关于用于估算土质建筑材料水蒸气渗透性的校正因子方法的研究

《Journal of Building Engineering》：A Study on Correction Factor Method for Estimating Water Vapor Permeability in Earthen Building Materials

夯土砖水蒸气渗透性研究：实验验证校正因子方法与曲折度模型适用性

　　

哈比布·贾利利（Habib Jalili）|塔里克·瓦赫比（Tariq Ouahbi）|赛义德·塔伊比（Said Taibi）|萨拉·纳萨尔（Sarah Nassar）|乔安娜·埃德（Joanna Eid）|伊赫拉克·哈姆鲁尼（Ichrak Hamrouni）

法国勒阿弗尔诺曼底大学（Université Le Havre Normandie），诺曼底大学联盟（Normandie Univ），LOMC，UMR 6294 CNRS，76600 勒阿弗尔，法国

摘要

水蒸气渗透性/扩散性是建筑材料的基本属性之一，它影响着建筑围护结构的湿热性能。这一属性在墙体组件的整体湿度管理和耐久性中起着关键作用。EN ISO 12572标准中描述的杯法（cup method）被广泛用于建筑物理学中，用于实验性地测定建筑材料的水蒸气渗透性。然而，这种方法存在一些局限性，包括难以施加广泛的湿度梯度以及实验完成所需的时间较长。本文介绍了使用干杯法和湿杯法获得的实验室结果，这些方法能够覆盖20%至95%相对湿度的广泛湿度梯度范围。本研究选用了压缩土砖（compressed earth bricks）作为参考材料。同时，还利用吸附、解吸和渗透技术测定了材料的保水曲线。这些互补的方法使得能够在广泛的吸力范围内表征材料的湿度平衡状态。因此，评估了修正因子方法（correction factor method），并使用了其关键输入参数（如孔隙率和粘土含量以及保水曲线），并将结果与标准化杯法（standardized cup method）的实验测量结果进行了比较。结果表明，尽管各种迂曲度模型（tortuosity models）能够合理预测水蒸气渗透性，但在应用于孔隙率较高的未固结材料（超过50%）时仍存在局限性。修正因子方法在评估不同吸力水平和饱和度下的土质建筑材料的水蒸气渗透性方面显示出巨大潜力。

引言

在传统建筑材料中，由于土质建筑材料（如压缩土砖、Adobe土、泥砖和夯土）具有公认的环境可持续性和低生态足迹[1]，其使用量逐年增加。这类材料通常具有良好的吸湿性，根据Nordtest方法的MBV分类，其湿度缓冲值（Moisture Buffer Value，MBV）在1-2范围内[2]。实际上，由于固有的水蒸气渗透性和较大的热质量，原始土质材料对调节室内湿热条件起到了重要作用，特别是在夏季气候条件下能有效缓解室内相对湿度的变化[3]。土质建筑材料中的水蒸气吸收或解吸速率会随着环境条件（如温度、压力和湿度）的不同而变化[4],[5]。

材料中积累的水分可能在多种应用中产生不利影响。水分会促进霉菌生长[6]，并破坏聚合物链，从而降低材料强度，还可能导致金属腐蚀[7]。水分还会加速金属的腐蚀过程，引发锈蚀并最终导致结构失效。水分降解机制对包括食品包装[8]、微电子[9]、安全气囊和文化遗产保护[10]在内的多个行业构成挑战。在这种情况下，预先了解材料的吸湿和释气特性不仅有助于选择合适的材料，还能预测其未来的性能。因此，全面理解水分传输（液态和气态水）以及预测长期释气行为是必要的[11]。

水蒸气渗透性（Water Vapor Permeability，WVP）是建筑物理学中的一个关键湿热参数，特别是在湿热传输（热和水分的耦合传输）以及建筑性能分析中[12]。它量化了在恒定温度下，由蒸汽压或相对湿度梯度驱动的水蒸气通过多孔介质的扩散通量[13]。WVP的实验测定主要采用标准化的重量法，通常称为“杯法”（cup tests）[14]。杯法的方法论程序早在六十年前就已确立，并随后被纳入国际标准[15]。尽管历史悠久，但不同实验室之间应用杯法时重现性一直较差。此外，干杯法和湿杯法测试结果之间的误差较大[16],[17],[18]，且在宽湿度梯度范围内获得WVP也存在困难[16],[17],[18]。

近年来，许多研究探讨了作为杯法替代方案的创新和替代方法，例如逆向方法[19],[20]、优化技术[21],[22]、背面法[23],[24]以及修正因子方法[25]。

