含湿量对混凝土导热系数的影响分析

王莹莹， 马 超， 刘艳峰， 王登甲， 刘加平

(1.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院， 陕西 西安 710055； 2.中建科技集团有限公司， 北京 100070)

混凝土是典型的多孔材料，在建筑结构中应用广泛.导热系数是表示多孔材料传热性能的最重要参数之一.多孔材料含湿后其导热系数会发生改变这一特点已为学界公认[1-3].因此，掌握含湿混凝土导热系数是准确计算混凝土建筑围护结构传热传质性能和能耗的前提.但目前无论在冷热负荷计算软件还是相关规范规定的计算方法中，建筑对象一旦确定，往往近似认为围护结构材料物性恒定，忽略其中湿分变化对材料热工参数的影响，从而造成计算误差[4-5].因此，若对含湿混凝土导热系数进行修正，需要研究各种常见混凝土含湿量与导热系数的定量变化关系.

事实上，多孔材料导热系数是通过将材料中多种传热作用折合为导热问题而得到的有效导热系数.因此，含湿材料导热系数与材料含湿量及内部结构有密切关系[6].王补宣等[7]通过实测分析了含湿量和湿迁移对建筑材料导热系数的影响，给出了考虑湿迁移当量导热系数的半经验公式.Shin等[8]和Suchorab等[9]分别通过试验分析了含湿量对普通混凝土和加气混凝土导热系数的影响，并采用线性拟合描述材料导热系数与含湿量的定量关系，但在他们的研究中，含湿量变化范围相对较小，很难准确反映变化范围较大的含湿量对材料导热系数的影响.Jerman等[10]通过试验分析了含湿量对几种常见保温材料导热系数的影响，并利用二次函数来拟合EPS和轻质混凝土导热系数与含湿量的关系.Taoukil等[11]通过试验分析了含湿量对木屑-混凝土导热系数的影响，发现在高含湿量范围内，导热系数增加较快，并利用指数函数描述了木屑-混凝土导热系数与体积含湿量之间的关系.

对于混凝土导热系数与含湿量的定量变化关系，当前研究较少分析孔隙结构对含湿材料导热系数的影响，且缺少统一且行之有效的定量描述.材料内部孔隙结构，尤其是孔径分布和孔隙率对材料导热系数具有重要影响[12].本文选择不同孔隙结构的常见混凝土作为研究对象，利用扫描电子显微镜和压汞仪对混凝土孔径分布和孔隙率进行分析；利用平板导热仪测试分析含湿量对混凝土导热系数的影响，进而给出混凝土导热系数与含湿量的定量关系，以期为混凝土建筑围护结构传热传湿的准确计算提供基础.

1 试验

1.1 试验材料

为掌握混凝土导热系数和含湿量的定量关系，考虑到孔隙结构对材料导热系数的影响，选择常见不同孔隙率和孔径分布的普通混凝土、加气混凝土及泡沫混凝土作为研究对象.同时，为了对比不同孔隙率对含湿材料导热系数的影响，3种混凝土分别选择2种孔隙率(用A，B表示).试件尺寸根据试验仪器要求，长、宽、厚分别为300，300和30mm.

1.2 试验仪器

采用中国建筑科学研究院研发的TPMBE-300平板导热仪测试含湿混凝土的导热系数，平板导热仪的测量范围为0.02～1.60W/(m·K)，精度为±3%，采用稳态法测试[13]；加气混凝土和泡沫混凝土因孔隙尺寸较大，其孔径采用JSM-6510LV扫描电镜(SEM)观测，扫描电镜分辨率为4nm，放大倍数为5～3×105；普通混凝土孔径采用PoreMaster GT60压汞仪(MIP)测试，其测量范围为3×10-3～1.08×103μm，精度为±0.11%.

1.3 试验过程

利用扫描电镜对加气混凝土和泡沫混凝土试样进行扫描获得其SEM图片，并利用图像分析软件对SEM图片进行黑白二元处理，得到混凝土的面积孔隙率和孔隙面积孔径分布，来近似替代材料孔隙率和孔径分布[14].普通混凝土孔隙率和孔径分布可通过压汞仪直接测得.

