第1章 多孔建筑材料湿过程基础
除玻璃、金属等少数材料外，大部分建筑材料都是多孔的，其内部或多或少会存在一定水分。理解水蒸气和液态水在多孔建筑材料中的储存和传递过程是测试材料湿物理性质的基础，也是进一步分析建筑围护结构热湿过程和室内热湿环境的前提。本章*先阐释水分对建筑的影响，然后基于**理论，系统介绍水蒸气和液态水在多孔建筑材料中的储存和传递过程，并对常用湿物理性质给出广泛接受的定义，*后对围护结构的热湿耦合传递过程进行简单介绍。
1.1 水分对建筑的影响
水分是自然条件下空气的组成成分之一。人体的健康舒适和建筑的正常使用都要求维持空气一定的相对湿度。《室内空气质量标准》(GB/T 18883—2022)[1]规定：夏季，室内相对湿度应控制在40%～80%；冬季，室内相对湿度应控制在30%～60%。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736—2012)[2]规定：对于人员长期逗留且舒适要求较高的区域，供热工况室内相对湿度应不小于30%，而供冷工况相对湿度应控制在40%～60%。
过度潮湿或过度干燥都会给建筑带来危害，而过度潮湿更常见，其后果也更严重。水分对建筑的破坏在生活中随处可见，如墙体的发霉、起鼓、泛碱和剥落等(图1-1)。除肉眼可见的破坏外，还有一些危害不易被察觉。例如，水蒸气在围护结构内部传递时可能会发生冷凝，导致围护结构内部积累大量水分，进而影响围护结构的热工性能及使用寿命。
图1-1 水分对建筑的破坏
ISO 22185标准[3]就水分对建筑的影响进行了细致的划分。总体而言，水分对建筑的影响主要体现在围护结构和室内环境上。过多的水分不仅会影响围护结构的安全耐久，也会削弱围护结构的热工性能；此外，过高或过低的相对湿度还会影响建筑能耗和室内环境，降低空气品质，危害使用者的身心健康。表1-1概括了水分对建筑的影响。
1.1.1 水分对围护结构的影响
水分对围护结构的影响主要体现在干湿循环、冻融循环、腐蚀、泛碱和热工性能等方面。
干湿循环指建筑材料或围护结构反复干燥、润湿的过程。干缩和湿胀是大多数材料的自然属性，因此建筑材料若长期处于干湿循环的状态下，会交替地膨胀和收缩，从而影响结构的稳定性。竹材和木材的干缩湿胀特性尤为明显[4，5]；膨胀土由于含有大量蒙脱石等亲水性矿物，在干湿变化的环境中也会出现显著的膨胀和收缩[6]；在干湿循环下，混凝土内部变形和湿度的关系也得到了实验验证[7]。除了使材料产生变形外，干湿循环的环境也会加快硫酸盐等有害物质的入侵速率，从而加快材料内部化学反应的速率，使得硫酸盐不断结晶和溶解，进而导致材料产生裂缝，强度逐渐降低[8，9]。已有实验将干湿循环下的硫酸盐侵蚀与单一硫酸盐侵蚀相比较，发现干湿循环下的硫酸盐侵蚀对混凝土的损伤更明显[10]。
冻融循环指材料内部水分处于反复冻结和融化的状态，一般发生在寒冷地区常与水接触的构筑物中。混凝土等建筑材料内部存在大量连通的孔隙，使得水分很容易在毛细压力等因素的作用下进入其中[11]。孔隙中的水分反复冻结和融化会使孔隙不断扩大并进一步贯通，导致构筑物变形、开裂甚至失稳破坏。在冻融循环过程中，如果有盐离子的参与，材料的破坏程度会更加严重[12]。冻融破坏机理可追溯到Collins[13]提出的分层结冰理论，目前公认的两个**理论是Powers先后提出的静水压理论[14]和渗透压理论[15]。此外，临界饱和度理论[16]、结晶压理论[17]和微冰晶理论[18]等也对冻融破坏机理进行了补充。但由于混凝土等多孔建筑材料的冻融破坏过程非常复杂，至今没有一种理论能完美、透彻地对其加以解释。
