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博士论文范文:加气混凝土水蒸气传递特性测试方法及其相变 复合材料的基础热物性研究

时间:2022-05-21来源:博士论文

随着我国建筑能耗的日益增长,“建筑节能”是一项势在必行的措施,也是助力实现 “双碳”目标的必要发展战略。建筑围护结构的热湿耦合特性是对其进行热工设计和能耗 分析的基础,而对多孔建筑材料基础热湿物性的准确表征和针对性优化,是指导和实现“建 筑节能”战略措施的关键。 建筑围护结构热湿耦合特性的研究主要存在两个方向。一方面是准确表征多孔建筑材 料的热湿传递特性,为热湿耦合分析提供准确的输入参数。目前热传递特性的表征手段已 趋于成熟,但湿传递特性的表征手段仍在发展中。对于多孔建筑材料中水蒸气的传递而言, 尚缺乏一种高效且准确的瞬态测试方法以表征其传递特性。另一方面则是对热湿调控特性 进行优化。考虑到多孔建筑材料本身具备一定的湿调控能力,需主要对其蓄热特性进行优 化,其主要方式是结合蓄热能力强的相变材料。目前考虑将相变材料与多孔建筑材料结合 的方法中,存在相变材料加载上限低、调温能力有限等问题,且缺乏优化后的材料基础热 传递特性的研究。因此,本文以典型多孔建筑材料——加气混凝土为研究对象,分别针对 热湿传递特性中水蒸气传递的测试方法,以及热湿调控特性中蓄热性能的优化进行研究。 为建筑围护结构热湿耦合特性分析提供指导依据。 首先,本文在考虑了多孔建筑材料吸湿性能的基础上,针对目前的一种水蒸气传递特 性瞬态测试方法做出重要修正。为验证修正后瞬态测试方法的准确性,选取三种不同型号、 四种不同长度的加气混凝土试样分别进行修正前和修正后的瞬态测试,并将得到的水蒸气 扩散系数转化为水蒸气渗透系数后,与标准稳态测试结果进行比较。结果表明,采用修正 前瞬态测试方法得到的“扩散系数”结果会随试样尺寸的增加呈现单调递减的变化规律, 与“水蒸气扩散系数是材料本身特性”的特征相悖。而修正后测试方法得到的结果中,不 同尺寸试样的水蒸气扩散系数及渗透系数的均一性较高,且与标准稳态测试结果有较高的 匹配度。因此,该方法具有进一步推广的潜力,可用于对多孔建筑材料水蒸气传递特性的 规模化测试,有助于为热湿耦合性能的分析提供基础湿物性数据库。 其次,本文通过直接浸渍的方式将加气混凝土与相变材料结合,以对其热湿调控性能 中的蓄热能力进行优化。在对成型后复合材料浸渍效果进行评估的同时,对其热湿耦合性 能中的基础热物性——导热系数和比热进行表征,并基于此评估其蓄热性能。结果表明, 理想的相变材料浸渍质量分数为对应孔隙率材料饱和浸渍质量分数的三分之二,此时复合 III 浙江大学博士学位论文 摘 要 材料蓄热性能的提升幅度可达到 100%,且相变材料不易发生泄漏。 最后,尽管直接浸渍相变材料后加气混凝土的蓄热能力有明显提升,但其部分孔隙被 相变材料占据。因此,本文通过在加气混凝土制备过程中加入相变微胶囊的方式,在结合 加气混凝土与相变材料的基础上,维持加气混凝土原有的高孔隙率特征。同时通过对导热 系数和比热的表征,以评估其蓄热性能。结果表明,相变微胶囊可与铝粉作用,共同促进 孔隙的形成,因此制备得到的相变微胶囊复合加气混凝土孔隙率均高于 50%。在铝粉和相 变微胶囊的质量分数分别为 1%和 3%时,相变复合加气混凝土表现出最好的蓄热性能,且 具有较高的孔隙率和抗压强度,在建筑围护结构领域有较好的应用前景
加气混凝土; 热湿耦合特性; 水蒸气传递特性; 相变材料; 导热系数; 蓄热性能 ;博士论文范文