含湿混凝土试件导热系数测试时间相对较长，试件两个表面存在温差，会引起水分的迁移和重新分布.为了防止试验过程中含湿试件中的水分向空气中扩散，采用不透水塑料薄膜包裹试件.平板导热仪热板和冷板温度分别设定为35℃和15℃，忽略冷热板和试件两侧表面温差时，试件平均温度约为25℃.含湿混凝土导热系数取3次测试的平均值.其测试过程主要为：

(1)将加工好的试件置于烘箱中，在150℃左右的工作温度下烘烤，直至试件质量基本不变.将干燥试件置于密封塑料袋中冷却至常温，利用平板导热仪分别测试包裹和不包裹塑料薄膜干燥试件的导热系数，同时计算由于包裹塑料薄膜引起的附加热阻.

(2)将干燥试件置于水中浸泡48h，之后每隔24h 取出试件称重，当前后两次含湿试件质量之差小于后次测试质量的0.5%左右时，试件浸水过程结束.

(3)利用平板导热仪测试包裹塑料薄膜含湿试件的导热系数.根据不同混凝土试件浸泡后含水量的不同，将浸泡后试件置于烘箱中分别烘至不同含水状态，使每种混凝土试件具有10个以上含水状态点，且相邻状态点对应含湿量相差不大，测定不同含湿量下各试件的导热系数.

2 试验结果与分析

2.1 混凝土孔径分布和孔隙率

3种混凝土试件的孔径(D)分布和孔隙率分别见图1和表1.由图1可知：普通混凝土内部孔径非常小，主要分布在0.01～10.00μm范围内，其大部分孔隙为微观孔；加气混凝土和泡沫混凝土内部孔隙主要为宏观孔，尤其是泡沫混凝土孔径较大，主要分布在1000～10000μm范围内.

2.2 混凝土导热系数随含湿量的变化

使用平板导热仪测试时，采用不透水塑料薄膜包裹试件可避免其中的水分向空气中迁移，但仍会引起试件中水分的重新分布.试件中水分的分布很难确定，且试件较薄，因此忽略试件水分分布不均匀对导热系数的影响.

图1 混凝土孔径分布Fig.1 Pore size distribution of concretes

ItemNormal concreteAerated concreteFoam concreteABABABDensity/(kg·m-3)2179.242115.16728.48597.75220.78196.79Porosity0.13360.16090.50750.58100.71240.7739

建筑材料内部的湿组分主要以水蒸气和液态水的形式存在.根据扩散、毛细吸附、蒸发-凝结3种过程机理，湿组分的存在形式不同，对材料导热系数的影响亦会发生变化，并且在不同含湿量范围内材料导热系数变化幅度也不同.

图2表示了混凝土体积含湿量对含湿混凝土导热系数(λm)与干燥混凝土导热系数(λd)之比的影响.由图2可知，含湿混凝土导热系数随着体积含湿量的增大而增大，且混凝土类型不同，其导热系数增加幅度不同.在低含湿量情况下，材料内部的湿组分主要以水蒸气分子和毛细吸附形式附着在固体骨架表面，水蒸气扩散受材料固体骨架壁面吸湿的牵制较少，主要取决于含湿量的多少[7]，吸附水分导热作用较强，有利于水分与骨架之间传热，因此导致混凝土导热系数随含湿量的增加而迅速增大.当体积含湿量从0%增至10%时，泡沫混凝土和加气混凝土的导热系数可分别增加200%和100%左右，而普通混凝土仅增加了15%左右.主要原因是泡沫混凝土和加气混凝土孔隙率较大，当混凝土内部大量高导热系数的水蒸气替代了导热系数较小的空气时，对混凝土的传热有明显增加作用；而普通混凝土孔隙率较小，其孔隙主要为微观孔，固体骨架对吸附水作用力较强，因此含湿量对普通混凝土的导热系数影响相对较小.由此可见，混凝土孔隙率越大，含湿量对其导热系数影响越明显.

