中国夏热冬暖地区滨海地带跨纬度大、岸线长、岛屿多。多具有日照强烈、高温多雨、风力强劲等特点,特别适合建筑被动蒸发降温技术应用。贴附于建筑外墙外表面的多孔烧结陶片层可依靠吸收的雨水、淋水等水源,通过被动蒸发降低围护结构温度。而环境中普遍存在的盐分,使多孔陶片在吸收液态水时实际面临的是不同浓度的盐溶液。盐液在多孔材料毛细吸水作用下进入材料内部孔隙网络,可能引起材料热湿物性甚至结构耐久性的改变。
以往研究多考虑纯水的吸水蒸发,而工程实际中陶片吸收的大多并非纯水,沿海地区又以盐溶液为特点。曾有学者以3%[1]、3.5%[2-3]以及15%[4]等质量分数的NaCl溶液模拟海水对多孔材料中盐分迁移特性进行研究。其中3.5%质量分数盐溶液因其较接近海水中NaCl浓度,被最多采用,高浓度盐溶液环境也可能出现。伴随着多孔材料反复吸水干燥,其表面附近可能积累可观的结晶盐[5],再次吸水可能导致结晶溶解升高液体浓度。若采用海水进行淋水降温,蒸发失水也可能导致液体浓度上升。不同材料吸水特性受盐分影响效果并不清晰。多孔材料毛细吸水系数(Aw,或简称吸水系数)代表材料在毛细吸水过程第一阶段中的吸水速率。该阶段指纯水及溶液从陶片的一面以一维方向迁移至另一面的过程,表现为材料迅速增重。达到毛细饱和状态后增重速率显著减慢。曾有学者采用石材(孔隙率约3.02%,吸水系数约0.003 kg·m-2·s-1/2)在5%质量分数盐溶液(溶质为97%NaCl和3%CaSO4)中对比纯水中进行吸水实验,并认为石材在两者中吸水系数相同[6]。可见对于致密材料,盐分对吸水系数影响并不大。而多孔烧结陶片孔隙率高(约24.90%),吸水速度快(吸水系数约0.33 kg·m-2·s-1/2),盐分是否影响吸水特性需要得到证明。究其原因,有学者认为是材料吸水特性受孔隙分布以及液体性质的影响。根据Lucas-Washburn公式,容易推导得到一维毛细吸水中吸水系数[7-9]:${{A}_{\text{w}}}\propto \sqrt{\frac{\gamma \cdot \text{cos }\theta }{\mu }}$。其中:γ为液体表面张力,N/m;μ为液体动力粘度,Pa·s;θ为接触角,°。在NaCl水溶液中,温度一定情况下,表面张力、接触角及粘度均随浓度增加而上升[10-11]。而孔道壁接触角随液体浓度变化较难测定。尽管如此,仍认为吸水性(或吸水系数)均发生降低并与(γ/μ)1/2呈线性关系[12]。此外,毛细管中水蒸气分压力亦有一定影响[9]。然而,上述关系仍缺乏广泛材料验证。
笔者将采用多孔烧结陶片在3.5%、26.3%质量分数NaCl溶液以及纯水中进行吸水特性实验。主要考察材料的毛细吸水系数、毛细饱和含水量以及吸水24 h含水率等吸水特性,并浅析液体表面张力与粘度变化对毛细吸水系数影响效果。以此探讨含盐环境下多孔陶片吸水特性的变化。
实验试样为粘土烧结制成的多孔陶片,试样共3件,材料相同。陶片外观呈红褐色,表面粗糙。试样参数如表 1所示,外观及细观肌理如图 1。电镜显示孔隙直径多在1~2 μm以上,属大孔材料;平均孔隙率约为24.90%。采用电子天平(SHIMADZU UX4200H型)进行称重,量程4.2 kg,分度值0.01 g。采用平板玻璃自制水槽,便于实验中观察。吸水过程中试样采用不锈钢支架点支法支承。实验在恒温恒湿房间内进行。
参考国际标准ISO 15148:2002(E)采用部分浸泡法进行实验[13-14]。测试环境保持气温24 ℃±0.3 ℃,相对湿度33%±2%。试件经鼓风干燥箱110 ℃±5 ℃烘干后移入测试环境中降温稳定至恒重。采用不透水且不吸水塑料薄膜封贴试件上表面及四侧边。上表面封贴膜开排气细孔,孔径不大于1 mm,孔距不大于1 cm,四侧边封贴膜下边距试件底边3~5 mm,如图 2所示。
试件底面接触液体开始吸水,液面距试件底面1~2 mm,底部由不锈钢支架点支支承。每达到吸水时间间隔后平稳取出,以相同浓度溶液浸湿海绵擦去底面明水,以电子天平称量,后迅速移回,继续吸水。一次称重耗时约2 s。因试件达到毛细饱和状态速度快,吸水时间间隔在第一吸水阶段为5 s;吸水速率显著下降后,延长至10~30 s;其后30 min、1、8、12、24 h称量试件,一次测试结束。材料从干燥状态开始,前24 h的吸水过程最具代表意义[15],且能代表大多数持续的降雨和淋水时间,因此,一次完整吸水实验时长设为24 h。
