定量關系.