本片文章为博士论文范文:加气混凝土水蒸气传递特性测试方法及其相变 复合材料的基础热物性研究

1 绪 论
1.1 研究的背景与意义
能源是人们赖以生存的重要物质基础,也是提高人民群众生活水平的先决条件。随着
当代生活水平的提高以及科技的不断进步,人们对能源的需求量也与日俱增[1]。然而由于
化石能源的紧缺以及环境污染的日益严重,人类必须面对能源枯竭、资源耗尽以及气候变
化等一系列问题[2]。习近平总书记于 2020 年 9 月在第 75 届联合国大会上发表的重要讲话
中提出了“双碳”目标,即我国要力争在 2030 年实现碳达峰,2060 年实现碳中和[3]-[4]。
因此,我们需要坚定不移地走绿色、低碳的能源发展之路[5]。2007 年的《中国节能减排系
列报道》中已经指出,建筑能耗已经和交通能耗和工业能耗并列,成为我国三大“能耗大
户”之一[6]-[7]。因此,大力推动节能工作是助力实现“双碳”目标的必要条件。根据“十
三五”期间的经验以及习近平总书记针对“十四五”和实行“双碳”目标期间的指示,在
建筑领域仍需进一步提升建筑节能标准,并大力推广绿色建造工艺和绿色建材,加强超低
能耗和近零能耗建筑示范。
图1.1 2001~2018 年中国建筑运行的一次能耗发展历程[8]
所谓建筑能耗,主要指的是民用建筑的运行能耗,即在民用住宅、办公建筑、学校、
商场、宾馆等非工业建筑内,为使用者或居住者提供采暖、空调、照明以及生活热水等为
了实现建筑应有的各项服务功能所使用的资源[9]-[10]。建筑能耗随着人们在基本生活和工作
中的需求而产生,并且随着经济发展、科技和社会的进步以及人们需求的增加呈现逐年增
1
浙江大学博士学位论文 绪 论
长的趋势[6],[11]。图 1.1 所示为 2001~2018 年我国建筑运行的一次能耗发展历程[8]。2020 年
《中国建筑节能年度发展报告》中的数据显示,我国近 20 年来的建筑能耗总量以及其中
的电力消耗量均呈现大幅增长的趋势[12]。其中在 2018 年,建筑运行的总商品能耗达到了
10 亿吨标准煤,占到了全国能源消费总量的 22%[8]。由此可见,对建筑实施节能措施是非
常有必要的[13]-[14]。
图1.2 各项建筑能耗所占比例
图 1.2 所示为夏热冬冷地区典型建筑能耗的主要组成部分。这些地区具有非常典型且
特殊的气候条件:除夏季和冬季的极端温度之外,还常常面临高达 80%的年平均相对湿度
[13]。这种极端温度和常年高湿的气候条件,以及采用分时、分室的供暖或供冷方式决定了
其建筑能耗的特殊性[15],即供暖空调设备是对室内热湿环境进行调节的主要方式,从而成
为建筑能耗最主要的来源,超过 95%的建筑被划分至“高能耗建筑”的范畴[16]。
因此,“建筑节能”就是指在保证建筑使用者或居住者舒适度的前提下,采用围护结
构节能技术或者控制采暖及空调系统来降低暖通空调设备的使用时间,从而降低总建筑能
耗。不同领域有着不同的实现建筑节能的方法:对于城市规划领域而言,可以通过合理地
规划与设计建筑群来实现节能效果;对于建筑和暖通空调的领域而言,可以通过提高终端
的用能效率来实现节能效果。而建筑热工领域则重点关注建筑围护结构的热工设计,以及
建筑材料本身的性能。合理地选择围护结构材料并对围护结构热湿耦合性能进行研究和优
化,使得所选的建筑材料和所设计的建筑围护结构达到“绿色建材”或者“绿色建筑”的
标准,从建筑围护结构本身的角度出发来提高室内基础热湿环境的舒适度从而延长非暖通
2
浙江大学博士学位论文 绪 论
空调的使用时间,是在建筑热工领域实现“建筑节能”的一种重要的途径。
1.2 建筑围护结构中的热湿耦合特性及其研究方向
1.2.1 多孔建筑材料及加气混凝土
尽管从肉眼上看,建筑围护结构几乎都是实心的,但是实则许多建筑材料,如木材、
砖块、石膏和混凝土等,均为多孔介质,而包括加气混凝土在内的许多多孔建筑材料本身
都具有肉眼可见的孔隙率。混凝土作为世界上第二大生产量的人造材料,被广泛应用于建
筑围护结构中。捷克人 Hofman 于 1889 年首次提出了加气混凝土的制造理念,并通过盐
酸和碳酸钠尝试对加气混凝土进行初步制备;德国人 Grosahe 于 1919 年提出采用金属粉
末作为发泡剂制备加气混凝土,并成功实现了孔隙率的提升;瑞典人 Eriksson 于 1923 年
取得了铝粉作为发泡剂的生产技术和专利,从而确定加气混凝土的基本生产工艺[17]-[18]。
加气混凝土就此被定义为以硅质材料(砂)和钙质材料(水泥)为主要原料,并掺加铝粉
作为发泡剂,经过配料、搅拌、浇筑、切割、蒸压以及养护等工艺过程制成的轻质多孔硅
酸盐制品[18]-[20]。其中铝粉在混凝土的制备过程中起到关键的发泡作用,其发泡量大、发泡
效率高,能够制备出高孔隙率且孔隙率范围广的加气混凝土。同时,广泛的铝粉来源也为
加气混凝土的大规模工业化的生产提供了有利的基础[21]。在 2015 年,我国加气混凝土产
量已达到 4950 万 m3,相当于 2008 年产量的 2 倍;同时,社会房屋对加气混凝土的需求
量也日益增加,截至 2015 年,已经有 40 亿 m2 面积的社会房屋采用加气混凝土进行建造
[22]。以长江中下游夏热冬冷地区典型城市——武汉市和上海市——为例,其年加气混凝土
的平均产量分别超过了 120 万 m3 和 250 万 m3[23],可以看出加气混凝土具有超高的市场需
求率[24]。
包括加气混凝土在内的多孔建筑材料内部均会发生热湿传递和湿积累,且热传递和湿
传递和湿储存之间相互耦合,相互影响,从而形成了多孔建筑围护结构中的热湿耦合传递
[25]-[26]。建筑围护结构的热湿耦合特性决定了其内部和室内的温度和相对湿度随时间和空
间的变化,即基础热湿环境。加气混凝土具有较高的孔隙率和较宽范围的孔径,从而具有
较大的比表面积[27],因此相比于其它多孔建筑材料而言,其热湿传递特性也会体现出一定
的特殊性。而不同类型的多孔建筑材料在孔隙率和孔隙结构等方面的差异,使得其对热量
和湿份的传递和储存能力不同。因此,不同建筑材料组成的建筑围护结构存在不同的热湿
耦合传递性能,从而决定了室内的基础的热湿环境和舒适度,并对所需的建筑能耗产生影
响[28]。
3
浙江大学博士学位论文 绪 论
1.2.2 建筑围护结构的热湿耦合特性及其所需的研究方向
本节以水蒸气传递为主要湿份传递形式的热湿耦合传递为例,推导其热湿耦合传递方
程,其热、湿传递的驱动势分别为温度和水蒸气分压力。根据不可逆热力学原理,在温度
和水蒸气压力两种热力学力的驱动下,耦合质量流的一般方程为[29]-[30]:
J = Y X +Y X (1.1)
j jj j jq q
式中,Yjj 为在质驱动力(水蒸气分压力)Xj 下所产生的质(水蒸气)扩散系数,Yjq 为在热
驱动力 Xq 下所产生的耦合质扩散系数。
同理,耦合热流的方程为[30]:
J = Y X +Y X (1.2)
q qq q qj j
式中,Yqq 为在热驱动力(温度)Xq 下所产生的热扩散系数,Yqj 为在质驱动力 Xq 下所产生
的耦合热扩散系数。
质驱动力 Xj 和热驱动力 Xq 的方程可以通过广义热力学参数中的熵产和相关梯度等进
行建立。根据非平衡态热力学原理,熵产率可以通过热力学流和热力学力的双线性形式表
示[31]:
1 1
( )
s = − J T − J   (1.3)
g 2 q j j T
T T
式中,sg 为熵产率,J/(K·s·m3);Jq 为热流,W/m2;Jj 为质量流,kg/(m2·s);µj 为化学势,
J/kg;T 为热力学温度,K。由式(1.3)可以得出热流和质量流的热力学驱动力分别为[32]:
1
X = − T (1.4)
q 2
T
1
X = − ( ) (1.5)
j j T
T
假设在建筑材料热湿耦合传递过程中,固、液、气态三相存在局部热力学平衡,即三
者的化学势相等[33]。同时假设气相为理想气体,则由工程热力学知识可得[34]:
( ) ( )
d j T = RwvTd ln pv (1.6)
式中,Rwv 为理想气体常数,J/(mol‧K);pv 为水蒸气分压力,Pa.
于是,可以将质量流热力学力进行转化得:
R
X p
= − wv  (1.7) j v
p
v
根据式(1.4)和(1.7)可知,在以水蒸气为主要传递形式的热湿耦合传递中,分别以水蒸
4
浙江大学博士学位论文 绪 论
气分压力和温度作为热、湿传递的驱动势是符合非平衡态热力学原理的。若假设多孔建筑
材料孔隙分布均匀,根据斐克定律可以得出建筑材料内部水蒸气的传递量为[35]:
  
p
J = − p = −
v
v p v p
x (1.8)
同时可以得出材料内部湿份的质量守恒方程:
= −  =    
u J p
 v  v
    p  
t x x x (1.9)
式中,ρ 为材料的容积密度,kg/m3;u 为材料的质量含湿量,kg/kg;δp 为水蒸气渗透系数,
kg/(m‧Pa‧s)。此处表明,用材料的含湿量作为水蒸气传递的驱动势也是合理的。
由此,我们可推导出多孔材料内部的水蒸气传递方程,如下式所示[36]:
=   +   =     +   +   
p p u p T p p  p T
v v v vs v vs
 p 
              
t u t T t x x T T t
p vs (1.10)
式中,ξ 为材料平衡吸湿曲线的斜率,可以理解为材料的湿容,kg/kg。
热量传递方程可由傅里叶定律和热量守恒方程导出,如下式所示[37]:
  =    
c k
T T
p     
 t x xp      (1.11)
式中,k 为材料的导热系数,W/(m‧K);cp 为材料的定压比热,J/(kg‧K)。而当材料导热系
数为定值时,则可得到:

