一种基于墙体湿损坏评估的抹灰材料选择方法

陈文华,郭猛,郭兴国,刘向伟* ,陈国杰

(1.南昌大学工程建设学院,江西 南昌 330031;2.江西省超低能耗建筑重点实验室,江西 南昌 330031;3.江西省近零能耗建筑工程实验室,江西 南昌 330031;4.南华大学土木工程学院,湖南 衡阳 421001)

建筑墙体中普遍存在着由热湿传递造成的直接或者间接的损坏,墙体的损坏会造成外墙的损伤、高采暖空调能耗和不舒服的室内环境等问题。因此对建筑外围护结构的保护和整修,湿问题一直是最重要的问题[1]。在既有的建筑墙体抹灰材料的选择方法中,没有一种基于墙体湿损坏评估的墙体抹灰材料的选择方法,设计师在选择抹灰材料时更多是依靠经验,从美观的角度出发,这样会导致墙体中的水分较高,严重损坏墙体抹灰材料的使用性能,显著降低抹灰材料的使用寿命,大大增加建筑的维修费用。因此,发展一种基于墙体湿损坏评估的墙体抹灰材料的选择方法并应用于建筑结构设计、使用和维护中的隔热、防潮等工程领域具有很大的现实意义和社会效益[2]。

目前对建筑构件内湿迁移过程的研究主要表现在3个方面:1) 墙体内湿迁移的过程模拟以及墙体传热传湿对室内环境及热湿负荷的影响研究[3-6];2) 热湿气候地区建筑墙体因湿积累而引起的霉变问题[7-10];3) 墙体内热湿传递的实验研究[11-13]。在现有的研究中,对墙体的湿损坏的研究极少,仅有国外的少量文献涉及[14-15]。在这些文献中考虑了墙体在竖直方向上从地表稳态吸收水分所到达的湿高度,但忽略了水平方向墙体表面与空气之间的热湿传递的影响,因此不能完全解释湿损坏这种现象。当墙体表面的热湿迁移产生的影响很大时,会造成湿损坏评估很不准确,选择的修复材料有时会存在一定的错误。

本文以多孔介质传热传质学为基础,同时考虑墙体在竖直方向上的湿迁移和水平方向的湿迁移,用一级动力学模型来描述墙体的毛细管上升现象,确立了水分上升时墙体内含湿量的预测模型,根据基层墙体和抹灰材料中的含湿量大小来选择修复材料。

1 模型

1.1 模型假设

最常见的砌体系统(图1)包括2层:基层墙体和抹灰材料,基层墙体和抹灰材料是均匀紧密接触的,均由一种材料组成。假设上述砌体系统与地面水充分接触,只有抹灰材料与空气接触。图1中:Dw和Dp分别为墙体和抹灰材料的厚度,单位为m;Win为地面进入砌体系统的水分含量,单位为kg·m-1·d-1;Wout为砌体系统干燥的水分含量,单位为kg·m-1·d-1;h为砌体系统的湿高度,单位为m。

图1 墙体系统示意图

本文主要考虑砌体系统在毛细压力的作用下从地面吸收水分的过程和墙体表面的热湿迁移过程,忽略室内环境的影响,假设系统与环境处于平衡状态,墙体平衡含湿量的大小取决于空气温度、水活度和风速等环境条件。

1.2 模型建立

忽略室内环境的影响,影响墙体系统的水分含量的因素包括2个部分,一个部分是墙体从地表吸收的水分,另外一个部分是墙体向室外环境蒸发的水分。

1)材料吸水过程。

空气中含有一定量的水分,由于墙体表面会与空气产生热湿耦合传递,因此当墙体不从地表吸收水分时,也会有一定的含湿量,此时墙体的含湿量[16]可采用下式计算:

(1)

式中:Xe为墙体材料的含湿量,单位为kg·kg-1;b0为材料的吸附性系数,单位为kg·kg-1;aw为室外空气的水活度;T为空气温度,单位为K;b1、b2为可根据材料特性调整的实验常数,通常情况下b1=3,b2=0.36。

