陳文華,郭猛,郭興國,劉向偉* ,陳國杰

(1.南昌大學(xué)工程建設(shè)學(xué)院,江西 南昌 330031;2.江西省超低能耗建筑重點實驗室,江西 南昌 330031;3.江西省近零能耗建筑工程實驗室,江西 南昌 330031;4.南華大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

建筑墻體中普遍存在著由熱濕傳遞造成的直接或者間接的損壞,墻體的損壞會造成外墻的損傷、高采暖空調(diào)能耗和不舒服的室內(nèi)環(huán)境等問題。因此對建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)和整修,濕問題一直是最重要的問題[1]。在既有的建筑墻體抹灰材料的選擇方法中,沒有一種基于墻體濕損壞評估的墻體抹灰材料的選擇方法,設(shè)計師在選擇抹灰材料時更多是依靠經(jīng)驗,從美觀的角度出發(fā),這樣會導(dǎo)致墻體中的水分較高,嚴(yán)重?fù)p壞墻體抹灰材料的使用性能,顯著降低抹灰材料的使用壽命,大大增加建筑的維修費(fèi)用。因此,發(fā)展一種基于墻體濕損壞評估的墻體抹灰材料的選擇方法并應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、使用和維護(hù)中的隔熱、防潮等工程領(lǐng)域具有很大的現(xiàn)實意義和社會效益[2]。

目前對建筑構(gòu)件內(nèi)濕遷移過程的研究主要表現(xiàn)在3個方面:1) 墻體內(nèi)濕遷移的過程模擬以及墻體傳熱傳濕對室內(nèi)環(huán)境及熱濕負(fù)荷的影響研究[3-6];2) 熱濕氣候地區(qū)建筑墻體因濕積累而引起的霉變問題[7-10];3) 墻體內(nèi)熱濕傳遞的實驗研究[11-13]。在現(xiàn)有的研究中,對墻體的濕損壞的研究極少,僅有國外的少量文獻(xiàn)涉及[14-15]。在這些文獻(xiàn)中考慮了墻體在豎直方向上從地表穩(wěn)態(tài)吸收水分所到達(dá)的濕高度,但忽略了水平方向墻體表面與空氣之間的熱濕傳遞的影響,因此不能完全解釋濕損壞這種現(xiàn)象。當(dāng)墻體表面的熱濕遷移產(chǎn)生的影響很大時,會造成濕損壞評估很不準(zhǔn)確,選擇的修復(fù)材料有時會存在一定的錯誤。

本文以多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ),同時考慮墻體在豎直方向上的濕遷移和水平方向的濕遷移,用一級動力學(xué)模型來描述墻體的毛細(xì)管上升現(xiàn)象,確立了水分上升時墻體內(nèi)含濕量的預(yù)測模型,根據(jù)基層墻體和抹灰材料中的含濕量大小來選擇修復(fù)材料。

1 模型

1.1 模型假設(shè)

最常見的砌體系統(tǒng)(圖1)包括2層:基層墻體和抹灰材料,基層墻體和抹灰材料是均勻緊密接觸的,均由一種材料組成。假設(shè)上述砌體系統(tǒng)與地面水充分接觸,只有抹灰材料與空氣接觸。圖1中:Dw和Dp分別為墻體和抹灰材料的厚度,單位為m;Win為地面進(jìn)入砌體系統(tǒng)的水分含量,單位為kg·m-1·d-1;Wout為砌體系統(tǒng)干燥的水分含量,單位為kg·m-1·d-1;h為砌體系統(tǒng)的濕高度,單位為m。

圖1 墻體系統(tǒng)示意圖

本文主要考慮砌體系統(tǒng)在毛細(xì)壓力的作用下從地面吸收水分的過程和墻體表面的熱濕遷移過程,忽略室內(nèi)環(huán)境的影響,假設(shè)系統(tǒng)與環(huán)境處于平衡狀態(tài),墻體平衡含濕量的大小取決于空氣溫度、水活度和風(fēng)速等環(huán)境條件。

1.2 模型建立

忽略室內(nèi)環(huán)境的影響,影響墻體系統(tǒng)的水分含量的因素包括2個部分,一個部分是墻體從地表吸收的水分,另外一個部分是墻體向室外環(huán)境蒸發(fā)的水分。

1)材料吸水過程。

空氣中含有一定量的水分,由于墻體表面會與空氣產(chǎn)生熱濕耦合傳遞,因此當(dāng)墻體不從地表吸收水分時,也會有一定的含濕量,此時墻體的含濕量[16]可采用下式計算:

(1)