T T
2

t x
2 (1.12)
式中,α 为材料的热扩散系数,m2/s。
式(1.10)和式(1.11)或式(1.12)共同构成了一个仅考虑一维方向上水蒸气的传递的热湿
耦合传递模型。在这个热湿耦合的模型中存在一些关键的热湿物性,包括热湿传递特性(导
热系数 k、热扩散系数 α、水蒸气渗透系数 δp)以及热湿储存及调控特性(比热 cp,水蒸
气平衡吸湿曲线 u、材料的湿容 ξ)。其中,热湿传递物性即代表了围护结构的保温保湿等
性能[41],决定了建筑围护结构内外温湿度的差异;而热湿储存特性代表了围护结构本身对
室内热湿环境进行调节的能力,相当于热湿调控特性。
国内外的许多研究学者针对建筑围护结构材料中的热湿耦合传递展开了大量的研究,
包括采用理论分析、实验测试和数值模拟等手段对建筑围护结构的热湿环境进行了模拟
[38]-[41],而多孔建筑材料本身的性质,包括基础热湿物性参数,也是对建筑围护结构的热湿
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浙江大学博士学位论文 绪 论
耦合特性研究的关键参数。因此,对这些基础热湿物性的研究和优化,是对建筑围护结构
热湿耦合传递进行分析和改善的基础。其中涉及到两个主要的研究方向:对热湿传递物性
的表征以及对热湿调控性能的优化。
1.2.3 多孔建筑材料热湿传递性能概述
多孔材料与非多孔材料热量的储存和传递过程差异不大,均是基于傅里叶定律并由温
度梯度进行驱动。因此,近些年国内外学者对多孔建筑材料热传递物性的研究已趋于成熟
[26],且针对建筑材料的主要热物性均有标准的测试方法和测试仪器,其中导热系数的测试
方法和仪器包括稳态热流法[41]、防护热板法[43]和热线法[44],以及基于瞬态法的瞬态平面热
源法[45]-[47]等。
类似地,湿份传递的驱动势的导致了湿份在多孔材料内部的传递。但相比于非多孔材
料而言,多孔材料内部湿份传递的过程特殊且复杂。多孔材料中的湿份包括液态水和水蒸
气,而水蒸气传递的驱动势是水蒸气的分压力差或者浓度差。水蒸气的传递主要包括三种
形式:斐克扩散、努森扩散和表面扩散。其中,最常见的扩散方式即为斐克扩散,其表达
形式如下式所示:
C p
q = −D m = −
 v
v,f w p
x x (1.13)
式中,qv,f 表明经斐克扩散而产生的湿流量,kg/s;Dw 为水蒸气扩散系数,m2/s,此时公式
的另一部分为浓度 Cm 的梯度,这里的浓度往往是指含湿量 w;δp 为水蒸气渗透系数,
kg/(m‧Pa‧s),此时公式的另一部分是水蒸气分压力 pv 的梯度;负号表明水蒸气是从含湿量
或水蒸气分压力高的方向往低的方向进行扩散。水蒸气渗透系数和扩散系数的定义并不完
全相同:水蒸气渗透系数是指单位厚度的物体在单位水蒸气分压力(即相对湿度)梯度下,
在单位时间内通过单位面积的水蒸气量,而水蒸气扩散系数则是指单位浓度(含湿量)梯
度下,在单位时间内通过单位面积的水蒸气量。二者所具有的驱动势和代表的意义均不相
同:在等温条件下,水蒸气分压力仅与相对湿度或水蒸气密度相关,因此水蒸气渗透系数
δp 仅能够代表材料的传湿能力;但浓度或含湿量在一定程度上还代表了多孔材料内部的储
湿特性,因此水蒸气扩散系数 Dw 可以同时表征材料的传湿特性和储湿能力。
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浙江大学博士学位论文 绪 论
图1.3 (a) 斐克扩散和(b) 努森扩散示意图
斐克扩散适用于多孔材料的孔径大于水蒸气分子的平均碰撞程的情况,以保证水分子
在孔隙中不会与壁面发生太多次碰撞,如图 1.3(a)所示。而当多孔材料的孔径小于水分子
的平均碰撞程时,水分子便可在孔隙中发生多次碰撞,此时的扩散则需要通过努森扩散来
描述,如图 1.3(b)所示。努森数 NK 则通过下式进行定义:
N
K l
= (1.14)
2r
式中,lm 为水蒸气分子碰撞的平均自由程,m。当水蒸气分子碰撞的平均自由程一定时,
孔径越大,努森数越小。当努森数远小于 1 时,水蒸气的扩散则以斐克扩散主导;相反,
当孔径足够小时,努森数大于 1,则水蒸气分子与孔壁面的碰撞会主导水蒸气的扩散,即
努森扩散[48]。水蒸气分子碰撞的平均自由程约为 100 nm,而水分子的平均直径约为 0.3 nm,
因此一般来说,水蒸气在半径 1 nm 左右的孔隙中进行传递时,才会受到水分子和壁面碰
撞的强烈影响,从而使得努森扩散占据主导。对于加气混凝土而言,几乎没有孔径为 1 nm
的孔[49]-[50],因此可以忽略努森扩散,认为水蒸气扩散是以斐克扩散为主导。
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浙江大学博士学位论文 绪 论
图1.4 表面扩散示意图
除斐克扩散和努森扩散之外,多孔材料中的水蒸气还有一种传递方式,即表面扩散。
这是一种存在于较大孔隙中的传递现象:水蒸气以多层吸附的形式进行传递时,外层的水
分子并不像内层的水分子一样紧紧相连,而是会倾向于向较少水分子层处移动。与斐克扩
散和努森扩散不同的是,基于表面扩散的方式进行的水蒸气传递实际上是由水蒸气的质量
密度进行驱动,如图 1.4 所示。在图中 B 和 C 两种条件下,材料内部除进行正常的斐克扩
散或毛细冷凝之外,由于水分子层厚度之间的差异从而产生的局部水蒸气密度差,导致了
水分子从多层向少层进行移动[48],[51]-[57]。由于表面扩散涉及到的机理过于复杂,难以通过
宏观手段进行表征,且并不占据主导地位,因此在实际对水蒸气的传递进行研究的时候,
往往不考虑表面扩散带来的影响。
式(1.13)中为我们提供了表征水蒸气扩散的物性参数,包括水蒸气渗透系数和水蒸气
扩散系数,二者的驱动势和物理意义不完全相同。单纯表征水蒸气传递能力的水蒸气渗透
系数 δp 具有标准的测试方法——基于稳态杯式法的蒸汽渗透实验[58]-[59]。而同时表征水蒸
气传递能力和储存能力的水蒸气扩散系数 Dw 则尚无标准的测试方法,但可通过水蒸气渗
透系数 δp 结合平衡吸湿曲线 u 进行转化:
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浙江大学博士学位论文 绪 论
D
w p
1
= p vs 
 u
(1.15)
式中,pvs 为饱和水蒸气分压力,Pa;φ 为相对湿度,%RH。式(1.15)的推导过程将在第三
章中详细介绍。
随着相对湿度的进一步提升,多孔建筑材料内部逐渐发生毛细冷凝以及液态水的流动,
即液态水的传递。液态水吸收系数 Acap 是表征液态水传递能力之一的湿物性,其标准的测
量方法为毛细吸水法[60]。液态水的传递特性可通过液态水扩散系数 Dl 进行表征,与水蒸
气扩散系数相同,液态水扩散系数的主要控制变量也为液态水含湿量。传递方程的基本形
式如下[61]:
w =   w 
l l
D
 t x x   l  (1.16)
式中,w 为材料的体积含湿量,kg/m3。
相比于热传递物性的测试而言,针对湿传递物性的表征手段并未发展至成熟阶段。尽
管上述方程中涉及到的水蒸气渗透系数有标准的测试方法,但是由于湿传递的过程极为缓
慢,以标准的测试方法进行测量往往需要等待足够长的时间使湿传递达到稳态,因此测试
时间长、测试效率低,且没有对其进行直接测量的商业仪器。测试方法的不成熟导致了湿
传递物性数据库的不完善,因此在实际对建筑围护结构热湿耦合性能的研究中,往往需在
模型中对湿传递的过程进行不同程度的假设或简化,从而不可避免地会引起一些误差,不
利于建筑围护结构热湿耦合性能的研究。因此,针对湿传递特性的快速、准确的表征方法
研究应是目前对热湿耦合性能研究的发展方向之一。
1.2.4 多孔建筑材料热湿调控性能概述
除湿份的传递外,多孔建筑材料的孔隙也为湿份的储存提供了空间,其对湿份的储存
过程也有别于非多孔材料。储湿过程大致可以根据相对湿度分为三个阶段:吸湿阶段、毛
细吸湿阶段和超湿阶段[53]。吸湿阶段为对水蒸气进行吸附的阶段,又分为单层水分子吸附
阶段、多层水分子吸附阶段和毛细冷凝阶段。图 1.5 所示为典型多孔建筑材料储湿过程随
相对湿度变化的示意图,基于加气混凝土的储湿过程进行绘制[49]。
A 阶段为水分子的单层吸附阶段,意味着水分子主要以单层吸附的形式储存在开孔孔
隙的表面。由于水分子的极性强度较高,因此单层吸附的吸附力是很强的;并且对于比表
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浙江大学博士学位论文 绪 论
面积较高的多孔材料而言,完成单层吸附时已经储存了相当一部分的水蒸气,而加气混凝
土正是这一类多孔建筑材料,因此其 A 阶段的吸放湿曲线的斜率较高。
B 阶段为水分子的多层吸附阶段,在该阶段,空气中的水分子会被吸附叠加至 A 阶段
所形成的单层水分子的上层。但是由于后续水分子层的约束力越来越小,且水分子倾向于
从较多层水分子一侧向较少层水分子一侧迁移,使得水分子很难积累到特别厚的程度,且
迁移过程中容易导致自由水分子数增加。因此该阶段的吸湿速率不如 A 阶段,吸湿曲线的
斜率逐渐放缓。
C 阶段为毛细冷凝阶段,在该阶段,水分子一般已经形成了多层吸附,并且开始相互
连接、相互作用。根据 Lord Thompson-Kelvin 的热力学方程可知,此时在非常小的孔隙中
已经开始出现毛细冷凝现象,从而直接在建筑材料中产生液态水[54]。Kelvin 方程描述的是
水蒸气分压 pv 与毛细压力 Pcap 的关系:
  −  
P
2 cos
ln =
cap
 
