一种建筑材料湿物性参数检测方法

1.本发明涉及建筑材料性能技术领域，具体涉及一种建筑材料湿物性参数检测方法。


背景技术：

2.建筑材料的湿物性参数，主要是指建筑材料在面对潮湿环境情况吸湿(包括水蒸气和液态水)和面对干燥环境情景放湿的相关性能参数。其中，用于体现材料吸放湿性能的等温吸放湿曲线和水蒸气渗透系数是材料最为重要的两个基本湿物性参数。等温吸放湿曲线表征了材料在不同相对湿度环境下的储存湿能力；水蒸气渗透系数则表征了材料传递水蒸气的能力。在建筑材料研发和生产时，往往需要对这两种性能进行检测。
3.关于等温吸放湿曲线，通常采用平衡吸放湿实验确定。具体地说，在某一温度下材料与环境达到吸放湿平衡状态时材料的含湿量称之为平衡含湿量 u，kg/kg。若保持温度不变，将干燥的材料暴露在不同相对湿度的空气下，可得到材料在不同湿度下的平衡含湿量。以相对湿度为横坐标，以平衡含湿量为纵坐标，将材料在吸湿过程中得到的不同湿度下的平衡含湿量散点连接形成平滑曲线，即为等温吸湿曲线，如图1所示。与吸湿过程相反，当材料暴露在比起始状态更低的相对湿度环境中时，材料则会逐渐放湿直至达到平衡含湿量。类似的，等温放湿曲线描述了材料在放湿过程中的平衡含湿量与空气相对湿度的关系。一般来说，由于毛细滞后现象，在一定的温湿度下材料的吸湿平衡含湿量会小于放湿平衡含湿量。大多数材料毛细滞后现象不明显，所以经常将等温吸湿曲线和等温放湿曲线近似看作一条曲线，或者只测试其等温吸湿曲线。
4.另外，将平衡含湿量与相对湿度的导数(即)称之为比湿容，用ξ表示，单位为kg/(kg
·
％)。
5.平衡吸放湿实验，如图2所示，测试过程大致如下：先将材料试件1进行干燥处理，测得其完全干燥状态时的重量m
dry
(kg)。将材料试件1放置在盛有饱和盐溶液2控制湿度的密闭容器3中的多孔隔板4上。室温下常见饱和盐溶液与相应的控制湿度见表1。
6.表1.室内下常见湿度溶液对照表
7.溶液cacl2liclmgcl2k2co3mg(no3)2naclkclkno3k2so4湿度0％11.3％38.2％43.2％53.5％75.4％84.7％94.0％97.4％
8.待试件达到湿平衡后称其重量。以吸湿为例，将干燥试件放入密闭容器后，一般在吸湿开始的第五周后开始对试件进行称重，精确到1mg。当间隔24小时以上的连续3次称重结果不呈现单调变化，且标准差小于平均值的0.1％时，则认为试件达到湿平衡。不同相对湿度下，试件的重量记为(kg)。不同相对湿度下的平衡含湿量(kg/kg，％)可通过以下式子计算：
[0009][0010]
实验详细过程可参见国际标准iso12571:2021和美国标准astmc1498-04a(2016)。对材料从低湿环境放到高湿环境测得的系列平衡含湿量进行拟合，得到的曲线即为等温吸湿曲线；而对材料进行放湿测试，可得到等温放湿曲线。常规的平衡吸放湿实验需要数周或者数月，有的材料甚至要达到数年材料才能达到平衡。
[0011]
关于水蒸气渗透系数，通常采用水蒸气渗透实验确定。在单位水蒸气分压力梯度作用下，单位时间内透过单位面积材料的水蒸气质量称之为水蒸气渗透系数δ
p
(kg/(m
·s·
pa))。水蒸气渗透实验的原理是在试件两侧营造稳定的湿度环境以控制两侧的水蒸气分压力，通过测量单位时间内透过试件的水蒸气量，进而计算水蒸气渗透系数。实验方法大致如下：如图3所示，先用铝箔将形状规整的矩形或圆柱形块状的试件1的侧面进行封边处理，并用密封胶或环氧树脂将试件封装在第一密闭容器2的口部，使水蒸气进行沿厚度方向的一维传递，其中试件厚度为h(m)，横截面积为a(m2)。第一密闭容器内盛有第一饱和盐溶液或干燥剂3，以控制内部的湿度(％)。将封装好的试件1及其第一密闭容器2放置于另一个更大的第二封闭容器4内的多孔隔板6上。该第二封闭容器4内安装有小风扇5，并在测试过程中持续运行。第二密闭容器4也通过盛装第二干燥剂或饱和盐溶液7控制其内部湿度(％)。试件两侧相对湿度至少应包括0％/(40％～50％)和(40％～50％)/(80％～98％)两组。由于试件内外水蒸气压力差的存在，试件内将发生水蒸气传递。每隔一段时间对密封容器1(包括试件及其内部溶液或干燥剂)称重，得到在该时刻的总重量m