数据处理方法如下,对第1阶段线性拟合得到毛细吸水系数(Aw,kg/(m2·s0.5))[13]。
式中:Δmt为t时刻试件单位面积增加的质量,Δmt=(mt-mi)/A;Δm′tf为第1吸水阶段拟合直线上tf时的Δmt值,kg/m2;Δm′0为第1吸水阶段拟合直线交纵轴值,kg/m2;mt为t时间试件质量,kg;mi为试件初始质量,kg;A为吸水面积,m2。
将第2阶段进行线性拟合,拟合直线与第1阶段拟合直线交点纵轴值与试件厚度比,则为毛细饱和含水量(ωcap,kg/m3)[16]。
试件吸水24 h后含水率[17]为
式中:h为试件厚度,m;m0为试样干质量,kg;m24为试样浸水24 h湿质量,kg。
为说明陶片在海水侵袭环境下吸水特性,选择最接近海水中NaCl浓度的3.5%质量分数NaCl溶液模拟海水吸水环境。另一方面,考虑到反复吸盐、干燥陶片表面会累积较多盐分结晶,这部分盐分再次吸水溶解时将提高溶液浓度。为最大可能说明陶片在高浓度溶液中吸水特性,节省测试次数提高经济型,选择了接近饱和的26.3%质量分数NaCl溶液模拟高浓度吸水实验环境。实验方法同纯水吸水实验,温湿度数值保持恒定。盐溶液均采用干燥的实验用NaCl分析纯粉剂及蒸馏水配置溶液。配置工作均在吸水实验标准环境中进行。为避免混淆,“吸水系数”均指对纯水及盐溶液中纯水部分的吸收系数,“吸收系数”则概指对溶液总体的吸收系数。经烘干后验算陶片吸收溶液浓度与配置的浸泡溶液一致。
实验采用3块相同材质多孔砖,在相同环境下进行实验。材料误差(em)以相对标准差(rs)衡量[18-19]。材料误差计算方法为
式中:x为测试值;i为某试样, i∈[1,p];j为某次测试, j∈[1,q]。
实验结果显示,3.5%质量分数溶液比较纯水,提高了毛细吸水系数(Aw),而26.3%质量分数溶液较纯水降低了Aw值。陶片在纯水中吸水系数平均为0.33 kg·m-2·s-1/2,在3.5%质量分数中吸收系数平均为0.40 kg·m-2·s-1/2,在26.3%溶液中平均为0.39 kg·m-2·s-1/2。此外,实际吸收的纯水及两种浓度溶液体积对比,发现3.5%质量分数中吸收体积最大,而26.3%质量分数溶液却比纯水略低。由此可见,当吸收液体中含有溶解态NaCl,陶片吸水增重速率上升,浓度越高上升越大。但将所吸收NaCl溶液按质量浓度算出其中所含纯水,则陶片在低浓度溶液中吸水系数大于纯水,而高浓度溶液中吸水系数低于纯水,如表 2所示。实验后烘干含盐水陶片验证所吸收溶液浓度与浸泡液相同。为考查差异水平,通过ΔAw=$\frac{{{A}_{\text{w}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}}}-{{A}_{\text{w3}\text{.5}}}}{{{A}_{\text{w}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}}}}$×100%对3.5%溶液、26.3%溶液与纯水中吸水系数进行比较,显示陶片吸水系数在3.5% NaCl溶液相比纯水平均高17.57%;在26.3%溶液中相比纯水平均低12.17%,在图 3也可直观看出。若从整个吸水过程看,如图 4,经过24 h材料在3种液体中增重值接近,而实际吸收纯水质量随NaCl浓度降低。因此,可以推测,多孔陶片在第1阶段吸收不同浓度NaCl溶液(或纯水)速率受NaCl溶液浓度影响,低浓度有利于提高吸收速率,近饱和溶液减慢吸收速率;吸收量受陶片孔隙网络影响,和液体质量有关,实际吸收水分随溶液浓度升高而降低。
