南方潮濕氣候地區(qū)建筑室內(nèi)生態(tài)調(diào)濕磚開發(fā)研究

□ 駱燕文 曾宇航 胡城旗 倪軼蘭 何 江

1 研究背景

室內(nèi)空氣濕度作為衡量室內(nèi)生活環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要參考值，直接關(guān)系人類身心健康、物件存放、取暖耗能等。在我國南方地區(qū)冬春轉(zhuǎn)換季節(jié)之時(shí)，由于季風(fēng)氣候所帶來的暖流，氣溫會(huì)大起大落，導(dǎo)致室內(nèi)外溫差發(fā)生顯著變化。當(dāng)室內(nèi)物體的溫度小于或等于室外露點(diǎn)溫度時(shí)，水汽就在物體表面凝結(jié)，形成出水現(xiàn)象，使得地板潮濕、墻壁“冒水”，室內(nèi)濕度急劇上升，從而形成了南方人所熟悉的回南天。

為了緩解這種室內(nèi)潮濕問題，居民會(huì)在建筑室內(nèi)采取一定的調(diào)濕技術(shù)與方法。當(dāng)下居住建筑調(diào)濕技術(shù)主要分為兩類：主動(dòng)調(diào)濕與被動(dòng)調(diào)濕。主動(dòng)調(diào)濕技術(shù)一般通過消耗電能來實(shí)現(xiàn)空氣濕度調(diào)節(jié)，耗能大，污染環(huán)境，不符合綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保理念。而被動(dòng)調(diào)濕技術(shù)只是依靠材料自身的結(jié)構(gòu)性能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣濕度調(diào)節(jié)，是一種低碳環(huán)保、生態(tài)節(jié)能的調(diào)濕技術(shù)[1,2]。如今市面上的市場(chǎng)地磚多為表面堅(jiān)硬耐磨但不吸水的陶質(zhì)磚，而具有一定吸濕性的透水磚也因其耐磨度不高不能作為地面磚來使用[3]。基于以上背景可知，開發(fā)應(yīng)用具有良好調(diào)濕功能的調(diào)濕材料對(duì)于提高居住環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)綠色、低碳及可持續(xù)發(fā)展路線具有重要的社會(huì)價(jià)值[4，5]。

2 調(diào)濕磚開發(fā)過程

本研究根據(jù)我國南方地區(qū)空氣溫濕度變化，以市場(chǎng)磚材為研究基礎(chǔ)，結(jié)合各類生態(tài)基材（炭粉、木屑、石墨烯，植物麥稈，等等）進(jìn)行研究，以制備出具有吸濕功能，且其強(qiáng)度和耐磨度均較高的可用于地面磚的復(fù)合型調(diào)濕地磚，進(jìn)一步緩解回南天的潮濕問題。

2.1 原材料

本實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)原料有頁巖、黏土、煤渣、蕎麥殼、木屑和乳膠漆等水性涂料，均可在市場(chǎng)上采購。以市場(chǎng)磚材的基礎(chǔ)原料為主要原料，以價(jià)格低廉的蕎麥殼和木屑作為造孔劑。其中基礎(chǔ)原料頁巖、黏土、煤渣的主要性能如下。

頁巖作為制備調(diào)濕磚的主要原料，結(jié)構(gòu)較為致密，具有較高的可塑性，利用頁巖作為輕集骨架料可制出體輕環(huán)保的建筑材料[6]。

黏土是含沙粒很少且有黏性的土壤，水分不容易從中通過。黏土包括高嶺土、多水高嶺土、顆粒非常小的（<2μm）硅酸鋁鹽等成分，是顆粒非常小的可塑的硅酸鋁鹽。黏土具有可塑性、結(jié)合性、觸變性、收縮性、可燒結(jié)的特性，在制備調(diào)濕磚材的過程中，黏土的加入可以增強(qiáng)調(diào)濕磚坯體的強(qiáng)度，增強(qiáng)材料之間的相互作用力，使調(diào)濕磚易于成型，減輕坯體的碎裂程度。