图2 体积含湿量对混凝土导热系数的影响Fig.2 Influence of volumetric moisture content on thermal conductivity of concretes

在高含湿量情况下，混凝土导热系数随含湿量增加而增加的幅度变小，且混凝土孔隙率和孔径越大时，此变化趋势越明显.原因是含湿量增加到一定程度后，混凝土内部会逐渐出现凝结水，这些凝结水在骨架之间连接成液桥，增强了液桥两侧骨料之间的传热[15]，且固体骨架壁面尚未处于湿饱和状态，导致壁面的吸湿效应显著，材料导热系数随含湿量增加的速度减缓.随着含湿量的进一步增加，液态水毛细回流增强，将导致材料导热系数的增幅更小.如体积含湿量从10%增至30%时，A,B两种孔隙率的泡沫混凝土导热系数分别增加了70%和40%左右；A,B两种孔隙率的加气混凝土导热系数分别增加了38%和55%左右.加气混凝土和泡沫混凝土内部骨架之间孔隙率和孔径较大，其内部主要为宏观孔，骨架连接处固体材料占比较小，液桥的影响作用较为明显.当含湿量进一步增加时，材料内部微小孔隙饱和，较大孔隙的壁面湿润(液态水与水蒸气混合占据混凝土内部孔隙)，骨架、液体和气体之间存在一定传热热阻，并且液态水毛细回流已增强到使总湿迁移热效应减弱到忽略不计的程度，从而使水分增加传热的作用减弱.

2.3 含湿量与混凝土导热系数的定量关系

经验公式(1)常用于表示含湿建筑材料导热系数和质量含湿量的定量关系[8-9]：

λm=λd+a0u

(1)

式中：λm为含湿材料导热系数，W/(m·K)；λd为干燥材料导热系数，W/(m·K)；u为材料质量含湿量，kg/kg；a0为经验常数，W/(m·K).

根据本文试验结果和文献[10,16]，混凝土导热系数与质量含湿量近似成幂函数关系.一般情况下，建筑材料内含湿量变化较小，可采用式(1)计算含湿材料导热系数.当含湿量变化较大时(如新建建筑)，采用线性拟合关系式计算含湿材料导热系数会出现较大误差，此时需对式(1)进行修正.根据试验结果，采用式(2)对含湿混凝土导热系数和质量含湿量进行拟合分析，结果见图3，图中纵坐标均采用含湿混凝土导热系数与干燥混凝土导热系数之差(λs).

λm=λd+aub

(2)

式中：a为拟合常数，W/(m·K)；b为拟合指数.

图3 含湿量对3种混凝土导热系数的影响Fig.3 Influence of moisture content on thermal conductivity of three types of concretes

根据式(2)对含湿混凝土导热系数与质量含湿量进行拟合分析，得到拟合常数和拟合指数如表2所示.由表2可知，式(2)中的指数b主要在0.6～0.8范围内，拟合常数a随着孔隙率的增大而减小，且相关系数较高.若采用式(1)对含湿混凝土导热系数与质量含湿量进行拟合，则相应的相关系数R2分别为0.952，0.911，0.965，0.980，0.914和0.940，其拟合相关性均低于幂函数拟合结果.可见采用幂函数来拟合含湿混凝土导热系数和质量含湿量，可更准确地反映两者之间的定量关系.

表2 含湿混凝土导热系数计算式中的拟合值

3 结论

(1)含湿混凝土导热系数随含湿量的增大而增大.混凝土孔隙率越大，含湿量对其导热系数影响越明显，体积含湿量从0%增至10%时，泡沫混凝土和加气混凝土的导热系数可分别增加200%和100%左右，而普通混凝土仅增加了15%左右.

(2)在低含湿量范围内，混凝土导热系数随含湿量增加而增加的幅度较大；在高含湿量范围，混凝土导热系数增加幅度变小，且混凝土孔隙率和孔径越大时，此变化趋势越明显.如孔隙率为0.7124的泡沫混凝土，当体积含湿量从0%增加到10%时其导热系数增加了200%左右，而体积含湿量从10%增加到30%时其导热系数增加了70%左右.

(3)混凝土导热系数与质量含湿量近似成幂函数关系，同时给出了混凝土导热系数与质量含湿量的定量关系.