水活度与空气的相对湿度有关,可采用下式进行计算:

(2)

式中:H为空气的相对湿度。

温度和相对湿度的数值可以通过查询当地气象参数表获得,也可以采用实验数据进行拟合,在拟合方程中温度和相对湿度的数值主要受各自的极值和出现的时间的影响。温度和相对湿度的拟合方程分别如式(3)、式(4)所示。

(3)

式中:Tmax和Tmin分别为空气温度的最大值和最小值,单位为K;jm表示月份;jTmin表示温度最小值出现的月份。

(4)

式中:Hmax和Hmin分别为相对湿度的最大值和最小值;jHmin表示相对湿度最小值出现的月份。

墙体湿高度的计算是一个复杂过程,因为墙体在从地面吸收水分的同时,也会与空气进行湿传递。因此墙体湿高度的数值除了与材料的性质有关,还与环境的参数有关。在考虑墙体表面热湿迁移的情况下(图2所示),墙体的湿高度[10]可以采用下式进行计算:

图2 墙体热湿迁移示意图

(5)

式中:he为墙体的湿高度,单位为m;S为材料的吸水率,单位为mm·min-1/2,对于一般的多孔介质材料,其吸水率的范围为0.5～1.5 mm·min-1/2;D为材料的厚度,单位为m;E为材料的蒸发率,本文取0.001 mm·min-1[4]。

对于材料中水分的毛细上升现象,可以采用一阶动力学方程式进行描述,其一阶动力学方程式[17]如下所示:

(6)

式中:t为时间,单位为s;tc为材料的毛细上升常数,单位为d-1。

h随时间的变化可描述为:

h=he-(he-h0)e-t/τc

(7)

式中:h0为校正系数;τc为时间常数,单位为s。

当环境条件和砌体的特性保持等边界调节保持不变时,将式(4)在1 d的时间内进行积分,可以得到:

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

(8)

式中:hew和hep分别为墙壁和抹灰材料的平衡湿高度,单位为m;ρw和ρp分别为墙壁和抹灰材料的密度,单位为kg·m-3;Xew和Xep分别为墙壁和抹灰材料的毛细平衡含湿量,单位为kg·kg-1;tcw和tcp分别为墙壁和抹灰材料的毛细上升常数,单位为d-1。

2)干燥过程。

与墙体的吸水过程类似,墙体的干燥过程也可以采用一阶动力学方程式进行描述,其一阶动力学方程式[18]如下所示:

(9)

式中:X为材料的含湿量,单位为kg·kg-1;td为材料的干燥常数,单位为d-1。

当环境条件和砌体的特性等边界条件保持不变时,将式(9)在1 d的时间内进行积分,可以得到:

Wout=tdp(Xcp-Xep)ρpDph

(10)

式中:Xcp为抹灰材料的毛细平衡含湿量,单位为kg·kg-1;Xep为抹灰材料的平衡含湿量,单位为kg·kg-1;tdp为抹灰材料的干燥常数,单位为d-1。

其中,干燥常数td的计算公式[13]为:

(11)

式中:c0为抹灰材料的干燥常数计算系数,单位为d;c1、c2、c3为可根据天气条件调整的试验常数;通常条件下c1=0,c2=0.75,c3=-0.8;u为当地月平均风速,单位为m·s-1。

墙体中存留的水分为墙体从地表吸收的水分与蒸发至空气中的水分的差值,如下式所示:

W=Win-Wout

(12)

式中:W为储存在砌体系统中的水分含量,单位为kg·m-1·d-1。

本文应用的模型验证部分详见文献[4],文中不再说明。

2 计算分析

以南昌地区240 mm砖墙为例,其墙体结构为普通空心砖加抹灰材料,分别以普通水泥砂浆和防潮水泥作为抹灰材料,厚度均为20 mm。材料物性参数见表1,其中ρ为密度。南昌地区气象参数如表2所示。表2中:Ta为空气月平均温度;Ha为空气月平均绝对湿度。