式中:Xe為墻體材料的含濕量,單位為kg·kg-1;b0為材料的吸附性系數(shù),單位為kg·kg-1;aw為室外空氣的水活度;T為空氣溫度,單位為K;b1、b2為可根據(jù)材料特性調(diào)整的實驗常數(shù),通常情況下b1=3,b2=0.36。

水活度與空氣的相對濕度有關(guān),可采用下式進(jìn)行計算:

(2)

式中:H為空氣的相對濕度。

溫度和相對濕度的數(shù)值可以通過查詢當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)表獲得,也可以采用實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,在擬合方程中溫度和相對濕度的數(shù)值主要受各自的極值和出現(xiàn)的時間的影響。溫度和相對濕度的擬合方程分別如式(3)、式(4)所示。

(3)

式中:Tmax和Tmin分別為空氣溫度的最大值和最小值,單位為K;jm表示月份;jTmin表示溫度最小值出現(xiàn)的月份。

(4)

式中:Hmax和Hmin分別為相對濕度的最大值和最小值;jHmin表示相對濕度最小值出現(xiàn)的月份。

墻體濕高度的計算是一個復(fù)雜過程,因為墻體在從地面吸收水分的同時,也會與空氣進(jìn)行濕傳遞。因此墻體濕高度的數(shù)值除了與材料的性質(zhì)有關(guān),還與環(huán)境的參數(shù)有關(guān)。在考慮墻體表面熱濕遷移的情況下(圖2所示),墻體的濕高度[10]可以采用下式進(jìn)行計算:

圖2 墻體熱濕遷移示意圖

(5)

式中:he為墻體的濕高度,單位為m;S為材料的吸水率,單位為mm·min-1/2,對于一般的多孔介質(zhì)材料,其吸水率的范圍為0.5～1.5 mm·min-1/2;D為材料的厚度,單位為m;E為材料的蒸發(fā)率,本文取0.001 mm·min-1[4]。

對于材料中水分的毛細(xì)上升現(xiàn)象,可以采用一階動力學(xué)方程式進(jìn)行描述,其一階動力學(xué)方程式[17]如下所示:

(6)

式中:t為時間,單位為s;tc為材料的毛細(xì)上升常數(shù),單位為d-1。

h隨時間的變化可描述為:

h=he-(he-h0)e-t/τc

(7)

式中:h0為校正系數(shù);τc為時間常數(shù),單位為s。

當(dāng)環(huán)境條件和砌體的特性保持等邊界調(diào)節(jié)保持不變時,將式(4)在1 d的時間內(nèi)進(jìn)行積分,可以得到:

Win=tcw(hew-h)ρwDwXew+tcp(hep-h)ρpDpXep

(8)

式中:hew和hep分別為墻壁和抹灰材料的平衡濕高度,單位為m;ρw和ρp分別為墻壁和抹灰材料的密度,單位為kg·m-3;Xew和Xep分別為墻壁和抹灰材料的毛細(xì)平衡含濕量,單位為kg·kg-1;tcw和tcp分別為墻壁和抹灰材料的毛細(xì)上升常數(shù),單位為d-1。

2)干燥過程。

與墻體的吸水過程類似,墻體的干燥過程也可以采用一階動力學(xué)方程式進(jìn)行描述,其一階動力學(xué)方程式[18]如下所示:

(9)

式中:X為材料的含濕量,單位為kg·kg-1;td為材料的干燥常數(shù),單位為d-1。

當(dāng)環(huán)境條件和砌體的特性等邊界條件保持不變時,將式(9)在1 d的時間內(nèi)進(jìn)行積分,可以得到:

Wout=tdp(Xcp-Xep)ρpDph

(10)

式中:Xcp為抹灰材料的毛細(xì)平衡含濕量,單位為kg·kg-1;Xep為抹灰材料的平衡含濕量,單位為kg·kg-1;tdp為抹灰材料的干燥常數(shù),單位為d-1。

其中,干燥常數(shù)td的計算公式[13]為:

(11)

式中:c0為抹灰材料的干燥常數(shù)計算系數(shù),單位為d;c1、c2、c3為可根據(jù)天氣條件調(diào)整的試驗常數(shù);通常條件下c1=0,c2=0.75,c3=-0.8;u為當(dāng)?shù)卦缕骄L(fēng)速,單位為m·s-1。

墻體中存留的水分為墻體從地表吸收的水分與蒸發(fā)至空氣中的水分的差值,如下式所示:

W=Win-Wout

(12)