p r R T
 
v wet wv (1.13)
式中,ρwet 为湿润相(即湿份)的密度,kg/m3;σ 为表面张力,N/m;θ 为液相水分子与毛
细管壁间的夹角,°;。在达到平衡时,水蒸气的分压力与空气中水蒸气的饱和分压力 pvs 相
等,则式(1.13)左边括号中所描述的毛细压力与空气中水蒸气的饱和分压力的比值可转化
为相对湿度。在此条件下,将式(1.13)进行转化后可以得到相对湿度 φ 与孔径 r 的关系式:
ln −2 cos
= (1.14)
r R T
wet wv
从式(1.14)中可以发现,当孔径 r 足够小时,在较小的相对湿度下就可以产生毛细冷凝。例
如相对湿度为 35%时,在 1 nm 的孔中即可率先产生毛细冷凝;但是若要在 10 nm 的孔中
产生毛细冷凝,则需要约 90%的相对湿度。因此,不同的材料具有不同的毛细冷凝段的吸
湿曲线,图 1.5 中吸湿阶段曲线的形状也因材料而异:对于硅酸钙板而言,由于其内部存
在大量孔径小于 10 nm 的孔[55],因此在中湿度段(30~60%),其内部便会发生大量的毛细
冷凝现象,因此它的吸湿曲线在中湿度段便具有较高的斜率。而对于本文的主要研究对象
——加气混凝土而言,尽管其孔隙率较高,但是几乎没有孔径为 1 nm 的孔,孔径为 10 nm
的孔也只是占少数[49]-[50],[56],因此加气混凝土发生毛细冷凝的相对湿度约为 80%,其吸湿
曲线在 B 阶段的斜率较缓。
10
浙江大学博士学位论文 绪 论
图1.5 多孔建筑材料的储湿过程示意图(以加气混凝土为例)
吸湿阶段会一直持续到接近约 98.9%的相对湿度。在该相对湿度下,几乎所有的多孔
建筑材料内部都会产生毛细冷凝现象,此时多孔材料达到临界含湿量 wcrit,并进入 D 阶段
所示的毛细吸水阶段。而 E 阶段所示的超湿阶段为吸湿斜率为无限大的阶段,此时相对湿
度已经无法再进一步增加,但仍可通过施加某种外力(如高压条件)使得更多的湿份进入
孔隙当中。
可以发现,多孔材料的储湿特性为其内部湿份的积累和消散提供了缓冲时间,使得多
孔材料本身具备一定的湿调控能力,并与材料自身孔隙率和孔隙结构密切相关。而加气混
凝土存在孔隙率高和孔径分布范围广的特点,因此也具有较高的湿容和调湿能力,能够帮
助建筑围护结构实现湿调控。但是多孔建筑材料自身并不具有蓄热能力,因此在面临夏热
冬冷地区温度波动大的气候条件时,自身无法帮助建筑围护结构实现热调控。与具有良好
蓄热特性的相变材料结合是优化多孔建筑材料蓄热特性的最好方式。该方式可以充分利用
相变材料相变潜热高以及相变过程近似恒温等特点,对室内热量进行更加充分的存储和释
放,从而提高建筑围护结构的蓄热能力,有效减小室内温度波动,优化建筑围护结构的热
湿耦合传递性能,减小建筑能耗[48]。
早在 1991 年,便有学者提出将相变材料与建筑围护结构进行结合的想法:他们提出
将相变材料与建筑墙体进行结合从而形成“相变墙”,并得出“利用相变潜热的优势对热
量进行储存是一种对显热储存很好的替代方式”的结论[62]。这也是最早对相变材料与建筑
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浙江大学博士学位论文 绪 论
围护结构进行结合的尝试。在这之后的学者逐渐尝试采用不同的方式将相变材料与建筑围
护结构进行结合,主要采用的结合手段大体可分为三类:直接浸渍法、骨料浸渍法和微胶
囊/骨架封装法。直接浸渍法即直接将液态的相变材料吸附进入多孔建筑材料的孔隙中,需
在材料成型之后进行操作。骨料浸渍法则是将相变材料浸渍或混合至一些建筑材料基体骨
料(如硅藻土、膨胀珍珠岩和膨胀蛭石等)的孔隙中,在建筑材料的制备过程中加入,从
而制备得到相变复合建筑材料。相变微胶囊或骨架封装法则是首先将相变材料封装至相变
微胶囊或者其它定型的骨架当中,同样在建筑材料的制备过程中加入,待材料成型之后,
相变微胶囊或含有相变材料的骨架即作为建筑材料骨架的一部分。由于加气混凝土并不存
在能够大量填充相变材料的基础骨料,故直接浸渍法和微胶囊封装法是适用于加气混凝土
的。综上所述,将相变材料与加气混凝土结合以优化其调温性能是一种可行的对热湿耦合
性能进行优化的方式,也是目前对热湿耦合传递特性研究的发展方向之一。
1.3 国内外研究现状总结
1.3.1 多孔建筑材料水蒸气传递特性测试的研究现状
目前针对多孔建筑材料水蒸气传递特性的标准测试方法是对水蒸气渗透系数进行测
试的杯式法[58]-[59]。水蒸气扩散系数尚未形成标准的测试方法。但是对渗透系数测试的标
准杯式法存在测试效率低等缺点,这是由于需要等到试样内部的湿传递达到稳态之后再开
始对数据进行记录,因此整个实验过程往往耗时较长,获取一点实验数据需 2~3 周的时间,
获取一组数据往往需要耗时数月[13],[48],因此不利于大规模且完整地建立多孔建筑材料水
蒸气传递特性数据库,也不利于对建筑围护结构热湿耦合特性的分析提供完整的基础数据
参考。Toas 等[63]于 1985 年进行的水蒸气渗透性能的循环测试的研究表明,不同团队之间
获得的实验结果之间存在较大的偏差,且有 75%左右的团队认为,以他们当时的条件对水
蒸气渗透系数进行准确的测量是有一定的困难的。2020 年,以 Feng 等[64]为首的 8 个单位
针对陶瓷砖进行了水蒸气渗透性能以及部分其它物性的循环实验。其中就如图 1.6 所示的
水蒸气渗透系数的杯式法实验所获得的结果而言,不同的实验室之间的第一轮测试结果之
