寒区工程保温材料等温吸湿性能实验研究

2022-04-12谷勇海

中国农村水利水电 2022年4期

谷勇海，张顶，明锋

（1.青海省湟源公路工程建设有限公司，西宁810000；2.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，兰州730000）

0 引言

随着“碳达峰、碳中和”重大战略决策的提出，我国在能量利用方面将出台一系列的标准、政策来达到节能减排的目的。根据行业标准《外墙外保温工程技术标准》（JGJ 144-2019）的要求，建筑物表层普遍采用保温材料来设置保温层［1］。此外，保温材料也广泛用于寒区的隧道、渠道、路基等工程中，以减少气温变化引起的土体冻胀和融沉［2］。然而，材料的保温性能是决定节能效果的关键，而保温性能则取决于材料自身的导热系数［3］。

已有研究表明，湿度是影响保温材料导热系数的关键因素［4］。受水汽扩散的影响，水分将逐步进入保温材料内部，填充其孔隙，导致干燥状态下的导热体系被破坏，使得水分参与到保温材料的导热过程。随着时间的增加，保温材料内部含水率逐步增加，并趋于一个恒定值。然而，因保温材料的材质、生产工艺及服役环境的差异，不同保温材料的平衡含水率是不同的，即环境湿度对不同保温材料的导热性能的影响程度是有所差异的［6］。鉴于液态水导热系数［0.599 W/（m·K）］是空气导热系数［0.025 9 W/（m·K）］的20 多倍，相对于保温材料本身，进入孔隙内的水分发挥了“热桥”的作用，增大了保温材料的导热系数，这显然是不利于建筑节能［5］。因此，需要明确保温材料在不同条件下的吸湿性，完成对保温材料导热系数的修正，进而提供合理的保温层设计。

等温吸湿曲线是依据材料在同一温度、不同相对湿度下的平衡含水率绘制而成，能够反映材料吸湿能力的强弱。由于材料微孔结构的传热与传质耦合达到平衡状态的实际过程很复杂，难以建立精确模型进行模拟分析，目前大多采用实验方法进行研究。目前，已有学者对水泥砂浆［7］、混凝土［8］、水泥改性土［9］、青砖［10］、松木［11］等材料的等温吸湿特性进行了研究。不仅通过试验获取了材料的等温吸湿曲线，而且给出了材料平衡含水率随相对湿度变化的拟合公式。结果表明不同材料的吸湿性能受相对湿度变化的影响最大，温度次之。此外，对于材质致密，水蒸气渗透系数较小的材料，其吸湿性能相对较差。

近年来，随着寒区资源的大力开发，保温隔热技术被广泛应用于寒区工程建设。常用的保温材料有：挤塑聚苯乙烯板XPS，聚氨酯硬质泡沫板PU 和福利凯保温板FLK。从查阅的文献来看，关于这几种保温材料的吸湿性能研究还很少。然而，等温吸湿曲线是研究保温材料导热系数变化的基础。因此，本文主要研究上述3 种保温材料的等温吸湿特性，并验证现有吸湿模型的适用性。研究成果可为修正保温材料导热系数提供理论基础，从而提供更准确的热学计算结果。

1 试验设计

1.1 试验原理

参考热量、质量的传递原理，可将保温材料内部水蒸气一维扩散规律表示为：

式中：k为水蒸气渗透系数；P为水蒸气压力；ρ为水蒸气密度；w为平衡含水率；ϕ为相对湿度；t为时间。

1.2 试样制备

本文选取寒区工程及建筑保温领域中常用的3种保温材料为试验对象：挤塑聚苯乙烯板XPS，聚氨酯硬质泡沫板PU 和福利凯保温板FLK。材料具体参数见表1。

表1 保温材料基本物理参数Tab.1 Basic physical parameters of thermal insulation materials

已有研究表明，当试样尺寸远大于分子直径时，等温吸湿与试样尺寸无关。考虑到保温材料的水蒸气扩散系数较小，应将试样尺寸尽量做小使其尽快达到吸湿平衡。然而，考虑试验操作的方便性以及天平精度的影响，实验样品尺寸均为100±2 mm×100±2 mm×50±2 mm。去除残留在试样上的粉末，并对达到尺寸要求的样品进行编号。