total
(t)，kg。当连续7次以上的重量变化成线性时可停止实验。
[0012]
更加详细的实验过程可参见国际标准iso12572:2016和美国标准astme96/e96m-21。通过线性拟合得到质量变化的速率即水蒸气湿流速率gv(kg/s)。线性拟合的判定系数不应低于0.99。
[0013]
水蒸气渗透系数可通过如下式子计算：
[0014][0015]rv
＝r
total-r
air
(3)
[0016][0017][0018][0019][0020]
其中rv为试件的水蒸气传递阻力，单位m2·s·
pa/kg；r
total
为试样及装置内部空
气层的水蒸气传递总阻力，单位m2·s·
pa/kg；r
air
为装置内部的水蒸气传递阻力，单位m2·s·
pa/kg；h
air
为装置内部空气层厚度，单位m；δ
p，air
为静止空气层的水蒸气渗透系数，单位kg/(m
·s·
pa)；δp为水蒸气分压力差，单位pa；p
sat
为该温度下的饱和水蒸气压力，单位pa；gv为水蒸气湿流密度，单位kg/(m2·
s)。
[0021]
以两容器内的相对湿度平均值为横坐标，以水蒸气渗透系数为纵坐标，将不同湿度环境下的材料水蒸气渗透系数散点连接成平滑的曲线，通过拟合得到整个湿度区间的水蒸气渗透系数，如图4所示。水蒸气渗透系数实验一般需要数周时间。
[0022]
故现有技术中，材料的等温吸放湿曲线和水蒸气渗透系数的常规测试方法是彼此独立的，存在操作复杂，费时耗力的缺陷。故如何能够简化检测操作过程，节省时间和降低检测难度，提高检测效率，成为本领域技术人员有待进一步考虑解决的问题。


技术实现要素：

[0023]
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种能够简化检测操作过程，节省时间和降低检测难度，提高检测效率的建筑材料湿物性参数检测方法。
[0024]
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
[0025]
一种建筑材料湿物性参数检测方法，其特征在于，在稳定的温度环境下，将在初始环境已达到湿平衡状态的试件放置于另一个稳定的湿度环境中，通过试件质量随时间的变化情况反演出材料在该湿度区间的比湿容和水蒸气渗透系数；然后改变环境湿度情况，通过在不同湿度区间的测试和参数反演，从而得到全湿度区间的等温吸放湿曲线和水蒸气渗透系数。
[0026]
本方法的原理在于，在稳定的温度环境下，可将一定湿度区间内的比湿容ξ和水蒸气渗透系数δ
p
看作常数；在恒温恒湿环境下，水蒸气在材料内的一维扩散情况(材料含湿量变化)具有解析解。结合材料含湿量变化的检测数据及材料含湿量变化的计算方法，采用本方法，可以只依靠一套检测系统和一套检测流程进行检测，然后通过计算和反演的方式，可分别获得全湿度区间的等温吸放湿曲线和水蒸气渗透系数。这样就极大地简化了操作过程，降低了检测难度，提高了检测效率。
[0027]
进一步地，本方法包括以下步骤：
[0028]
a首先对形状规整的矩形块状试件进行侧面封边处理，使得水蒸气仅进行沿厚度方向的一维传递；
[0029]
b在稳定的温度环境下，将试件放置于相对湿度为(％)的环境中，直到材料达到湿平衡状态；检测称重获得试件初始重量m0(kg)；
[0030]
c然后将保持初始湿度的材料放置于同温度下，湿度稳定为(％)的密闭容器中进行连续称重，并记录其在不同时刻的重量m(t)(kg)，将不同时间的重量m(t)减去初始重量m0(kg)，则得到该时刻下的试件的湿气累积量 g
tot
(t)(kg)；
[0031]
d预先检测获得试件的几何尺寸与密度，带入以下湿气累积量公式计算：
[0032]
