小麦秸秆压缩块一维等温吸湿性能研究

2015-05-09宋计勇刘福胜王宏斌武艺鑫赵井辉

新型建筑材料 2015年3期

宋计勇，刘福胜，王宏斌，武艺鑫，赵井辉

（1.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271018；2.哈尔滨理工大学荣成学院，山东威海 264200）

0 前言

多孔介质是指内部含有丰富孔隙的固体材料，是多相物质共存的组合，对其中任一相物质而言，其它相物质都均匀分布在其中，大多建筑材料内部都含有大量的空隙，因此大部分建筑材料属于多孔介质。

因多孔建筑材料内部含有丰富孔隙，湿空气可通过孔隙传递迁移，当室内空气干燥时，室内相对湿度或水蒸气分压力低于室外相对湿度或水蒸气分压力时，室外湿空气可通过孔隙进入室内；当室内潮湿时，室内相对湿度或水蒸气分压力高于室外相对湿度或水蒸气分压力时，室内湿空气通过孔隙排出室外，因此多孔建筑材料具有良好的吸放湿性能，对室内空气湿度具有非常明显的调节作用。

但多孔介质墙体内有低渗材料或防水材料，湿组分在其迁移过程中如果遇到气温较低（低于露点温度）时则冷凝形成液态，在墙体内部驻留。湿组分在多孔建筑材料中的积累将严重降低建筑材料的热工性能，增加建筑能耗，造成石膏类建筑材料变软、粉化，铁或钢材腐蚀，引起围护结构墙皮脱落，减少建筑材料的使用年限；同时，建筑材料湿度过高为霉菌生长提供了便利条件，其直接影响室内空气质量，降低室内空气品质，严重时造成人们霉菌过敏，甚至会引起呼吸道疾病，影响人们的健康，因而生霉是多孔介质材料湿份积累面临的又一个严重问题[1-5]。

山东农业大学开发的小麦秸秆压缩块是由粉碎的小麦秸秆、石膏、水按一定比例混合搅拌均匀，经TCD-JYC型秸秆压缩成型机冷压成型工艺制作而成，是一种典型的多孔建筑材料，前期研究表明，其在保温隔热、耐火、防霉变等方面作用显著[6-11]，但缺乏对其吸放湿性能的研究。随着新型建筑材料的不断涌现，且从目前国内研究成果来看，人们对建筑材料吸湿性能研究还很少，在该方面数据及其缺乏，因此研究多孔建筑材料吸放湿性能具有重要意义。

本文通过物理试验与数值模拟相结合的方法对小麦秸秆压缩块一维等温吸湿性能作了深入探讨，并利用数值模拟方法讨论了相对湿度对小麦秸秆压缩块一维等温吸湿性能的影响。

1 小麦秸秆压缩块一维等温吸湿试验

1.1 原材料

小麦秸秆：来自山东省泰安市泰山区邱家店，经粉碎机粉碎后长度＜10 mm，后经压制形成小麦秸秆压缩块，尺寸为145 mm×125 mm×155 mm。

石膏：常用建筑石膏，主要成分为β型半水石膏，山东省泰安市宏利石膏加工有限公司；细度（0.2mm方孔筛筛余）10%，初凝时间≥6 min，终凝时间≤30 min，抗折强度＞2.5 MPa，抗压强度＞2.9 MPa。

水：自来水。

1.2 主要仪器设备

SM1610B多通道湿度采集仪、SLHT4-3防护型温湿度传感器、台式电脑、JA21002电子天平（精度0.01 g）、TCD-JYC型秸秆压缩成型机、THP-F-225可程式恒温恒湿试验箱、101FAB-2型电热鼓风干燥箱、自称重干燥器等。

1.3 试件制作

将粉碎的小麦秸秆、石膏和水按设计配合比在搅拌机中进行充分搅拌，把搅拌均匀的材料装入TCD-JYC型秸秆压缩成型机，经压缩成型工艺，制作出试验所需的小麦秸秆压缩块试件。将制作的小麦秸秆压缩块试件放入101FAB-2型电热鼓风干燥箱进行烘干处理（52℃），每隔24 h称量试件质量，当连续3次测得试件质量变化小于0.1%时可认为试件已干燥，并及时用防水保鲜膜将已烘干试件的四面密封。