表1 砌体材料的物性参数

表2 南昌地区标准气象年气象参数

图3和图4分别为2种抹灰材料墙体系统的全年湿高度对比情况和全年水分含量对比情况。从图中可以看出,采用普通水泥砂浆作为墙体抹灰材料时墙体全年的湿高度和水分含量都远远高于用防潮水泥做抹灰材料的情况,这表明用防潮水泥作抹灰材料的效果要优于普通水泥砂浆。

月份

月份

3 参数分析

3.1 抹灰材料吸水率对其湿高度和墙体水分含量的影响

以南昌地区240 mm砖墙为例,墙体结构为普通空心砖加水泥砂浆抹灰材料,水泥砂浆的厚度为20 mm。采用南昌地区气象参数作为输入条件进行计算。不同抹灰材料吸水率(S=0.6、0.8、1.0、1.2 mm·min-1/2)情况下的抹灰材料的湿高度和墙体系统的水分含量计算结果如图5和图6所示。

图5 吸水率对湿高度的影响

图6 吸水率对水分含量的影响

由图可知,抹灰材料吸水率越大,其湿高度越大,墙体系统的水分含量越高。图5显示湿高度与抹灰材料吸水率呈正比例增长关系。图6显示抹灰材料吸水率对墙体水分含量影响较小,受气象因素影响较大。冬季墙体水分含量最大,进而增加室内含湿量和阴冷感。

3.2 抹灰材料厚度对其湿高度和墙体水分含量的影响

同样以南昌地区240 mm砖墙为例,墙体结构为普通空心砖加水泥砂浆抹灰材料。采用南昌地区气象参数作为输入条件进行计算。不同抹灰材料厚度(D=10、20、30、40 mm)情况下的抹灰材料的湿高度和墙体系统的水分含量计算结果如图7和图8所示,由图可知,抹灰材料的厚度越大,其湿高度越高,墙体的水分含量越小。图7显示湿高度的增量随着抹灰材料厚度的增加而逐渐减小。图8显示增加抹灰材料厚度有利于降低墙体的水分含量,特别是针对冬季气象条件。此外,增加抹灰材料厚度可以降低气象因素对墙体水分含量的影响。

图7 抹灰材料厚度对湿高度的影响

图8 抹灰材料厚度对水分含量的影响

3.3 抹灰材料密度对其湿高度和墙体水分含量的影响

同样以南昌地区240 mm砖墙为例,墙体结构为普通空心砖加水泥砂浆抹灰材料,水泥砂浆的厚度为20 mm。采用南昌地区气象参数作为输入条件进行计算。不同抹灰材料密度(ρ=1.0、1.5、2.0、2.5 g·cm-3)情况下的抹灰材料的湿高度和墙体系统的水分含量计算结果如图9和图10所示,由图可知,抹灰材料的密度越大,其湿高度越小,墙体水分含量也越低。图9显示湿高度的降低量随着抹灰材料密度的增加而逐渐降低。图10显示增加抹灰材料密度有利于降低墙体的水分含量,同时降低气象因素对墙体水分含量的影响。

图9 抹灰材料密度对湿高度的影响

图10 抹灰材料密度对水分含量的影响

4 结论

本文建立了以墙体湿高度和水分含量来预测墙体抹灰材料效果的模型,并通过模拟计算得到以下结论:

1)通过对南昌地区240 mm砖墙墙体湿高度和水分含量进行计算对比,结果表明预混的防潮水泥的效果要优于普通水泥砂浆。

2)由参数分析结果可以得到,在其他参数相同的情况下,抹灰材料吸水率增加,湿高度和墙体水分含量同时增加;抹灰材料厚度增加,其湿高度增加,墙体水分含量降低;抹灰材料密度增加,其湿高度降低,墙体水分含量也降低。