纸面石膏板调湿性能研究

王丽，陈红霞，尚珺虓

(北新集团建材股份有限公司，北京 100096)

0 引 言

空气相对湿度是评价建筑室内人居环境舒适度的一项重要性能指标。目前，对建筑物内湿度调节一般按是否消耗能源分主动和被动2 种方式，主动湿调节方法会产生能耗且易污染环境，不符合我国对能源可持续发展的策略，被动湿调节方法即利用可再生能源或材料自身的吸附特性对室内的湿度控制调节，是一种生态的调控方式[1]。因建筑围护材料内表面多为多孔材料，具备一定的吸放湿性能，合理利用吸放湿性能较好的建筑围护结构材料便可对室内湿度进行被动调节[2]。当室内湿度高于一定范围后，调湿材料能感知并自动吸附环境内的湿气，使得室内的湿度降低，而当室内湿度低于一定范围时，能释放出自身吸附的湿气，从而使得室内的湿度增加，保持室内的湿环境在一定的人类所需的范围内。

目前，对石膏及其制品的调湿功能关注较少，尤其对建筑装饰结构材料中应用的石膏板对室内空间调湿能力的评价缺乏数据支撑。本文对石膏板材及其制品的调湿能力进行监测分析，为后续功能型石膏板研发和生产积累提供技术依据。

1 试 验

1.1 原材料

纸面石膏板A 和B：分别取自生产纸面石膏板的工厂A和工厂B，规格均有9.5 mm 和12 mm 两种；木块、砖块和水泥块：均取自施工现场。石膏板的面密度为6.15 kg/m2，木块、砖块和水泥块的密度分别为0.63、1.68、2.12 kg/m3。

1.2 仪器设备及测试方法

手持低倍电子显微镜(Dino-lite，台湾安鹏科技股份有限公司)；WiFi 温湿度记录仪(RS-WS-WIFI-Y4，山东仁科测控技术有限公司)；恒温恒湿箱；鼓风干燥箱；干燥器。

材料的吸放湿性能参照GB/T 20312—2006/ISO 12571：2000《建筑材料及制品的湿热性能吸湿性能的测定》和JC/T 2082—2011《调湿功能室内建筑装饰材料》进行测试。

2 材料的吸放湿性能

采用建筑围护结构中常用的石膏板、木块、砖块、水泥块，尺寸均为100 mm×100 mm×9.5 mm，置于特定条件(首先温度25 ℃、相对湿度高湿90%、持续24 h；然后温度25 ℃、相对湿度低湿50%、持续24 h)的恒温恒湿箱，测试其在不同相对湿度环境中的吸放湿性能，结果见表1。

表1 不同建筑材料的吸湿率

由表1 可知，在温度25 ℃、相对湿度为90%高湿环境下放置24 h 的各建筑材料均呈现吸湿状态，木块的吸湿率最高，达8.55%。之后，将恒温恒湿箱湿度设置为低湿(温度温度25 ℃、相对湿度为50%)再持续24 h。在低湿环境持续16 h 和24 h 时，各材料出现放湿现象。可知，木块吸湿速率和放湿速率较大，吸湿量最大，但相比其较强的吸湿性能，其放湿性能较差，也就是说木块很容易吸湿但其脱水能力较差；砖块和水泥块在相同的测试条件下，其吸、放湿量较小，吸湿放湿速率较小；石膏板的吸湿量和放湿量相差最小，其吸湿量虽然不如木块，但是其放湿性能优于木块，表明石膏板不仅吸湿能力良好同时也有着较强的放湿性能，调湿能力最佳。

本试验为评价各建筑材料在稳定环境中的实时吸放湿性能和饱和吸放湿量，将建筑材料长时间置于高湿、低湿环境中，计算吸湿率，结果见表2。

表2 不同建筑材料长时间的吸湿率

由表2 可见，在温度25 ℃、相对湿度为90%试验环境中，木块在48 h 的吸湿率能达到9.93%，石膏板(9.5 mm 厚)在48 h 的吸湿率能达到3.05%，砖块和水泥板在48 h 吸湿率分别为0.91%和0.80%；48 h 后，将恒温恒湿箱的相对湿度下调至50%，各建筑材料均表现出放湿现象；放湿3 h 后，各建筑材料放湿率变化不大。在高湿环境中，当测试时间超过24 h 后随着测试时间的延长，除木块外其它建筑材料的吸湿率变化不大，也就是说石膏板、砖块和水泥块在高湿环境24 h 时即可达到饱和吸湿。

为进一步研究结构、孔隙等因素对材料吸放湿性能影响，用手持低倍电子显微镜观察木块、纸面石膏板板芯、砖块内芯和水泥块的表观形貌，结果见图1。

图1 木块、纸面石膏板板芯、砖块内芯和水泥块的表观形貌(×50)