1.4 试验方法

在距一侧未密封面1/3和1/2处分别放置防护型温湿度传感器，将试件置于配有足量氯化钾饱和盐溶液（温度20℃时可保证干燥器内相对湿度为84.3%）的自称重干燥器中，温湿度传感器导线从干燥器顶部小孔引出，并密封自称重干燥器。防护型温湿度传感器通过SM1610B多通道温湿度采集模块与外部电脑连接[12]。试验设备连接见图1。

图1 试验设备连接

开启电脑，运行SM1610B多通道温湿度采集模块配套软件，采集第1次数据，设置采集数据间隔为1 h。

每隔1 h称量试件质量至连续5次称得质量变化小于0.1%时试验结束。

2 小麦秸秆压缩块一维等温吸湿数值模拟

采用由山东农业大学开发的复合多孔介质墙体热湿耦合传递模拟软件（HMCT1.0）对小麦秸秆压缩块一维吸湿性能进行模拟分析，该软件可以对不同室内外环境下的单一多孔介质材料及复合多孔介质墙体进行热湿性能分析。模拟计算时沿材料边长将材料划分成30个单元，模拟分析采用的材料内外环境参数为：外部20℃、相对湿度84.3%；内部52℃、相对湿度0，小麦秸秆压缩块的热湿物性参数[12]见表1。

表1 小麦秸秆压缩块的热湿物性参数

3 数据分析

3.1 试验数据分析

由测试数据绘制相对湿度-时间变化曲线如图2所示。

图2 试件测点相对湿度-时间变化曲线

由图2可见，在小麦秸秆压缩块一维等温吸湿试验中，前20 h试件的相对湿度变化幅度非常大，1/3宽度处测点测得相对湿度接近65%，1/2宽度处测点测得相对湿度接近60%，20 h后试件相对湿度变化幅度减小。这是由于试验初期试件内外相对湿度差大，湿分传递驱动势大、传递速度快，随着内部相对湿度的增大，试件内外相对湿度差减小，湿分传递驱动势减小、传递速度也减小。由于在湿分传递过程中存在湿分阻滞现象，造成1/3宽度处测点比1/2宽度处测点测得的相对湿度略大。

3.2 数值模拟数据分析

由数值模拟得到的数据绘制相对湿度-时间变化曲线，如图3所示。

图3 模拟数据相对湿度-时间变化曲线

由图3可见，在小麦秸秆压缩块一维等温吸湿数值模拟计算中，前20 h试件相对湿度变化幅度非常大，小麦秸秆压缩块1/3宽度处相对湿度接近70%，1/2宽度处相对湿度接近60%，20 h之后小麦秸秆压缩块相对湿度变化幅度减小，造成这种现象的原因与3.1节相同。

3.3 实测数据与数值模拟数据对比分析

由图2、图3对比可知，试验测得小麦秸秆压缩块试件测点相对湿度与采用复合多孔介质墙体热湿耦合模拟软件计算所得相应位置处相对湿度数据吻合较好，对比2种方法数据可知，小麦秸秆压缩块1/3宽度处在第40 h内外相对湿度达到平衡，1/2宽度处在第50 h内外相对湿度达到平衡，通过数值模拟得到相对湿度在前期略大于实测的相对湿度，后期略小于实测的相对湿度。

4 相对湿度对小麦秸秆压缩块一维等温吸湿性能的影响

采用由山东农业大学开发的复合多孔介质墙体热湿耦合传递模拟软件（HMCT1.0）分析外部不同相对湿度对小麦秸秆压缩块一维等温吸湿性能的影响，材料为烘干的小麦秸秆压缩块，初始温度50℃，沿材料边长将材料划分成30个单元。共分5个外部工况，每个工况的温度均为20℃，相对湿度分别为40%、50%、60%、70%、80%。

图4为不同外部工况下小麦秸秆压缩块1/3宽度处相对湿度随时间变化情况。