煤渣是工業(yè)固體廢物的一種，是火力發(fā)電廠、工業(yè)和民用鍋爐及其他設(shè)備燃煤排出的廢渣，同時(shí)它也是一類具有化學(xué)活性的硅鋁質(zhì)材料，含有大量的可燃碳，使燒結(jié)所需溫度適當(dāng)降低，從而減少燒磚過程中的能源消耗。另外，利用其顆粒堆積與黏土黏接來增強(qiáng)調(diào)濕磚的抗壓強(qiáng)度。對(duì)煤渣的利用也是廢物回收再利用，降低了生產(chǎn)成本。

圖1 實(shí)驗(yàn)原料：（A）頁巖，（B）黏土，（C）煤渣，（D）蕎麥殼粉，（E）乳膠漆等水性涂料

2.2 制作過程

先將蕎麥殼/木屑用高速粉碎機(jī)粉碎3分鐘。待高速粉碎機(jī)冷卻后將其粉末倒出，并用濾篩篩2—3次，選出成粉末狀的蕎麥殼/木屑放置于燒杯中。并在26℃恒溫下靜置10min待其完全冷卻。目的是使蕎麥殼粉末/木屑粉末充分分散，便于其后面更好地與其他原料混合。

圖2 生態(tài)調(diào)濕磚制備流程

按照頁巖∶煤渣∶黏土∶蕎麥殼粉/木屑粉=10∶7∶1∶X的原料配比用電子天平稱取相應(yīng)質(zhì)量的頁巖、煤渣、黏土、蕎麥殼粉/木屑粉，將所有原料倒入燒杯中混合均勻。用量筒量取90ml水將其均分為3次加入裝有混合原料的燒杯中并將二者攪拌均勻，每次攪拌至容器內(nèi)無成滴水珠且原料無法繼續(xù)黏接后加入剩下水量，使其最終陳化至整體形成具有較強(qiáng)黏性和塑性的黏泥狀濕土。將黏泥狀濕土放入尺寸為100mm×100mm×20mm的模具中，濕土每放置到模具體積的三分之一時(shí)用表面光滑的壓片以12MPa的壓力將其壓實(shí)。待濕土填滿整個(gè)模具并將其壓至成型后，用坯刀將磚坯表面抹至光滑，形成調(diào)濕磚磚坯。將其放置于通風(fēng)處，在26℃恒溫條件下自然風(fēng)干4—5h。待濕坯風(fēng)干后將其脫模，用小錘子輕敲模具背部，使?jié)衽鲝哪＞咧凶匀幻撀溆谑⒎诺慕饘侔逯小⑵浞湃牒銣馗稍锵溥M(jìn)行干燥處理，溫度為105℃，干燥時(shí)間為3—4h，將磚坯水分控制在0.48%。將干燥好的生態(tài)調(diào)濕生磚靜置1—2h使其冷卻至常溫，然后放入碳硅棒高溫電阻爐中以800—900℃的燒結(jié)溫度烤制4—5h，即可得所需試驗(yàn)調(diào)濕磚。

3 調(diào)濕磚性能測(cè)試

3.1 測(cè)試指標(biāo)

磚材吸濕性能的優(yōu)良程度主要體現(xiàn)在吸水率和濕容量上，孔隙率在一定程度上影響了吸水的速率。為了檢驗(yàn)調(diào)濕磚的質(zhì)量及調(diào)濕性能，需要對(duì)吸水性能及孔隙性能進(jìn)行測(cè)試。吸水性和孔隙率是調(diào)濕磚結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)，例如孔隙率的增加反映了調(diào)濕磚的吸水能力及強(qiáng)度有所下降，這是由于氣孔形成的結(jié)構(gòu)缺陷引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致的。吸水率不僅是孔隙率的表征，更是調(diào)濕磚綜合性能的體現(xiàn)。

調(diào)濕磚的吸水性能可通過其吸水率和濕容量來體現(xiàn)，其測(cè)量方法采用質(zhì)量差值法，即將在調(diào)濕磚吸水過程中，磚體中所增加的水的質(zhì)量放在化學(xué)方程式的右端，利用與對(duì)應(yīng)吸水率的比例關(guān)系，計(jì)算出調(diào)濕磚的吸水率。孔隙率的檢測(cè)主要為容重的測(cè)試。容重為干燥至恒重的質(zhì)量與樣品的總體積之比。