式中:W為儲存在砌體系統(tǒng)中的水分含量,單位為kg·m-1·d-1。

本文應(yīng)用的模型驗證部分詳見文獻(xiàn)[4],文中不再說明。

2 計算分析

以南昌地區(qū)240 mm磚墻為例,其墻體結(jié)構(gòu)為普通空心磚加抹灰材料,分別以普通水泥砂漿和防潮水泥作為抹灰材料,厚度均為20 mm。材料物性參數(shù)見表1,其中ρ為密度。南昌地區(qū)氣象參數(shù)如表2所示。表2中:Ta為空氣月平均溫度;Ha為空氣月平均絕對濕度。

表1 砌體材料的物性參數(shù)

表2 南昌地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象年氣象參數(shù)

圖3和圖4分別為2種抹灰材料墻體系統(tǒng)的全年濕高度對比情況和全年水分含量對比情況。從圖中可以看出,采用普通水泥砂漿作為墻體抹灰材料時墻體全年的濕高度和水分含量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用防潮水泥做抹灰材料的情況,這表明用防潮水泥作抹灰材料的效果要優(yōu)于普通水泥砂漿。

月份

月份

3 參數(shù)分析

3.1 抹灰材料吸水率對其濕高度和墻體水分含量的影響

以南昌地區(qū)240 mm磚墻為例,墻體結(jié)構(gòu)為普通空心磚加水泥砂漿抹灰材料,水泥砂漿的厚度為20 mm。采用南昌地區(qū)氣象參數(shù)作為輸入條件進(jìn)行計算。不同抹灰材料吸水率(S=0.6、0.8、1.0、1.2 mm·min-1/2)情況下的抹灰材料的濕高度和墻體系統(tǒng)的水分含量計算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 吸水率對濕高度的影響

圖6 吸水率對水分含量的影響

由圖可知,抹灰材料吸水率越大,其濕高度越大,墻體系統(tǒng)的水分含量越高。圖5顯示濕高度與抹灰材料吸水率呈正比例增長關(guān)系。圖6顯示抹灰材料吸水率對墻體水分含量影響較小,受氣象因素影響較大。冬季墻體水分含量最大,進(jìn)而增加室內(nèi)含濕量和陰冷感。

3.2 抹灰材料厚度對其濕高度和墻體水分含量的影響

同樣以南昌地區(qū)240 mm磚墻為例,墻體結(jié)構(gòu)為普通空心磚加水泥砂漿抹灰材料。采用南昌地區(qū)氣象參數(shù)作為輸入條件進(jìn)行計算。不同抹灰材料厚度(D=10、20、30、40 mm)情況下的抹灰材料的濕高度和墻體系統(tǒng)的水分含量計算結(jié)果如圖7和圖8所示,由圖可知,抹灰材料的厚度越大,其濕高度越高,墻體的水分含量越小。圖7顯示濕高度的增量隨著抹灰材料厚度的增加而逐漸減小。圖8顯示增加抹灰材料厚度有利于降低墻體的水分含量,特別是針對冬季氣象條件。此外,增加抹灰材料厚度可以降低氣象因素對墻體水分含量的影響。

圖7 抹灰材料厚度對濕高度的影響

圖8 抹灰材料厚度對水分含量的影響

3.3 抹灰材料密度對其濕高度和墻體水分含量的影響

同樣以南昌地區(qū)240 mm磚墻為例,墻體結(jié)構(gòu)為普通空心磚加水泥砂漿抹灰材料,水泥砂漿的厚度為20 mm。采用南昌地區(qū)氣象參數(shù)作為輸入條件進(jìn)行計算。不同抹灰材料密度(ρ=1.0、1.5、2.0、2.5 g·cm-3)情況下的抹灰材料的濕高度和墻體系統(tǒng)的水分含量計算結(jié)果如圖9和圖10所示,由圖可知,抹灰材料的密度越大,其濕高度越小,墻體水分含量也越低。圖9顯示濕高度的降低量隨著抹灰材料密度的增加而逐漸降低。圖10顯示增加抹灰材料密度有利于降低墻體的水分含量,同時降低氣象因素對墻體水分含量的影響。

圖9 抹灰材料密度對濕高度的影響

圖10 抹灰材料密度對水分含量的影響

4 結(jié)論

本文建立了以墻體濕高度和水分含量來預(yù)測墻體抹灰材料效果的模型,并通過模擬計算得到以下結(jié)論:

1)通過對南昌地區(qū)240 mm磚墻墻體濕高度和水分含量進(jìn)行計算對比,結(jié)果表明預(yù)混的防潮水泥的效果要優(yōu)于普通水泥砂漿。

2)由參數(shù)分析結(jié)果可以得到,在其他參數(shù)相同的情況下,抹灰材料吸水率增加,濕高度和墻體水分含量同時增加;抹灰材料厚度增加,其濕高度增加,墻體水分含量降低;抹灰材料密度增加,其濕高度降低,墻體水分含量也降低。