修正因子方法已广泛应用于非饱和土壤中热和水分耦合传输过程的数值模拟，用于表示土壤多孔介质中的水蒸气扩散性或水蒸气渗透性[26],[27],[28],[29]。由于气相扩散的重要性，一些研究人员试图找到土壤多孔介质中的水蒸气扩散系数与周围空气中水蒸气扩散系数之比，以及土壤介质中的体积空气含量之间的关系[26],[27],[28]。这些研究表明，没有一种单一的关系适用于所有类型的土壤。早期观察表明，根据Fick定律预测的土壤中的水蒸气扩散系数被低估了[30]。因此，提出了温度梯度下水蒸气扩散的增强因子，以解释测量值与预测值之间的差异。基于不可逆热力学原理，Cary[31]提出了一个现象学增强因子来解释土壤中的增强水蒸气扩散现象。后来发现，机械增强因子和现象学增强因子与空气填充的孔隙率和土壤迂曲度因素有关[25]。Cass等人[32]基于实验数据集提出了一个经验模型，考虑了温度依赖性，以表征不同类型土壤（包括沙质和粉质土壤）中的水蒸气扩散。Campbell等人[33],[34]进一步发展了该模型，使其仅依赖于粘土含量、饱和度和孔隙率。

由于土质建筑材料主要是基于土壤的，目前尚不清楚修正因子方法是否已应用于或验证过建筑材料的水蒸气渗透性或水蒸气扩散性的表征。虽然杯法在建筑物理学中得到了广泛应用，也引入了一些新方法，但在广泛的湿度状态下，关于其背后的机制和水蒸气传输的理解仍存在显著的知识空白。

本研究的主要目标是评估修正因子方法及其相关参数在预测土质建筑材料水蒸气渗透性方面的有效性。该修正因子方法基于四个因素：迂曲度、截面积、增强因子和残余因子。本文提出了这样一个简化模型并进行了验证。为了验证这种方法，进行了全面的实验测试，以测量压缩土砖（CEBs）的水蒸气渗透性。实验遵循EN ISO 12572标准，采用了湿杯法和干杯法。同时，还使用控制气候室和渗透法进行了完整的保水实验，以确定土壤饱和度与广泛吸力值之间的关系，并考察了修正因子方法在准确表示土质建筑材料水蒸气渗透性方面的适用性。

方法论

本研究旨在验证修正因子方法在确定土质建筑材料水蒸气渗透性（WVP）方面的适用性和准确性。为此进行了两项实验：(i) 按照EN ISO 12572标准使用标准化测试方法测量水蒸气渗透性；(ii) 使用渗透技术确定土质材料（特别是压缩土砖）的保水行为。

材料信息

在本研究中使用的压缩土砖（CEB），称为CEB Thermbatiterre或CEB Therm，是在法国国家原始土建筑项目（PN Terre）[16]的框架下制造的。该土砖未添加任何添加剂或化学粘合剂。用于生产CEB的土壤取自法国西南部的Graulhet地区，并经过筛分至10毫米粒径。颗粒大小分布（PSD）结果如图2所示。

结果与讨论

结果部分的内容如下：首先，使用蒸汽平衡方法（控制气候室法）和渗透技术获得了压缩土砖（CEB）的实验保水数据。这些保水数据通过van Genuchten模型进行拟合，从而得到了完整的保水曲线和等温线曲线，建立了饱和度、吸力和相对湿度之间的关系。

结论

水蒸气渗透性/扩散性是理解土壤和土质建筑材料中水分传输机制的关键参数。标准实验方法（如EN ISO 12572标准中的干杯法和湿杯法）受到可施加湿度梯度范围的限制。本研究评估了修正因子方法作为估算土质建筑材料水蒸气渗透性的替代方法的有效性。

作者贡献声明

伊赫拉克·哈姆鲁尼（Ichrak Hamrouni）：撰写、审稿与编辑。 乔安娜·埃德（Joanna Eid）：监督。 哈比布·贾利利（Habib Jalili）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法论研究、数据分析、数据整理。 赛义德·塔伊比（Said Taibi）：撰写、审稿与编辑、监督。 塔里克·塔里克·瓦赫比（Tariq Tariq OUAHBI）：撰写、审稿与编辑、监督、方法论研究、数据分析。 萨拉·纳萨尔（Sarah Nassar）：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢ANRT通过CIFRE计划提供的财政支持。