玻化微珠保温砂浆的吸放湿及导热性能

任 鹏,李秀辉,孟庆林

(华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室建筑节能研究中心,广州510640)

玻化微珠是珍珠岩经膨胀急冷形成的表面玻璃化闭孔的珠状微小颗粒,属于膨胀珍珠岩改进系列材料,以其为骨料配制的保温砂浆是一种新型无机保温材料,因具有保温隔热、防火、耐老化性能在国际上受到广泛关注[1-2]。国外较早开展了以膨胀珍珠岩为主要填料对建材制品改性的研究工作,目的是为了提高制品的保温性能[3-5]。近年来中国学者主要针对玻化微珠保温砂浆配制成型技术和外加剂适应性开展了相关研究[6-7],同时对玻化微珠及其保温砂浆制品采用憎水法进行优化,提高了干燥状态下保温砂浆的性能[8-9]。

尽管改性的玻化微珠保温砂浆相比传统膨胀珍珠岩吸水率大幅降低,但其自然吸湿依然是不可忽视的问题。目前针对珍珠岩类制品受潮的吸放湿特性、热工及物理性能等相关研究报道较少[10-12],因材料集配和气候类型的不同,已发表的相关研究结论也并不能完全适用于玻化微珠保温砂浆和中国的气候类型。中国针对玻化微珠受潮和玻化微珠保温砂浆受潮问题的研究才刚刚开始,尚未形成系统的研究结论[13-14],以至于中国现行民用建筑热工设计规范无法给出因受潮进行修正的依据[15],导致实际设计中此类保温材料的导热系数取值混乱,严重影响了建筑节能设计质量。

该文在中国南方湿热气候条件下对玻化微珠保温砂浆进行了自然态吸放湿实验、质量平衡含湿率实验,测定其湿平衡态下的导热系数,进而提出湿热地区的玻化微珠保温砂浆导热系数修正系数。

1 玻化微珠保温砂浆的自然状态吸放湿试验

1.1 试验仪器及方法

试验采用2007年下半年制成的玻化微珠保温砂浆试块,尺寸为300 mm×300mm×30mm,如图1所示。测试所采用的仪器包括HOBO温湿度自记议、202A-2S型数显电热恒温干燥箱和电子天平,仪器及其设置参数如表1。测试时间为2008年4月13-24日。

图1 玻化微珠保温砂浆试块

表1 吸放湿性能测量参数及仪器

试块干燥至恒重的质量记为m0,将试块置于室内自然环境下,每24 h记录试块质量m,连续记录10 d,得到试块质量含湿率随时间变化的关系曲线如图2。由HOBO温、湿度自记仪测定的室内温、湿度变化见图3。

图2 测试期间试块质量含湿率变化曲线

1.2 试验结果与分析

测试期间的温度基本在26℃上下波动,波动幅度小于2℃,可以视为温度基本恒定。图3表明,在该温度条件下,试块吸湿量与室内相对湿度变化趋势一致,即当环境的相对湿度升高时,试块吸收空气中的水分,并且随着相对湿度的提高质量含湿率也不断增大;相反,当空气相对湿度下降时,试块能释放一部分的水分,使质量含湿率降低。

图3 测试期间环境空气温度、湿度变化曲线

2 质量平衡含湿率试验

根据上面自然状态吸放湿试验结论,试块的吸放湿受环境变化波动的影响。为进一步观察环境湿度波动对玻化微珠保温砂浆含水率变化的影响,更精确了解玻化微珠保温砂浆的吸放湿性能,为测定试件受潮后导热系数提供更充分依据,质量平衡含湿率试验应用风洞实验台构建稳定的温湿度环境进行吸放湿性能的测定,取得其在某特定温度,不同湿度条件下的质量平衡含湿率,观察分析试件吸湿放湿过程。

2.1 试验装置和仪器

实验在华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室经国家计量认证(CMA)的热湿气候风洞实验台(2008002969K)完成。实验台试块测试槽及精密电子天平如图4所示,环境控制参数见表2。考虑到风速对实验材料吸放湿效果影响较大,并尽可能使风洞内热环境接近实际,根据《采暖通风与空气调节设计规范》(GBJ 50019-2003),对应南方城市室外夏季平均风速,构建了风洞的逐时刻风速分布如图5所示。

图4 吸放湿测量槽及精密电子天平

表2 风洞实验台各环境参数模拟范围及控制精度

图5 热湿气候风洞内逐时刻风速值[16]

2.2 试验方法及内容

根据规范要求并结合风洞实验台的模拟范围,测试构建的温、湿度条件是：温度恒定为25℃,分别测定试块在相对湿度为 45%、55%、65%、75%、85%的环境下试块的质量平衡含湿率。试块质量通过精度为0.01 g的电子天平系统自动记录,当试块的质量每间隔24 h的连续3次测量结果的变化小于总质量的0.1%,即认为达到了恒重状态。

根据风洞实验台测试试件的要求,将玻化微珠保温砂浆制成尺寸为100mm×100mm×50mm的标准试块,按《建筑材料及制品的湿热性能 吸湿性能的测定》(GB/T 20312-2006/ISO 12571：2000)的测定步骤,在干燥温度为105±1℃的干燥箱内干燥达到恒重后,置于风洞实验槽中,从相对湿度为45%开始逐级增加湿度,分别测定每个湿度环境下材料达到湿平衡时的质量m,求出平衡含湿量。每一级相对湿度达到平衡的时间为7～10 d。表3为25℃,不同相对湿度吸湿过程的含湿量。