由图1 可见，木块表面布满了0.2～0.8 mm 的孔洞，木材纤维纵横交织在一起，质地疏松；而石膏板板芯布满了0.1～0.3mm 的泡孔，泡孔尺寸均匀，数量较多；砖块和水泥块结构致密，除一些结构缺陷外，很难观察到较大的孔或疏松的结构。通过表观形貌分析可知，木块中疏松的木质纤维和较大的孔洞既可以为水蒸气的流通提供通道，也有利于水蒸气的吸附，因此其吸湿能力较强，但木质纤维与水蒸气结合后不易脱附，影响了其放湿能力；而石膏板中尺寸均一的泡孔既可以为水蒸气提供自由通道，也可以使吸附其上的水蒸气轻松脱附，因此石膏板材调湿性能优异。

将不同规格的纸面石膏板和护面纸(面积为30 cm×30 cm，在45 ℃的鼓风干燥箱烘干至恒重)置于干燥器(具有硫酸钾饱和溶液，室温为20～25 ℃)中，比较不同规格纸面石膏板和护面纸的吸湿性能，结果见图2。

图2 不同规格纸面石膏板和护面纸的吸湿性能

由图 2 可见，纸面石膏板和护面纸的质量随测试时间延长大幅增加。12 h 时，工厂A 的 9.5、12 mm 纸面石膏板质量分别增加0.73、0.78 g；工厂B 的9.5、12 mm 纸面石膏板质量分别增加 0.74、1.00 g。3 h 时，工厂 B 的 12 mm 纸面石膏板质量增加0.76 g；在相同时刻、相同的实验环境中，护面纸的吸湿质量增量也较大，3 h 其质量增加0.14 g，12 h 质量增加0.25 g，约为纸面石膏板质量增量的1/3，说明在吸湿测试过程中，护面纸的吸湿能力不容忽视，吸湿量较大。

目前，对如何客观反映调湿材料调湿性能的研究仍然有限，冉茂宇[3]利用封闭小箱观测到的实验现象进一步完善了封闭空间中调湿材料的调湿特性指标的理论。研究表明，材料与水分的结合性质与结合能密切相关，材料与水分的结合能越接近纯态水分子间结合能，材料的调湿特性越好。为研究不同纸面石膏板和其它建筑材料配合对封闭小环境湿度的影响，将工厂B 的9.5 mm 纸面石膏板分别置于封闭的木箱(50 cm×50 cm×50 cm)、塑箱(50 cm×50 cm×50 cm)内四周，测试相对湿度的变化，测试时间为7 月3 日～26 日，结果如图3 所示。

图3 纸面石膏板对封闭小环境相对湿度的影响

由图3 可知，与室内相对湿度变化曲线相比，其它3 种工况的空间相对湿度变化曲线中的波峰和波谷锐减，并且其相对湿度曲线均有所延迟。封装石膏板的塑箱内相对湿度曲线波动最小，其次为封装石膏板木箱内相对湿度的变化曲线。这说明石膏板通过自身对湿的吸附性能，减缓封闭环境的湿度波动，将环境湿度保持在一定的范围内[4]。

为表征纸面石膏板在自然环境中的吸放湿性能，采用6张工厂A 生产的纸面石膏板(规格为2 m×2 m×9.5 mm)围成正方体，在北京5 月份的某一天 9：00～16：00 这段时段(8 h)分别置于室内和室外环境监测其不同时刻的质量变化，结果见图4。

图4 纸面石膏板在不同时刻的质量变化

由图4 可见，板材在整个测试时段表现出质量增加的现象，在上午质量增加率较大；在室内(温度、湿度变化小，近似恒温)石膏板的质量变化率较小，在室外尤其是在10：30～16：00时石膏板的质量变化率较大，在10：45 时石膏板的质量增量为469 g，在14：30 时石膏板的质量增量为224 g。

3 建筑材料对室内环境相对湿度的影响

研究建筑围护材料对室内(四周围有石膏板、地为木地板)相对湿度影响程度，将湿度探测头分别置于房间内的不同位置和房间外的位置(见图5)，监测北京夏季环境中(7～8 月份)房间内部和外部相对湿度的变化情况，结果见图6，所用石膏板为工厂A 的12 mm 纸面石膏板。

图5 测试房间

图6 夏季高湿环境中纸面石膏板对室内相对湿度的影响

由图6 可知，北京7～8 月份大多数时间处于相对湿度≥60%的状态。调湿材料纸面石膏板能有效抑制室内相对湿度的波峰，使室内的相对湿度趋向40%～60%的人体舒适度较高的环境区域中移动，在相同测试时间，房间内的相对湿度要比房间外降低了2～8 个百分点。

4 结 论

纸面石膏板是一种轻质的绿色环保装饰装修建筑材料，因其具有高孔隙率、优良的吸附性能可以作为理想的调湿材料。在本实验测试所用的特定围护结构和实验环境下，尤其是在冬冷夏热的地区，夏季高湿时段较多的7、8 月份，石膏板等调湿材料能够有效抑制室内相对湿度的波峰，室内相对湿度要比同一时刻房间外的相对湿度降低了2～8 个百分点。合理的建筑围护材料可以有效调节人居环境，使室内相对湿度趋向40%～60%的人体舒适度较高的环境区域中移动，使室内湿环境的变化趋于稳定并降低能耗。