间存在较大的差异。即使在第二轮的循环实验当中严格拟定了实验操作的流程,结果中仍
然存在可观的偏差。从各个实验室数据的误差棒中看出,不同实验室的数据之间仍存在可
观的偏差。这种偏差并未存在于他们所测得的其它物性的结果中,他们对材料的容积密度、
孔隙率、毛细吸水系数和毛细饱和含湿量进行测试所得到的结果之间的一致性均较好。但
是从每个数据点的误差棒中可看出,大多数实验室本身测量的水蒸气渗透系数的数据之间
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浙江大学博士学位论文 绪 论
具有较好的重复性,表明不同实验室的环境因素或人为操作等原因会对稳态测试结果造成
一定的影响,但是由于水蒸气渗透系数标准测试方法的测试周期长,进一步将杯式法进行
完善仍需要非常可观时间成本。
图1.6 Feng 等[64]8 个单位于 2020 年对水蒸气渗透系数进行杯式法平行测试的两组结果
有鉴于此,提升水蒸气传递特性的测试效率成为近些年来对水蒸气传递特性测试方法
的研究方向,其中研究方向包括对已有标准方法进行深入研究和改进,或对新的测试方法
进行研制。一种典型的思路是通过对水蒸气渗透系数的标准稳态测试实验装置进行改进,
从而缩短水蒸气渗透系数的测试时间,如 Crimm[65]设计的,并由 Moiser[66]、Chervier[67]和
Alvarez[68]先后进行改进的 ASHRAE FDC 多孔材料水蒸气传递测试装置。该实验装置的基
本思路是通过增加强制对流的方式来缩短杯式法实验中试样内部的水蒸气传递达到稳态
的时间,从而仅需要 4~10 天即可形成水蒸气稳态传递,相比于标准杯式实验需要至少 2~3
周的时间而言,测试时间的确大大缩短。然而在实验中仍然不可避免地会产生可观的实验
误差,且由于无法排除强制对流因素的影响,从而无从判断是否是因为水蒸气自发的传递
从而达到的稳态。因此,在杯式法的标准测试流程基础上强行做出改变从而提高测试效率
并不是一个最优化的选择。对于水蒸气传递特性而言,探寻新的高效测试方法是目前一个
所需的方向。其中包括 Arfvidsson 等[69]搭建的在环境相对湿度阶梯式变化时多孔建筑材料
的质量监测实验台,并根据动态实验数据提出了一种以 Kirchhoff 势为驱动力的计算水蒸
气有效扩散系数的方法,然而该方法并没有解决测试时间长的根本问题,因而并未得到广
泛关注。Delgado 等[70]以石膏板、石膏粉饰、石灰石膏等三种典型多孔建筑材料为对象,
在非稳态等温吸附实验的基础上,分别利用矩方法和混合法计算了不同温度(15℃、25℃、
35℃)下多孔建筑材料的水蒸气有效扩散系数。尽管其实验原理涉及到了非稳态,从而不
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浙江大学博士学位论文 绪 论
需等材料内部的湿传递达到稳态之后即可结束实验,大大缩短了测试时间,但所得的结果
与稳态测试结果相比存在一定的偏差,无法保证实验的重复性和精度。
图1.7 多孔建筑材料水蒸气有效扩散系数瞬态实验装置示意图[71]
可以发现,提升水蒸气传递特性测试效率的一个重要思路是将稳态测试转化为瞬态测
试。基于此思路,捷克学者 Pavlík 等[71]于 2011 年提出通过玻尔兹曼变换求解瞬态一维水
蒸气扩散方程,以得到不同相对湿度下多孔建筑材料水蒸气有效扩散系数的测试方法,实
验装置如图 1.7 所示。该方法的测试思路从最原始的传湿方程出发,通过玻尔兹曼变换进
行求解,从而得到水蒸气扩散系数随相对湿度分布的变化规律,从而在一次测试中就可以
确定水蒸气扩散系数随相对湿度的变化规律,且无需等待传湿到达最后的稳态。该方法的
基本方程如下[71]:
=    
v v
D
 t x x   ρv  (1.19)
式(1.19)中的水蒸气扩散系数是基于水蒸气密度梯度的,因此这里的水蒸气扩散系数
由 Dρv 来表示。通过引入玻尔兹曼常数进行反解之后,可以得到水蒸气扩散系数随水蒸
气密度分布(即相对湿度分布)的变化规律[71]:
1
d

 (1.20) D = x dx
v
ρv   
d dx
x
0
2t v
0
 
 
dx
x
0
式中,t0 为指定测试时间,s。式(1.20)的详细推导过程将在第三章中介绍。
Pavlík 等[71]提出的思路的确解决了测试时间长的问题,且并不存在复杂的实验装置和
实验操作。Yi 等[72]沿用了该测试方法对加气混凝土的水蒸气扩散系数进行了测试,表明该
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浙江大学博士学位论文 绪 论
方法已获得了部分学者的关注,具有推广的潜力。但是 Janssen[73]于 2020 年对式(1.20)提
出了不同的看法,认为其忽略了多孔材料的吸湿性,因此该方程并不能够适用于多孔建筑
材料水蒸气扩散系数的测试。Janssen[73]指出,根据斐克第二定律,水蒸气扩散系数一定是
由含湿量梯度进行驱动,因此方程(1.19)的原始形式应该是:
w =   w
D
   w  
t x x (1.21)
也就是说,该方程的原始形式是基于材料的含湿量梯度,而绝非仅仅是基于材料中的水蒸
气密度梯度。如果想从式(1.21)推导出式(1.19),则最接近的转换方式如下:
  =     
w w
v v
D
 t x x    w   
v v (1.22)
进一步将式(1.22)进行转化后可以得到:
=    
 