腐蚀指携带腐蚀性物质的水分进入围护结构并扩散，对建筑材料产生破坏的过程。腐蚀常作用于混凝土和金属材料，是影响建筑物耐久性的重要因素之一。钢筋混凝土的侵蚀介质主要包括SO24和Cl。其中SO24扩散到混凝土内部后与Ca(OH)2等物质反应，生成钙矾石、石膏等结晶物，导致混凝土出现膨胀、开裂甚至泥化现象[19]；Cl?的入侵会破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋表面产生电势差，此时如果钢筋和混凝土界面处的O2和H2O充足，钢筋便会开始锈蚀[20]。干湿循环、冻融循环和腐蚀都会对围护结构产生很大的破坏，且多种因素常常发生耦合作用，使破坏加剧[21-23]。
泛碱是材料中可溶性组分随水分迁移并沉积在建筑表面的现象。泛碱物质的主要成分是Ca(OH)2与CO2反应生成的CaCO3[24]。墙体泛碱后会将原本的装饰涂料等顶起，发生起皮、粉化和剥落等现象。泛碱分为一次泛碱与二次泛碱。一次泛碱多发生于水泥硬化过程中，由砂浆中的水分向外迁移引起，短期即可消失；二次泛碱多发生在建筑的使用过程中，由外界水分入侵引起，较一次泛碱更严重。
水分对围护结构热工性能的影响主要体现在改变材料的热湿物理性质和围护结构的传热过程。液态水的导热系数(常温下约0.059W？m-1？K-1)远大于空气的导热系数(约0.026W？m-1？K-1)，因此当建筑围护结构中发生内部冷凝或出现渗漏等情况时，多孔建筑材料中水分的存在会使其表观导热系数增大[25]，进而增大围护结构的传热系数[26]。同时，材料的密度、比热容和导温系数等物理性质也将随材料含湿量的变化而发生变化。当材料受潮后，其密度和比热容通常会增大，而导温系数可能增大也可能减小，因此水分可使围护结构的热工性能受到综合性削弱[27]。此外，水分在围护结构中发生相变时，吸收或放出的热量也会对围护结构内部的温度分布产生影响，进而影响其传热过程。
1.1.2 水分对室内环境的影响
水分对室内环境的影响主要体现在热湿环境、空气品质、物品使用和潜热负荷等方面。相对湿度是衡量热湿环境的重要指标。一般认为，30%～60%的室内相对湿度对大多数生产生活是较为合适的，也能让人觉得舒适。但在我国南方的梅雨季节，室内相对湿度可能高达80%甚至90%以上；而在我国北方的冬季，由于封闭采暖，室内的相对湿度往往低于20%。此外，人的生活习惯、室内设备的使用等因素也会引起相对湿度变化，使室内过于潮湿或干燥。
室内热湿环境与人的生活和健康密切相关[28]。在干燥的环境中，人会口干舌燥，有时还会皮肤开裂、鼻腔出血，甚至患上呼吸系统疾病。而过于潮湿的环境会抑制人体汗液蒸发，影响体温调节功能，严重影响机体健康。此外，潮湿的空气会加剧低温和高温环境中人体的冷热感觉。因此在高温潮湿的环境(如夏季的“桑拿天”)中，人更易感到闷热难受；而在寒冷潮湿的环境中，人更易感到寒冷难耐，即通常所说的“湿冷”。
潮湿的环境为微生物的生长提供了有利条件。影响霉菌生长的主要因素有温度、湿度、生长基质和暴露时间等[29]。通常来说，温度大于0℃，相对湿度大于80%，且营养物质和氧气充足，便具备了霉菌滋生的基本条件。在适宜温度范围内，随着室温的升高，霉菌滋生临界湿度值逐步降低[30]。霉菌生长会使被其附着的表面变色，形成各色霉斑[31]。墙体表面材料因霉变而损坏甚至脱落，严重影响墙体及其附近家具的使用寿命和美观。接触、吸入和摄入霉菌都会危害人体健康[32]。此外，高温高湿的环境会促进寄生虫滋生[33]，增加患哮喘和鼻炎的风险[34]。相对湿度还能影响建筑材料和家具中挥发性有机物(volatile organic compound，VOC)的散发[35]，其中甲苯和二甲苯等化合物可导致严重的神经症和心脏病[36]。
除上述破坏外，过多的水分还会给室内环境带来很多不容忽视的细节问题。例如，木质门窗吸湿膨胀后，可能无法顺畅开合，并且在使用过程中会产生噪声；室内家具、衣物和文化用品等受潮后，会影响使用体验；电子设备或电线受潮后不仅影响正常使用，还会带来安全隐患；水在窗户上凝结或结冰后会影响视线；地板受潮后容易使人滑倒等。