1.3 试验步骤

将编号试样在50 ℃条件下进行烘干，待样品冷却至常温后，采用保鲜膜将烘干试样的五面进行包裹，留底面进行吸湿，形成一维吸湿条件。然后，将包裹好的试样放入可控制温度（温度范围-20～60 ℃，精度±0.5 ℃）和湿度（湿度范围5%～100%RH，精度±2%RH）的模型箱中进行吸湿试验。最后，采用精度0.01 g的电子天平，每2～3 d测量并记录试样质量。当试样前后两次质量变化率小于0.5%时，认为试样达到平衡状态。改变模型箱的湿度（15%RH，30%RH，45%RH，60%RH，75%RH和90%RH），重复以上步骤，即可得到试样在不同湿度下的平衡含水率。平衡含水率可由下式获取：

式中：m0为材料在干燥状态下的质量；m为材料在吸湿平衡状态下的质量。

1.4 等温吸湿模型

尽管可以通过室内实验获取等温吸湿曲线，但受测试仪器精度要求高、测试时间长的影响，导致采用实验手段获取等温吸湿曲线的难度较大。为此，基于实验结果，研究者们提出了诸多吸湿平衡预测模型。常用的吸湿平衡模型及表达式见表2，其中a、b、c和d表示各模型中的拟合常数。

表2 等温吸湿模型Tab.2 Isothermal hygroscopic models

2 试验结果

2.1 吸湿曲线变化

图1 为3 种保温材料在相对湿度分别为30%RH、60%RH和90%RH条件下的含水率随时间变化曲线。3 种保温材料的含水率均随着时间的增长而逐渐增大，说明均具有一定的吸湿性。整体上看，保温材料吸湿过程大体可以分为3个阶段：快速吸湿阶段、缓慢吸湿和趋于饱和阶段。对同一种保温材料而言，相对湿度较高，吸湿稳定后的含水率也较大，达到平衡含水率的时间也越长。以挤塑聚苯乙烯板为例，在相对湿度为30%RH时，6 d 即可达到吸湿平衡状态，此时含水率为0.355%；而当相对湿度为90%RH时，则需要12 d 才能达到平衡状态，此时含水率为1.713%。这是因为材料所处环境的相对湿度越大，保温材料接触和吸收水分子的几率就越大。当水分子由保温材料表层向内部转移时，将引起材料含水率的增大。因此，在相同吸湿时间内，处于较大相对湿度下的样品具有较大的含水率。

尽管不同保温材料的吸湿时间曲线存在相似变化，但也存在明显区别。由图1可知，相同相对湿度条件下，无论是达到吸湿平衡所需的时间还是平衡时的含水率，均是福利凯保温板最大、聚氨酯硬质泡沫板次之、挤塑聚苯乙烯板最小。在相对湿度为90%RH的条件下，挤塑聚苯乙烯板试样在12 d 内可达到吸湿平衡，此时含水率为1.713%；聚氨酯硬质泡沫板需要18 d 才能达到吸湿平衡，此时含水率为4.564%；福利凯保温板在吸湿33 d 后达到吸湿平衡状态，此时含水率达到9.862%。在3 种保温材料中，挤塑聚苯乙烯试样的吸湿率最低。因此，在选择保温材料时，需要考虑服役环境的湿度状态，应避免因材料吸湿导致导热系数增大，进而失去保温隔热的作用。

图1 不同湿度下的保温材料吸湿时间曲线Fig.1 Hygroscopic process for different thermal insulation materials

2.2 平衡含水率变化

根据等温吸湿实验结果，可绘制不同保温材料的等温吸湿曲线（图2）。在相对湿度为0%～90%RH的范围内，3种保温材料的吸湿量变化区间在17.13～96.85 g/kg。从图2 中可以看出，3种保温材料的等温吸湿曲线具有相似的发展规律：平衡含水率均随着相对湿度的增大而增大，但曲线形态却有所不同。挤塑聚苯乙烯板和聚氨酯硬质泡沫板呈现抛物线，与IUPAC 分类中的III型等温吸湿曲线相吻合；而福利凯保温板的等温吸湿曲线表现为反向S 型，具有IUPAC（国际理论与应用化学联合会）分类中的Ⅱ型等温吸湿曲线的特征。