 v  v
p
    
t x x
vs p (1.23)
式中,ξ 为材料等温吸湿曲线的斜率,同样可表述为材料的湿容。式(1.19)中的驱动势仍然
只是水蒸气密度而不是含湿量,不会涉及到材料的储湿特性,因此只能通过水蒸气渗透系
数作为主要控制参数。此外,由于没有考虑材料本身的吸湿性能,即材料的湿容 ξ,则式
(1.19)中认为水蒸气的密度(即相对湿度)就是导致材料吸湿的唯一因素。在这样的假设之
下,不同材料的吸湿量则不受材料吸湿性能影响,仅与相对湿度有关。这样的假设对于所
有的多孔建筑材料而言均不成立[56]。
图1.8 易思阳等[13],[72]通过原始瞬态测试方法进行测试后得到的(a) 一组典型“水蒸气扩
散系数”随相对湿度和温度的变化规律和(b) 一组典型“水蒸气扩散系数”与稳态法
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浙江大学博士学位论文 绪 论
转化得到的扩散系数的比较
图1.9 典型多孔建筑材料在不同时刻的含湿量分布[61]
图 1.8(a)所示为 Yi 等[72]沿用该原始测试方法对加气混凝土的“水蒸气扩散系数”进行
了测试得到的部分结果。尽管从结果上看,测试得到的水蒸气扩散系数的数量级和其随温
度的变化趋势均在合理的范围,但是水蒸气扩散系数随相对湿度的变化却体现出了异常的
锯齿状变化趋势,甚至在温度为 25 °C 和 15 °C 时的水蒸气扩散系数并不随相对湿度的增
长而呈现明显则增长趋势。而图 1.8(b)所示为通过该瞬态测试方法得到的一组水蒸气扩散
系数与稳态测试的水蒸气渗透系数转化得到的水蒸气扩散系数进行的比较结果。从结果中
可以发现,尽管瞬态测试方法得到的结果与稳态测试得到的结果匹配度较高,但是实则瞬
态测试得到的是基于水蒸气密度梯度的水蒸气渗透系数,并不能直接拿来与稳态测试转化
得到的水蒸气扩散系数进行比较。因此,这部分结果的准确性尚存在争议。
但是该瞬态测试方法的思路仍值得借鉴,其测得的相对湿度分布仍然有效,可以结合
平衡吸湿曲线转化成含湿量分布,从而推导得出基于含湿量梯度的水蒸气扩散系数[73]。类
似的测试方法曾被 Carmeliet 等[61]应用于对液态水扩散系数的测试当中,而该方法是典型
的非标准湿物性测试方法之一,其基本思路是采用核磁共振的手段表征多孔建筑材料内部
的含湿量(对液态水的传递而言是含水率)分布(如图 1.9 所示),并采用玻尔兹曼变换反
解液态水传递的基本方程,得到液态水扩散系数随含湿量的变化规律。但是该种测试思路
仅仅被应用于液态水的研究领域,尚未扩展至水蒸气传递系数的测试当中。
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浙江大学博士学位论文 绪 论
1.3.2 相变多孔建筑复合材料研究现状
将相变材料与多孔建筑材料进行结合的方法最早由 Hawes 等人[74]在 1992 年提出。他
们尝试用混凝土直接吸附多种相变材料,包括硬脂酸丁酯、十二烷醇、聚乙二醇、石蜡以
及二甲基亚砜等,并对相变复合后的混凝土的蓄热能力、碱性和稳定性进行了研究[75]-[76]。
他们同时也对相变材料的选取进行了讨论,并认为有机相变材料更加具有优势,因为有机
相变材料相比于无机相变材料而言,化学稳定性更好,不存在过冷现象,且有较宽的选择
范围[75]。从结果来看,他们证明了复合相变材料具有更好的蓄热能力。
在此基础上,许多学者开始陆续尝试将不同类型的相变材料浸渍进入不同的建筑材料
当中。1993 年,Hawes 和 Feldman[76]将棕榈酸甲酯与石膏墙板进行结合,并对其蓄热能力
和调温能力进行研究,其结果表明在建筑围护结构中采用该种相变复合墙板的确能够减少
室内温度的波动性。1997 年,Athienitis 等[77]将硬脂酸丁酯与石膏墙板进行结合,其中相
变材料的浸渍量为 7.5 kg/m2。对采用该种相变复合材料的室内调温能力进行了研究发现,
在加入了相变材料之后,白天室内的温度可以降低约 4 °C,因此可以降低建筑的总负荷。
1998 年,Banu 等[78]在墙板中浸渍了硬脂酸丁酯,其浸渍的质量分数为 20%wt.。通过差式
扫描量热法对其蓄热能力进行研究,证明了将相变材料直接与墙板进行结合是一种可行且
有效的提升墙板蓄热能力的方法。2000 年,Hadjieva 等[79]将硫代硫酸钠与混凝土进行结
合,浸渍的质量分数为 61%wt.,并对其蓄热能力和结构稳定性进行了研究。结果发现,相
比于普通的混凝土而言,复合了相变材料的混凝土的蓄热能力提高了 20%左右,且结构稳
定性变得更好,即相变材料的加入非常可观地提高了材料的蓄热能力和结构稳定性。2000
年,Lee 等[80]采用蒸压非加气混凝土作为基体建筑材料,采用直接浸渍法将硬脂酸丁酯和
石蜡与蒸压混凝土进行结合,结合的质量分数分别为 3.9、5.6 和 8.6%wt.。从对浸渍可行
性分析以及对蓄热能力进行研究比较后得到的结果发现,通过浸渍法将相变材料与蒸压混
凝土进行结合是完全可行的。并且当采用石蜡作为相变材料时,其蓄热能力的提升程度要
优于硬脂酸丁酯。2007 年,Lv 等[81]同样采用浸渍法将脂肪酸与墙板进行结合,浸渍的质
量分数为 26%wt.,并对相变复合墙板的相变温度和蓄热能力进行测试。同时搭建模拟房
间,对采用相变材料的墙板的调温能力进行研究,并进行了能耗分析,证明结合了脂肪酸
的墙板能够很有效地减少暖通空调的能耗,并且削弱高峰用电量。可以发现,许多学者证
明通过直接浸渍法制备浸渍相变复合建筑材料的操作流程简便可行。但是囿于建筑材料的
孔隙率,相变材料的加载上限非常有限,因此带来的强化蓄热效果也有限。
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浙江大学博士学位论文 绪 论
采用骨料浸渍法或相变微胶囊结合法制备相变复合多孔建筑材料则相当于将相变材
料封装后与骨架结合在一起,从而不会影响材料实际的孔隙率。骨料浸渍法涉及到的建筑
材料多为水泥、石膏板或者孔隙率较低的混凝土,因为需要足够的骨架成分来支撑浸渍相
变材料的骨料[82]-[90]。而相变微胶囊结构稳定、形状规则且体积较小,将其与建筑材料结合
能够防止循环相变过程中相变材料的泄漏和相变材料与基体建筑材料之间产生化学反应,
因此适用范围更加广泛。2004 年,Markus 等[91]对封装了石蜡的微胶囊加入建筑顶层镶板
中的室内舒适度进行了模拟计算,其中石蜡的质量分数为 25%,也是最早提出采用微胶囊
封装法结合相变材料和建筑材料的学者。2005 年,Xu 等[92]采用定型骨架封装多种相变材
料,并将其用于地板中,同样针对采用这种相变复合地板的室内热环境进行了模拟。2006
年,Zhang 等[93]采用定型骨架封装石蜡,并将其用于地板中,石蜡的质量分数为 80%wt.,
并对该种相变复合地板的热工性能以及采用该种相变复合地板后的室内热环境进行了研
究。2009 年,Li 等[94]将石蜡封装进入微胶囊中后,加入到聚乙烯木粉当中,用于木材的
制备,石蜡的质量分数为 25%wt.,对采用该种木材的房间进行调温性能以及能耗的模拟。
2017 年,Cao 等[95]将石蜡通过微胶囊封装之后,与硅酸盐水泥混凝土进行结合,石蜡的质
量分数分别为 0、0.7、1.3 和 2.7%wt.,并对相变复合混凝土的热工性能进行研究。2017 年,
Ricklef 等[96]将相变材料通过微胶囊封装之后,与水泥浆和水泥胶板进行结合,相变材料的
质量分数为 30%wt.,对相变复合建筑材料的导热系数随水泥浆配比等的变化规律进行了
研究。可以发现,一旦采用微胶囊对相变材料进行封装后,人们的关注点便集中在相变复
合材料的热工性能和调温性能上,而不再关注材料的热稳定性,这足以证明将相变材料封
装至定型的骨架或者是微胶囊当中的确可以有效防止相变材料的泄漏,增加复合材料的稳