表3 25℃不同相对湿度吸湿过程质量含湿率

当试块在相对湿度为85%达到湿平衡后,开始逐级降低湿度,分别测定每个湿度环境下材料达到湿平衡时的质量m,求出放湿过程的平衡含湿量。表4为25℃,不同相对湿度放湿过程的含湿量。

表4 25℃不同相对湿度放湿过程质量含湿率

2.3 实验结果与分析

从2008年6月12日-9月16日,经过3个多月的测试,测试了试块的等温吸放湿过程,求出每个湿度条件下的平衡含湿率μ,得到试件在25℃时的吸放湿曲线,如图6。可以看出,试块的等温吸放湿过程并非完全可逆过程。测量范围内平衡放湿曲线斜率明显小于吸湿曲线,说明随着空气相对湿度下降,试块内部所含水分在短时间内并不能完全排出。南方地区潮湿多雨气候条件,相对湿度多在60%～90%之间,致使玻化微珠保温砂浆频繁受潮,其中水分并无足够时间排出,因此玻化微珠保温砂浆内湿度变化曲线应更接近于平衡放湿曲线,始终保持在较高水平,十分有必要进行玻化微珠保温砂浆受潮后导热系数的变化。

图6 玻化微珠保温砂浆等温吸放湿曲线

3 导热系数试验

3.1 试验方法

试验选取7块2007年制成的玻化微珠保温砂浆试块先后测定其湿平衡和烘干状态下的导热系数,模拟玻化微珠保温砂浆做为外墙内保温系统受潮情况下与绝干状态下导热系数差别。测试之前,试块保存于样品间内长达1 a之久(样品间内温度湿度与普通无空调房间类似,主要随室外温湿度影响),可认为内部含水率与环境温湿度已经达到平衡状态。

试验时间为2009年4月6日-4月23日。测试仪器为中国建筑科学研究院研制的TPMBE-300平板导热仪,热板设定温度为35.0℃,冷板设定温度为15.0℃,平均温度25.0℃。每次导热系数测试前后均测量试块质量,以免试验过程中试块含水率变化对试验结果造成不可忽略影响。试验期间样品间室内温度20～30℃,空气相对湿度在60%～90%之间。测定室测试湿平衡试件导热系数时,只开启空调控制温湿度,环境温度20～22℃,空气相对湿度45%～55%;测试烘干后试件导热系数时,开启空调和除湿机,环境温度20～22℃,空气相对湿度30%～40%。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 测试过程中试块质量变化

湿平衡状态下,试块测量过程中质量变化率均小于0.2%,其变化对于试块热系数的影响已经远小于导热系数测定仪的精度。另外,导热系数测定室内采用空调控温,其环境温湿度均小于样品间,因此测量过程中试块质量均为负变化。

根据《无机硬质绝热制品试验方法-密度、含水率及吸水率》GB/T 5486.3-2001,试块应在105±5℃温度烘干下,每隔3 h对试块进行称重,质量变化率小于0.2%认为达到绝干状态。试块烘干后,整个测试过程总质量变化率只有试块3和试块6超过0.2%。

3.2.2 导热系数及质量平衡含湿量测试结果

含湿与烘干状态的导热系数测试结果如表5。

表5 含湿与烘干状态的导热系数测试结果

测试结果表明：

1)试块烘干状态下导热系数为0.068～0.085 W/(m◦K),均符合GB/T 20473-2006对“硬化后的物理力学性能”Ⅱ型规定。湿平衡状态下导热系数在0.074～0.094W/(m◦K)之间,导热系数增大4.11%～10.61%,平均增大7.82%。

2)试块干密度在340.1～439.0 kg/m3,大部分满足GB/T 20473-2006《硬化后的物理力学性能》Ⅱ型干密度小于400 kg/m3的要求。湿平衡状态下试件密度在369.8～458.5 kg/m3,质量平衡含水率在2.84%～4.49%之间,平均值为3.55%,如图7所示。

3)测试结果验证了玻化微珠保温砂浆密度越小导热系数越小这一基本趋势,并且在湿平衡状态下试件导热系数随密度增长趋势与烘干状态下一致,如图8。

4)试块受潮后导热系数修正系数在1.04～1.11之间,平均值为1.08。因实际工程中存在若干施工允许误差和质量允许偏差,诸如保温砂浆干粉料的质量偏差、现场拌合和施工成型的误差等,均会导致保温砂浆的保温性能出现偏差,为适当保守起见,该修正系数取为1.10为宜。

图7 湿平衡质量含水率图

图8 导热系数与密度关系图

4 结论

通过测试在室内自然条件下存放的建筑玻化微珠保温砂浆试块的自然态吸放湿曲线、风洞试验台测得的质量平衡含湿率以及在实验室标准工况下测得的湿平衡状态及绝干状态下导热系数,得出结论如下：

1)玻化微珠保温砂浆吸放湿过程短时间内并非完全可逆过程;测量范围内平衡放湿曲线斜率明显小于吸湿曲线,表明随着空气相对湿度下降,砂浆内部所含水分在短时间内并不能完全排出。

2)玻化微珠保温砂浆在相同温湿度环境下存在平衡含湿量,且平衡含湿量随环境温湿度同向变化;测试分析结果表明,在南方地区潮湿气候条件下玻化微珠保温砂浆质量平衡含湿率约为3.55%。

3)满足现行标准要求的玻化微珠保温砂浆烘干状态下导热系数为0.068～0.085W/(m◦K),湿平衡状态下导热系数在0.074～0.094W/(m◦K)之间,导热系数增大 4.11%～10.61%,平均增大7.82%。湿平衡状态下玻化微珠保温砂浆导热系数修正系数为 1.08,工程设计该修正系数取 1.10为宜。

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