从图2 中可以看出，福利凯保温板在相对湿度小于30%RH时，平衡含水率增加较为迅速。当相对湿度介于（30%～75%）RH时，其增速相对缓慢。当相对湿度超过75%RH后，平衡含水率迅速大幅增加。在较低相对湿度时，以单层吸湿为主。当相对湿度和平衡含水率增大，单层吸湿达到饱和时，逐步形成多层吸附，此时平衡含水率将缓慢增加。当相对湿度超过75%RH时，多层吸附结束，毛细吸附开始，造成含水率急剧增大。由图2 可知，挤塑聚苯乙烯板和聚氨酯硬质泡沫在相对湿度低于75%RH时，平衡含水率增加比较缓慢，相对湿度超过75%RH后，曲线斜率明显增大，平衡含水率显著增大。这是因为当水分子之间的作用力大于聚氨酯保温材料颗粒与水分子之间的作用力时，会使得单层吸附还未达到饱和时就形成多层吸附，导致吸湿性显著增强。在相对湿度达到75%RH后（或当其含水率达到一定程度时），在其内部会形成诸多吸水的毛细管，也将出现毛细吸附现象，从而导致平衡含水率的急剧增大。

图2 不同材料的等温吸湿曲线Fig.2 Hygroscopic curves of three thermal insulation materials

3 模型适用性评价

分别采用表2 中的7 个模型，对实验所得数据进行非线性拟合处理。利用Matlab 软件的拟合功能，求得各模型中的常数a、b、c和d，并利用均方根误差RMSE对模型适用性进行评价。表3～5 给出了3 种保温材料的等温吸湿曲线的统计学参数与模型参数。

表3 挤塑聚苯乙烯板等温吸湿曲线统计学参数与模型参数Tab.3 Model parameters and statistical parameter of XPS

依据表3所示的统计学参数和模型参数，分析发现不同预测模型对挤塑聚苯乙烯板等温吸湿曲线的拟合效果依次为GAB＞Peleg＞Oswin＞Hendenson＞Smith＞Halsey＞Modified BET 模型，说明在相对湿度（15%～90%）RH范围内，Peleg模型和GAB模型能够很好地反映挤塑聚苯乙烯板的等温吸湿过程。

从表4所示的统计学参数和模型参数来看，对聚氨酯硬质泡沫等温吸湿曲线的拟合效果依次为Peleg＞GAB＞Hendenson＞Modified BET＞Oswin＞Smith＞Halsey 模型。这说明在相对湿度（15%～90%）RH范围内，Peleg 模型和GAB 模型能够很好地描述聚氨酯硬质泡沫板的等温吸湿过程。

表4 聚氨酯硬质泡沫板等温吸湿曲线统计学参数与模型参数Tab.4 Model parameters and statistical parameter of PU

从表5所示的统计学参数和模型参数来看，对福利凯保温板等温吸湿曲线的拟合效果依次为Peleg＞Halsey＞Oswin＞GAB＞Hendenson＞Modified BET＞Smith 模型。拟合结果表明，在相对湿度（15%～90%）RH范围内，Peleg 模型和Halsey 模型能够较好地描述福利凯保温板的等温吸湿过程。

表5 福利凯保温板等温吸湿曲线统计学参数与模型参数Tab.5 Model parameters and statistical parameter of FLK

从上述分析结果来看，Peleg 模型和GAB 模型能够较好的反映挤塑聚苯乙烯板和聚氨酯硬质泡沫板的吸湿特性，Peleg模型和Halsey 模型能够较好的反映福利凯保温板的吸湿特性。因此，采用Peleg 模型可以更好的描述这3 种保温板的吸湿特性。为检验Peleg 模型的预测效果，图3 给出了3 种保温材料平衡含水率预测值与实测值的对比结果。