定性,但仍然缺乏对热湿耦合性能中基础物性的表征,不利于热湿耦合特性基础物性数据
库的建立。
1.3.3 当前研究现状的不足
针对 1.3.1 和 1.3.2 节中提出其研究现状,目前的研究中仍然存在以下不足之处:
(1) 针对水蒸气传递特性的表征而言,存在一种能提升水蒸气传递系数测试效率的瞬态
测试方法。但该方法没有考虑多孔材料的吸湿性能,因此亟需进行改进验证以将其
进一步推广。
(2) 目前针对多孔建筑材料蓄热性能的优化研究中,受限于材料的孔隙率,通过直接浸
渍法得到的复合加气混凝土中相变材料加载量较低,且存在相变材料的泄漏问题,
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浙江大学博士学位论文 绪 论
其蓄热能力亟待进一步提升。
(3) 目前针对相变微胶囊复合加气混凝土的研究仍然缺乏热湿耦合基础物性的测试表
征,尤其是导热系数或水蒸气传递特性等基础热随相变材料质量分数变化的系统研
究,不利于热湿耦合特性基础物性数据库的建立。
1.4 本文研究内容、技术路线及创新点
1.4.1 本文主要研究内容及技术路线
基于上述分析,本文以加气混凝土为主要研究对象,针对建筑围护结构热湿耦合性能
中湿传递性能的表征方法和热调控性能的优化两方面展开研究。一方面改进了一种高效的
水蒸气传递特性瞬态测试方法,旨在为大规模准确表征加气混凝土的湿传递特性提供指导
依据;另一方面将相变材料与加气混凝土结合,并对其基础热物性及蓄热能力展开研究,
旨在优化加气混凝土的热调控特性,并提供基础热物性数据库。主要研究内容如下:
(1) 对目前的水蒸气传递特性瞬态测试方法做出考虑材料吸湿性能的重要改进。为探寻
改进后测试方法的有效性以及测试结果的合理性,通过对四种不同长度的加气混凝
土分别进行改进前后的测试,并将结果转化为水蒸气渗透系数,与标准稳态测试方
法进行比较。
(2) 通过直接浸渍法制备相变复合加气混凝土,在提高相变材料加载上限的同时强化其
蓄热增强效果。在此基础上,对浸渍相变复合加气混凝土的导热系数、比热和蓄热
系数进行表征,为该种复合材料的热湿耦合性能分析提供基础。同时,建立浸渍相
变复合加气混凝土导热系数分形模型,揭示导热系数的变化机理。
(3) 制备相变微胶囊复合加气混凝土,在优化其蓄热特性的基础上保证其良好的孔隙率。
在此基础上对相变微胶囊复合加气混凝土的导热系数、比热和热惰性进行表征,完
善该种相变复合加气混凝土热湿耦合特性中的基础热物性数据库,并为其未来优化
方向提供指导依据。
基于以上研究内容,本文研究所采用的技术路线如下:
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浙江大学博士学位论文 绪 论
图1.10 本文研究的技术路线
1.4.2 主要贡献与创新点
基于上述研究内容,本文的主要贡献与创新点如下:
(1) 在考虑多孔建筑材料吸湿特性的基础上,提出了一种高效且准确的水蒸气传递系数
瞬态测试方法。为水蒸气传递系数的规模化表征以及多孔建筑材料湿物性数据库的
完善提供支撑,为建筑围护结构的热湿耦合性能分析提供指导依据。
(2) 制备并优化了浸渍相变复合加气混凝土,提高了浸渍相变材料的加载上限,并对其
基础热物性随加载量的变化进行了系统研究。
(3) 制备并得到了具有高孔隙率特征的相变微胶囊复合加气混凝土。对成型后的复合加
气混凝土进行基础热物性以及蓄热能力的表征,为相变复合建筑围护结构的热湿调
控特性分析提供指导依据。
1.5 课题来源
本课题的研究受到国家“十三五”重点研发计划子课题《降低供暖空调用能需求的围
护结构适宜技术及方案》(批准号:2016YFC0700302)、国家自然科学基金项目《面向建筑
围护结构传湿过程的多层多孔介质界面传湿特性与界面湿阻形成的微观机理研究》(批准
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浙江大学博士学位论文 绪 论
号:52076189)、和国家自然科学基金面上项目《夏热冬冷地区居住建筑围护结构的动态
多维热湿耦合传递与节能优化研究》(批准号:51378482)的资助。
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浙江大学博士学位论文 加气混凝土试样的选取和基本物性的表征
2 加气混凝土试样的选取和基本物性的表征
2.1 前言
本文选择典型多孔建筑材料——加气混凝土作为主要研究对象。不同类型的加气混凝
土具有不同的孔隙率、孔隙结构和密度等表观物性,而这些物性对热湿耦合性能以及相变
材料的填充均会产生影响。因此,本章首先对所选取加气混凝土的微观结构、孔隙率、密
度等基础表观物性参数进行系统表征,为后文研究加气混凝土水蒸气的传递特性以及相变
复合材料的热物性变化机理提供必要的理论基础。
2.2 加气混凝土试样的分类和选取
2.2.1 加气混凝土的分类
加气混凝土属于典型的轻质混凝土,即容积重量不超过 1800 N/m3 的混凝土[97],有着
较高的孔隙率和较低的密度。尽管加气混凝土本身不能够被单独应用于承重墙,但是由于
其采用的是薄层砌筑工艺,所以在实际应用过程中的灰缝小,因而能够有效减少墙体的复
合应力[98],从而能够和其它建筑围护结构材料协同,有效增强围护结构的强度和抗震性能,
因此在建筑外墙中层、内墙以及屋顶等非透明的建筑围护结构当中的应用非常广泛。此外,
加气混凝土本身还具有优良的隔热和防火特性,因此在国内外的建筑围护结构中都得到了
大力推广[99]。
根据国家标准 GB 11968-2006[100],可以将目前主流的加气混凝土主要性能指标总结如
表 2.1 所示。加气混凝土也具有多种不同的类型,其本身同样具有不同的分类方式[101]:按
照加气方式进行分类,分为外加气和内发气,其中外加气混凝土即指将泡沫等多孔介质事
先通过机械方式制备好,在混凝土的制备过程中加入,或者在制备的浆料中直接加入引气
剂,通过搅拌产生气泡,从而制备得到泡沫加气混凝土;而内发气混凝土指的是在水泥砂
浆的搅拌阶段就加入化学发气剂(如铝粉),从而在混凝土内部产生气泡,使得浆料体积
膨胀,之后通过养护成型得到自身带孔隙的加气混凝土。而混凝土的养护方式也分为蒸压
养护和非蒸压养护,养护方式对混凝土的强度等性能有着重要的影响,其中工业上大批量
制备加气混凝土多采用蒸压养护。
22
浙江大学博士学位论文 加气混凝土试样的选取和基本物性的表征
表2.1 典型加气混凝土的主要性能指标
项目 单位 技术性能要求
干密度级别 - B03 B04 B05 B06
强度
级别 优等品(A) - A2.5 A5.0
 A1.0 A2.0
优等品(B) - A3.5 A3.5
干密度 优等品(A) ≤300 ≤400 ≤500 ≤600
 kg/m3
优等品(B) ≤325 ≤425 ≤525 ≤625
干燥
收缩值 标准法 ≤0.5
mm/m
快速法 ≤0.8
质量损失 % ≤5.0
抗冻性
冻后
强度 优等品
(A)
优等品
(B) MPa ≥0.8 ≥1.6 ≥2.8 ≥4.0
≥2.0 ≥2.8
导热系数(干态) W/(m‧K) ≤0.10 ≤0.12 ≤0.14 ≤0.16
2.2.2 加气混凝土试样的选取
从表 2.1 中可以看出,不同类型加气混凝土的干密度范围非常宽。同时,其干密度
越大,在干态下的有效导热系数越高。这是因为干密度大的加气混凝土孔隙率较低,从
而孔隙所占的比重较低,因此导热系数更低的干空气所占的比重也较低。本文第三章对
加气混凝土水蒸气传递物性瞬态测试的研究以及第四章对浸渍相变复合加气混凝土热物
性的研究,均是基于型号为 B03、B04 和 B06 级三种加气混凝土展开的,本文中分别表
示为 AAC-300、AAC-400 和 AAC-600,由浙江开元有限公司提供。对于多孔介质而言,