达到毛细饱和时,材料吸收液体质量依溶液浓度升高而升高,液体体积依次减小,实际吸收纯水质量依次减小。毛细饱和含水量(ωcap)代表多孔砖在毛细吸水阶段结束时吸水量大小。实验结果显示,在达到毛细饱和时,受液体密度影响,溶液盐分浓度越高,陶片增重越大。而考查实际吸收纯水部分,陶片的毛细饱和含水量在3.5%盐溶液中比纯水平均低2.50%(Δωcap=$\frac{{{\omega }_{\text{cap}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}}}-{{\omega }_{\text{cap3}\text{.5}}}}{{{\omega }_{\text{cap}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}}}}$×100%),在26.3%溶液中平均低16.18%,呈线性下降趋势,如图 5所示。可见控制毛细饱和状态的机理较为复杂,而陶片在盐溶液中毛细饱和含水量通过实验确定较为可行。
陶片连续吸水24 h后,吸收纯水量随溶液浓度升高而降低。吸水24 h含水率(W24)代表多孔砖在24 h连续单面吸水条件下含水量质量分数。多孔砖在实际工作中面临自然降雨或人工淋水,但持续时间均难以超过24 h。而多孔砖在进入第2吸水阶段后将长期保持持续缓慢吸水,因此,参考砖材测试国家标准,引入该指标说明材料实际可能最大吸水量。结果显示:陶片W24在3.5%溶液中比纯水平均低3.18%(ΔW24=$\frac{{{W}_{\text{24}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}}}-{{W}_{\text{24,3}\text{.5}}}}{{{W}_{\text{c24}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}}}}$×100%);在26.3%溶液中比纯水平均低20.51%,见图 6。W24与溶液浓度呈线性负相关关系。
毛细吸水系数受液体性质影响。根据推导得到的关系,材料在不同液体中的吸水系数为:${{\left( \frac{\gamma }{\mu } \right)}^{\frac{1}{2}}}=11.368{{A}_{\text{w}}}+4.602\text{ }6({{R}^{2}}=0.618\text{ }2)$趋势。因而,液体性质确实对吸水系数存在影响。而吸水系数在稀盐溶液中较大,造成了上述线性回归式决定系数降低。究其原因,推测是受孔隙壁、孔隙网络自身性质及接触角等因素的影响。此外,陶片在3种液体中所吸收液体总质量显示出接近的趋势,说明孔隙网络所能容纳的液体可能受质量限制。而液体浓度不同造成了陶片实际吸收的水分质量存在差异。
多孔烧结陶片吸水特性作为建筑被动蒸发降温技术的重要组成部分,需要针对滨海环境解决陶片对盐溶液吸收特性不清晰的问题。针对陶片在工程实际中可能面临的情况,采用部分浸泡法,通过一维毛细吸水实验,采集了陶片在纯水、NaCl稀溶液(质量分数3.5%)、接近饱和溶液(质量分数26.3%)中的相关吸水数据,针对毛细吸水系数、毛细饱和含水量、吸水24 h含水率等指标进行考查,并浅析了差异的成因。结果显示:随液体中NaCl浓度上升,受溶液密度影响,多孔砖吸收液体质量略微上升,但同时实际吸收纯水量显著降低。在第1吸水阶段中,低浓度有利于提高吸收速率,近饱和溶液减慢吸收速率。考查陶片对盐溶液中纯水部分的毛细吸水系数,在3.5%溶液中比纯水平均高17.57%,在26.3%溶液中比纯水平均低12.17%;考查毛细饱和含水量,在3.5%溶液中比纯水平均低2.50%,在26.3%溶液中比纯水平均低16.18%,呈线性降低趋势;考查吸水24 h含水量,在3.5%溶液中比纯水中平均低3.18%,在26.3%溶液中比纯水平均低20.51%,呈线性下降趋势。所有实测结果误差在10%以内,较为精确。结果显示,陶片吸水受溶液表面张力和粘度影响。经连续吸水1 d,受多孔陶片孔隙网络运移能力影响,陶片吸收3种液体质量趋近,但受溶液浓度影响,所吸收液体中实际含水量依次降低。
由于多孔烧结陶片在含盐环境中的吸水特性差异,将导致陶片在降雨、淋水等过程中实际含水量发生变化,进而将影响到吸水结束后蒸发率水平。在未来的研究中,针对多盐类环境吸水,多次吸水干燥以及含盐湿空气环境中吸湿等更为细致的实际问题,将展开相应的研究,以期完备对含盐环境中多孔烧结陶片吸水特性的认识。