为将室内的相对湿度维持在一个合理范围内，可以使用调湿材料进行被动调节[37]。调湿材料的使用效果受当地气候、材料种类、使用工况等多种因素的综合影响，调节能力有一定上限，因此也常常使用各种机械设备进行人工除湿或加湿，但这会增加建筑能耗。有学者采用DeST软件对北京和广州两栋相同的办公楼进行能耗模拟，得到两栋建筑的潜热负荷与显热负荷之比分别为1∶7和1∶3[38]；可见在南方潮湿地区，使用设备调节室内环境的相对湿度时，潜热负荷在总负荷中所占比重是比较大的。
随着生活水平的提高，人们对居住环境的要求也越来越高，愈发追求健康、舒适的环境。如前所述，水分对建筑围护结构和室内环境都有重要影响。因此，充分掌握围护结构的热湿过程及其对室内热湿环境的影响，然后对围护结构的热湿过程加以控制和优化，对于提高建筑使用寿命和改善人们的生活环境具有重要意义。在这一分析和优化过程中，建筑材料的湿物理性质是必不可少的基本参数。
1.2 水分在材料中的储存
1.2.1 含湿量
材料中水分的含量称为含湿量(moisture content)。记材料的干重为mdry(kg)，表观体积为Vbulk(m3)，材料中所含水分的质量为mwater(kg)，体积(以液态水计)为Vwater(m3)，则含湿量可以表示为
式中，u、 和w分别表示质量比含湿量(moisture content mass by mass或gravimetric moisture content)、体积比含湿量(moisture content volume by volume或volumetric moisture content)和质量体积比含湿量(moisture content mass by volume)，单位分别为kg？kg-1、m3？m-3和kg？m-3。显然，三者可以通过材料的表观密度(kg？m-3)和液态水的密度(kg？m?3)相互转换：
(1-4)
(1-5)
本书主要使用质量体积比含湿量w。
1.2.2 含湿状态
将干燥的材料放在湿空气中，材料会逐渐吸收水分。*先，材料的开孔将被湿空气填充。以温度为25℃、相对湿度为60%的湿空气为例，其水蒸气含量约为0.014kg？m3。假设某材料的孔隙率为70%，则平衡状态下材料孔隙中水蒸气的含量不到0.01kg？m-3。然而，许多孔隙率远低于70%的材料在此环境条件下的含湿量却可高出2～4个数量级，可见水分在建筑材料中的储存并非以孔隙中的水蒸气为主。
在较低的空气湿度下，水分子会附着在材料的孔隙表面，形成一层单分子膜，此即单分子层吸附过程。若空气湿度较高，则会发生多分子层吸附而形成多分子膜。随着环境湿度的进一步提高，水蒸气可能在孔隙中发生毛细凝结。平衡状态下发生毛细凝结的孔隙半径(r，m)与空气相对湿度( )的关系可用开尔文公式(Kelvin equation)[39]表示：
(1-6)
式中，为液态水的表面张力，N？m-1；Mwater为水的摩尔质量，0.01802kg？mol-1；R为理想气体常数，8.314J？mol-1？K-1；T为热力学温度。
由式(1-6)可知，毛细凝结*先发生在较小的孔隙中。随着空气湿度进一步增大，毛细凝结会逐渐扩展至大孔。当材料含湿量足够大时，液态水将形成连续相，并*终占满所有开孔，使材料达到饱和状态。图1-2为多孔建筑材料的不同含湿状态。
图1-2 多孔建筑材料的不同含湿状态[40]
1.2.3 湿度区间
以相对湿度为横坐标、含湿量为纵坐标，可以绘制材料从干燥到饱和状态的含湿量*线。大多数多孔建筑材料的含湿量*线呈S形。图1-3中，几个临界点将整条*线分成了三段，分别对应三个湿度区间。
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