其宏观特性和微观的孔隙结构均对热湿传递有着较大的影响[102]-[103],因此,有必要在针
对热湿传递物性展开研究之前,对所选取的加气混凝土的基本物性进行系统表征。
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浙江大学博士学位论文 作者简历及在学期间所取得的科研成果和奖项
作者简历及在学期间所取得的科研成果和奖项
教育经历
2015.09~至今 浙江大学 工程热物理 工学博士
2019.10~2021.01 KU Leuven Building Physics Section 联合培养博士
获奖情况
序号 获奖年度 获奖奖项 授奖单位
1. 2019 年 公派研究生出国留学资助 国家留学基金管理委员会
2. 2018~2019 学年 优秀研究生 浙江大学
3. 2017~2018 学年 “五好”导学团队奖学金 浙江大学
4. 2015~2016 学年 优秀研究生干部 浙江大学
5. 2015~2016 学年 学业奖学金 浙江大学
科研成果
高水平国际期刊论文:
以第一作者或共同第一作者身份,共发表高水平国际期刊论文 3 篇(均被 SCI 收录),
并有在投论文一篇:
1. Tian S.- Q., Wang K., Fan L.- W., et al., Effects of sample length on the transient
measurement results of water vapor diffusion coefficient of porous building materials: A case
study of autoclave aerated concrete (AAC) with various porosities, International Journal of
Heat and Mass Transfer, 2019, 135: 209−219. (JCR 一区, IF = 4.947), 对应本文第 2、3
章工作.
2. Tian S.- Q., Yu S.- F., Wang X., et al., Experimental determination and fractal modeling of
the effective thermal conductivity of autoclave aerated concrete (AAC) impregnated with
paraffin for improved thermal storage performance, Applied Thermal Engineering, 2019,
163: 114387 (JCR 一区, IF = 4.725), 对应本文第 2、4 章工作.
3. Qu M.- L., Tian S.- Q., Fan L.- W., et al., An experimental investigation and fractal modeling
on the effective thermal conductivity of novel autoclaved aerated concrete (AAC)-based
composites with silica aerogels (SA), Applied Thermal Engineering, 2020, 179: 115770 (共
141
浙江大学博士学位论文 作者简历及在学期间所取得的科研成果和奖项
同第一作者,JCR 一区, IF = 4.725).
4. Shuai-Qi Tian, Li-Wu Fan, Zi-Tao Yu, Jian Ge, Hans Janssen. Correction of “Effects of
sample length on the transient measurement results of water vapor diffusion coefficient of
porous building materials: A case study of autoclave aerated concrete (AAC) with various
porosities”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2022 (JCR 一区, IF = 4.947),
审稿中,对应本文第 3 章工作.
中文核心期刊及会议论文:
以第一作者身份,发表中文核心期刊论文 2 篇(分别被 EI 和北大核心收录)、国际会
议论文 2 篇、国内会议论文 4 篇:
1. 田帅奇, 仉庆宇, 王可, 等. 试样尺寸对水蒸气扩散系数瞬态测试的影响, 浙江大学学
报:工学版, 2018, 52(11):2077-2082. (EI 收录), 对应本文第 2、3 章工作.
2. 田帅奇, 方昕, 俞自涛. 带有空穴子模型的石墨烯气凝胶复合相变材料导热系数的分
形研究. 热科学与技术, 2016, 15(006): 438−443 (北大核心收录).
3. Shuai-Qi Tian, Ming-Liang Qu, Li-Wu Fan, Zi-Tao Yu*, Jian Ge, Thermal conductivity of
autoclave aerated concrete (AAC) composite material containing micro-encapsulated phase
change materials, Paper No. #59. Proceeding of 4th Central European Symposium on
Building Physics, September 2-5, 2019, Prague, Cezch Republic (英文口头汇报), 对应本
文第 5 章工作.
4. Shuai-Qi Tian, Ke Wang, Li-Wu Fan, et al., Transient determination on the water vapor
diffusion coefficient of autoclave aerated concrete: Effects of sample and sensor sizes, Paper
No. IHTC-16 22415. Proceeding of the 16th International Heat Transfer Conference,
August 10-15, 2018, Beijing, China (英文口头汇报及海报展示), 对应本文第 3 章工作.
5. 田帅奇, 王晓, 范利武, 等. 加气混凝土/石蜡复合建筑材料的有效导热系数. 2017 全国
建筑与节能学术会议, 2017 年 10 月 26-27 日, 成都, 对应本文第 4 章工作.
6. 田帅奇, 王鹏程, 仉庆宇, 等. 加气混凝土水蒸气有效扩散系数的稳态实验研究. 高等
学校工程热物理第二十三届全国学术会议, 2017 年 5 月 13-15 日, 成都 (口头汇报), 对
应本文第 3 章工作.
7. 田帅奇, 方昕, 俞自涛. 带有空穴子模型的石墨烯气凝胶复合相变材料导热系数的分
形研究. 高等学校工程热物理第二十二届全国学术会议, 2016 年 5 月 28-31 日, 哈尔滨
(口头汇报).
142
浙江大学博士学位论文 作者简历及在学期间所取得的科研成果和奖项
授权发明专利:
以本人为第一发明人获授权国家发明专利 1 项:
1. 田帅奇, 俞自涛, 范利武, 等.温度梯度下多孔材料水蒸气传递系数测量装置及测量方
法, ZL201810359838.8,2020 年 2 月 28 日授权.
143


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