建筑墙体材料内部水分冻结温度计算模型研究

发布时间：2020-08-22 13:07

【摘要】：建筑墙体的热湿耦合传递特性对建筑能耗、耐久性和室内舒适性有着重要影响,建筑墙体材料是典型的多孔介质材料,由固体骨架和含有水分(气态、液态、固态)和空气的孔隙组成。在严寒和寒冷地区,内部水分会冻结为冰,使得求解建筑墙体热湿耦合传递问题更加复杂。确定墙体材料内部水分是否冻结及含冰量是求解冻结工况热湿耦合传递问题的基础。本文通过理论分析、物理试验和数值模拟计算相结合的方法,研究了建筑墙体材料内部孔径分布,得到了冻结温度和未冻水含量的变化规律,建立并验证了建筑墙体材料内部水分冻结温度计算模型,主要研究成果如下:1)得到了蒸压灰加气、砂加气砌块的孔径分布、累计孔体积和尺寸特征参数。综合利用压汞法、气孔分析法和核磁共振法等现代孔径分析测试技术,完成了材料孔径分布试验,通过对比三种方法得到的孔径分布结果可知,压汞法测孔范围广泛,可以很好的应用于加气混凝土材料。2)建立了以平衡相对湿度为变量的灰加气、砂加气砌块当量孔径计算模型。对灰加气、砂加气砌块的平衡含湿量进行了试验研究,得到了质量含湿量与平衡相对湿度的关系;基于小孔饱和、大孔干燥的孔隙水分布原则,得到了当量孔径与体积含湿量的关系,结合平衡相对湿度与质量含湿量的关系,计算了不同平衡相对湿度下的当量孔径。3)设计搭建了建筑墙体材料冻结温度试验平台,完成了灰加气、砂加气砌块三种含湿状态下的冻结温度试验。结果表明冻结温度随含湿量的下降而下降,其中,毛细饱和状态下,其冻结温度接近0℃;平衡相对湿度0.991时,灰加气砌块冻结温度和最大过冷温度分别为-1.34℃和-2.95℃,砂加气砌块的冻结温度和最大过冷温度分别为-1.79℃和-2.22℃;平衡相对湿度0.942的试样,无明显的冻结温度,但其分别从-6.94℃和-7.06℃起降温明显减缓。4)建立了建筑墙体材料内部水分冻结温度计算模型。基于相平衡和Gibbs-Thomson公式,确定了毛细效应作用下固定孔径内液态水的冻结温度,结合不同平衡相对湿度下的当量孔径计算模型,计算了材料内部水分冻结温度,结果与冻结温度试验值吻合较好;利用模型计算得到了不同负温下灰加气、砂加气砌块的未冻水含量,并与核磁共振法测量的0℃至-20℃的未冻水含量进行了对比,两者具有很好的一致性。5)进行了冻结工况建筑墙体热湿耦合传递特性数值模拟计算,利用建立的冻结温度计算模型,提高了计算的精度;同时针对北京地区各个月份生产的加气混凝土砌块进行了数值模拟计算,得到了其在自然环境下的干燥特性。该论文有图87幅,表23个,参考文献131篇。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU50
【图文】：

4）为设计师进行合理的围护结构设计、墙体构造优化设计、节能优化设计提供支撑，以改善室内舒适性和墙体耐久性，促进建筑节能工作的发展。1.2 冻 结 温 度 试 验 研 究 现 状 (Research Status of FreezingTemperature Test)多孔材料内部水分的冻结温度不同于自由水在标准大气压下为 273.15K，由于建筑墙体材料的多孔特性，液态水分布在孔隙中时，由于水的表面张力导致其表面弯曲，水可以润湿固体壁面，形成毛细上升现象。而液态水呈现出的弯曲界面会产生一个附加压力，这个压力在毛细管中称为毛细压力，会影响液态水的冻结温度。同时，建筑多孔材料的孔隙结构复杂，孔大小不一，其孔根据其连通性又可以分为开孔和闭孔，如图 1-1 所示。Luikov[26]、Dullien、Williams[27]等人已证明，由于水表面张力导致的毛细势的存在，水在多孔介质中总是先充满小孔，然后逐步充满大孔，即相对来说小孔饱和，大孔干燥；但实际水在多孔介质中的分布还存在着大孔吸附水的情况。这些都导致建筑墙体材料内部水分的冻结温度难于确定。

图 1-2 技术路线Figure 1-2 Technical rout当量孔径计算模型、气孔分析法和核磁共振法进行多孔孔隙率、孔径分布和累计孔体积；建筑墙体材料孔隙率和孔径分布的基假定墙体材料在某一平衡相对湿度下，气压力与该平衡相对湿度对应的水蒸径；衡含湿量试验得到不同平衡相对湿度径与体积含湿量的关系，建立当量孔径冻结温度计算模型体材料三种含湿状态下内部水分冻结

图 2-1 各测量方法适用孔径[102]Figure 2-1 Aperture for each measurement method由上图可知，压汞法的测量范围广泛，从纳米级的凝胶孔到毫米级的可见孔都在其测量范围内，优于其他方法。冯弛[103]对加气混凝土进行了压汞试验，指出压汞法所得到的孔隙率数据不准确，这一方面可能是因为外界巨大压力的情况下，内部微孔壁破裂，导致进入一些闭孔内；另一方面是汞浸没样品时，不能识别大孔，二者共同导致孔隙率数据的偏差，但其孔径分布测试的试验结果是较为准确的。压汞法作为现今测量水泥基材料孔径分布最为常用的方法之一，是成熟的测量方法。本章以压汞法为主、同时选用测试毫米级见长的气孔分析法和测试纳米级孔径见长的核磁共振法，三者分别测试蒸压灰加气、砂加气混凝土的孔径分布。2.1.3 压汞试验1）试验原理由于汞对试样不浸润，所以只有对汞施压才能使其侵入试样内部孔隙。把材

【参考文献】

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本文编号：2800724