[0033]
其中d为试件的半厚度，单位m；a为截面积，单位m2；ρ为密度，单位 kg/m3；ξ为比湿容，单位kg/(kg
·
％)；δ
p
为水蒸气渗透系数，单位 kg/(m
·s·
pa)；ω和τ为特征数，γi是方程γtan(γ)＝ω的根；β为试件表面传质系数，单位m/s；p
sat
为该环境温度下的饱和蒸气压力，单位pa；
[0034]
根据预先测量获得的试件的几何尺寸与密度，得到d、a与ρ；根据试验环境控制获得p
sat
和β；通过前述步骤获得的和以及不同时刻对应下的系列实验测得的g
tot
(t)散点数据，即可带入上述公式8，反演获得未知参数ξ和δ
p
；即为该湿度条件下的试件的比湿容和水蒸气渗透系数；
[0035]
e控制试验环境调节封闭容器湿度情况，再重复步骤b-d，获得全湿度区间的ξ和δ
p
，进而得到该试件的等温吸放湿曲线和水蒸气渗透系数。
[0036]
这样，因为矩形块状试件进行了侧面封边处理，使得水蒸气仅进行沿厚度方向的一维传递，在恒温恒湿条件下，试件含湿量的增加(重量的增加) 和水蒸气在试件内的扩散情况满足对应关系，作为本方法得以实现的前提。故通过本方法实现动态测试，可在数天时间内同时得到材料的等温吸放湿曲线和水蒸气渗透系数，大幅度节约了时间和工作量。
[0037]
进一步地，步骤d中，反演过程为，先设定ξ和δ
p
的范围，取ξ和δ
p
的近似值为初始值带入湿气累积量计算公式，计算出对应于实验观测数据中的不同时刻的系列g
tot
(t)；通过最优化算法，在设定范围内不断搜索ξ和δ
p
，迭代计算系列g
tot
(t)以逼近实验观测值，直到搜索到满足精度要求的ξ和δ
p
。
[0038]
这样，采用利用计算机反演的方法得到的ξ和δ
p
可认为是该湿度区间的试件的比湿容和水蒸气渗透系数。具有方便快捷、可靠的优点。
[0039]
进一步地，本方法采用一种建筑材料湿物性参数检测系统实现，所述建筑材料湿物性参数检测系统包括一个带有密封门的封闭容器，封闭容器内一侧搁置有一个敞口容器，敞口容器内置饱和盐溶液，封闭容器内另一侧设置有一个称重器，称重器上表面用于搁置被测试件，封闭容器内还设置有风扇。
[0040]
这样，通过取放敞口容器配置不同的饱和盐溶液可以控制环境湿度调节，通过称重器可以直接检测试件重量变化，通过风扇保证环境湿度均匀稳定。故可以方便快捷地实现上述试验参数采集。
[0041]
进一步地，封闭容器内或外还设置有温度控制装置。
[0042]
这样，可以通过温度控制装置保持稳定的试验温度，保证上述试验的可靠。
[0043]
综上所述，本发明能够采用一套试验设备和检测过程，同时实现材料的等温吸放湿曲线和水蒸气渗透系数检测，具有能够简化检测操作过程，节省时间和降低检测难度，提高检测效率的优点。
附图说明
[0044]
图1为背景技术所述等温吸湿曲线示意图。
[0045]
图2为背景技术所述的平衡吸放湿实验示意图。
[0046]
图3为背景技术所述的水蒸气渗透实验示意图。
[0047]
图4为背景技术所述的水蒸气渗透系数曲线示意图。
[0048]
图5为具体实施方式中，湿气累积量随时间的变化曲线示意图。
[0049]
图6为具体实施方式中，采用的建筑材料湿物性参数检测系统的结构示意图。
具体实施方式
[0050]
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
[0051]
具体实施时：
[0052]
一种建筑材料湿物性参数检测方法，其特点在于，在稳定的温度环境下，将在初始环境已达到湿平衡状态的试件放置于另一个稳定的湿度环境中，通过试件质量随时间的变化情况反演出材料在该湿度区间的比湿容和水蒸气渗透系数；然后改变环境湿度情况，通过在不同湿度区间的测试和参数反演，从而得到全湿度区间的等温吸放湿曲线和水蒸气渗透系数。
[0053]
本方法的原理在于，在稳定的温度环境下，可将一定湿度区间内的比湿容ξ和水蒸气渗透系数δ
p