3.2 測(cè)試結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)制備磚材調(diào)濕性能主要受到其內(nèi)部的孔徑結(jié)構(gòu)、大小和分布的影響。所采用的蕎麥殼和木屑都是生態(tài)基材，加入磚材經(jīng)高溫?zé)坪蠖紩?huì)在磚材內(nèi)部形成豐富的微孔，并通過毛細(xì)作用將表面水分快速引入磚材內(nèi)部，提升磚材吸水速率，達(dá)到用磚材調(diào)濕的作用。但由于二者內(nèi)含成分不同，燒制過后形成的磚材內(nèi)部微孔數(shù)量也會(huì)有所差異，故需重點(diǎn)探討蕎麥殼和木屑對(duì)調(diào)濕磚吸水性能的影響。

表1 不同質(zhì)量占比的蕎麥殼與木屑調(diào)濕磚的吸水性能

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，調(diào)濕磚的吸水率隨蕎麥殼和木屑質(zhì)量及體積比的增加而增加。這主要是因?yàn)槭w麥殼含有豐富的多糖、木質(zhì)素、纖維素，這些成分含有大量的酚羥基、羧基、羥基等官能團(tuán)，制磚的煤渣、頁巖、黏土里含有重金屬離子，可以與這些官能團(tuán)發(fā)生相互作用并被吸附，使燒制后磚材內(nèi)部原先被蕎麥殼粉末占據(jù)的空間形成微小孔洞，整體磚材內(nèi)部構(gòu)成致密且相互貫通的豐富多孔結(jié)構(gòu)，這些微孔結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的蓄濕能力。隨著蕎麥殼含量的增加，燒制出的磚材內(nèi)部的微孔數(shù)量也會(huì)增加，從而能夠吸收更多的水分，提高了磚材的吸水率，使磚體具有吸濕吸潮性能。而木屑因其成分為植物纖維，具有細(xì)膩、質(zhì)輕、多孔、透氣等物性。將其混入原料中高溫?zé)Y(jié)后碳化揮發(fā)，使磚材內(nèi)部形成較多微孔，提升磚體吸水能力[7]。

表2 不同體積占比的蕎麥殼與木屑調(diào)濕磚的吸水性能

通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，每一組相同質(zhì)量和體積比的蕎麥殼調(diào)濕磚的吸水率都比木屑的吸水率好。隨著蕎麥殼質(zhì)量和體積比的增加，調(diào)濕磚的吸水率和孔隙率呈正相關(guān)。基于以上實(shí)驗(yàn)，本研究選擇蕎麥殼作為生態(tài)基材加入調(diào)濕磚的制備，其調(diào)濕性能得到明顯改善，故本研究選取蕎麥殼作為本項(xiàng)目的生態(tài)基材原料。但因蕎麥殼本身質(zhì)地較軟，在制作過程中要同時(shí)兼顧磚材的耐磨性，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定加入體積比為25%的蕎麥殼制作出來的調(diào)濕磚其調(diào)濕性能和耐磨性效果最佳。

基于以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本研究采用圖2的制作步驟對(duì)調(diào)濕磚進(jìn)行了制作，制作好的生態(tài)調(diào)濕磚如圖3所示。

圖3 生態(tài)調(diào)濕磚成品

4 總結(jié)

本研究的生態(tài)基材的主原材料為蕎麥殼粉，蕎麥殼粉經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后揮發(fā)，磚材內(nèi)部原先被蕎麥殼粉末占據(jù)的空間會(huì)形成微小孔洞，整體磚材內(nèi)部形成致密且相互貫通的多孔結(jié)構(gòu)，使磚體具有吸濕吸潮的性能。另一方面也實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品廢物的再利用，且蕎麥殼價(jià)格低廉，有利于降低生產(chǎn)成本。本文通過研究一種新型的、成本低廉的、調(diào)濕性能及耐磨性能較好的地面磚材，利用生態(tài)建材將室內(nèi)濕度的變化控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，從而緩解南方回南天氣下，室內(nèi)濕度較高、地面濕滑的問題。這對(duì)于人們的居住環(huán)境改善、生活質(zhì)量提高、物品的保存和防護(hù)起到十分重要的作用。