看作常数；在恒温恒湿环境下，水蒸气在材料内的一维扩散情况(材料含湿量变化)具有解析解。结合材料含湿量变化的检测数据及材料含湿量变化的计算方法，采用本方法，可以只依靠一套检测系统和一套检测流程进行检测，然后通过计算和反演的方式，可分别获得全湿度区间的等温吸放湿曲线和水蒸气渗透系数。这样就极大地简化了操作过程，降低了检测难度，提高了检测效率。
[0054]
具体地说，本方法包括以下步骤：
[0055]
a首先对形状规整的矩形块状试件进行侧面封边处理，使得水蒸气仅进行沿厚度方向的一维传递；
[0056]
b在稳定的温度环境下，将试件放置于相对湿度为(％)的环境中，直到材料达到湿平衡状态；检测称重获得试件初始重量m0(kg)；
[0057]
c然后将保持初始湿度的材料放置于同温度下，湿度稳定为(％)的密闭容器中进行连续称重，并记录其在不同时刻的重量m(t)(kg)，将不同时间的重量m(t)减去初始重量m0(kg)，则得到该时刻下的试件的湿气累积量 gtot(t)(kg)；该湿气累积量随时间的变化参见图5所示。
[0058]
d预先检测获得试件的几何尺寸与密度，带入以下湿气累积量公式计算：
[0059][0060]
其中d为试件的半厚度，单位m；a为截面积，单位m2；ρ为密度，单位 kg/m3；ξ为比湿容，单位kg/(kg
·
％)；δ
p
为水蒸气渗透系数，单位 kg/(m
·s·
pa)；ω和τ为特征数，γi是方程γtan(γ)＝ω的根；β为试件表面传质系数，单位m/s；p
sat
为该环境温度下的饱和蒸气压力，单位pa；
[0061]
根据预先测量获得的试件的几何尺寸与密度，得到d、a与ρ；根据试验环境控制获得p
sat
和β；通过前述步骤获得的和以及不同时刻对应下的系列实验测得的g
tot
(t)散点数据，即可带入上述公式8，反演获得未知参数ξ和δ
p
；即为该湿度条件下的试件的比湿容和水蒸气渗透系数；
[0062]
e控制试验环境调节封闭容器湿度情况，再重复步骤b-d，获得全湿度区间的ξ和δ
p
，进而得到该试件的等温吸放湿曲线和水蒸气渗透系数。
[0063]
这样，因为矩形块状试件进行了侧面封边处理，使得水蒸气仅进行沿厚度方向的一维传递，在恒温恒湿条件下，试件含湿量的增加(重量的增加) 和水蒸气在试件内的扩散情况满足对应关系，作为本方法得以实现的前提。故通过本方法实现动态测试，可在数天时间内同时得到材料的等温吸放湿曲线和水蒸气渗透系数，大幅度节约了时间和工作量。
[0064]
实施时，步骤d中，反演过程为，先设定ξ和δ
p
的范围，取ξ和δ
p
的近似值为初始值带入湿气累积量计算公式，计算出对应于实验观测数据中的不同时刻的系列g
tot
(t)；通过最优化算法，在设定范围内不断搜索ξ和δ
p
，迭代计算系列g
tot
(t)以逼近实验观测值，直到搜索到满足精度要求的ξ和δ
p
。
[0065]
这样，采用利用计算机反演的方法得到的ξ和δ
p
可认为是该湿度区间的试件的比湿容和水蒸气渗透系数。具有方便快捷、可靠的优点。
[0066]
实施时，本方法采用一种建筑材料湿物性参数检测系统实现，所述建筑材料湿物性参数检测系统，参见图6，包括一个带有密封门的封闭容器1，封闭容器1内一侧搁置有一个敞口容器2，敞口容器2内置饱和盐溶液3，封闭容器1内另一侧设置有一个称重器4，称重器4上表面用于搁置被测试件5，封闭容器1内还设置有风扇6。
[0067]
这样，通过取放敞口容器配置不同的饱和盐溶液可以控制环境湿度调节，通过称重器可以直接检测试件重量变化，通过风扇保证环境湿度均匀稳定。故可以方便快捷地实现上述试验参数采集。
[0068]
实施时，封闭容器内或外还设置有温度控制装置7。
[0069]
这样，可以通过温度控制装置保持稳定的试验温度，保证上述试验的可靠。
[0070]
综上所述，本发明能够采用一套试验设备和检测过程，同时实现材料的等温吸放湿曲线和水蒸气渗透系数检测，具有能够简化检测操作过程，节省时间和降低检测难度，提高检测效率的优点。