杯法测定多孔建筑材料蒸汽渗透性的影响因素及校正方法

《Results in Engineering》：Impact factors and correction methods of the cup test for determining the vapor permeability of porous building materials

　　罗新月|黄献奇|胡鹏波|冯池
重庆大学建筑与城市规划学院，中国重庆400045

摘要
杯试法是测量材料蒸汽渗透性最常用的方法，但其可靠性仍需进一步研究。本研究旨在通过改进实验程序和数据处理方法来提高测试准确性，使用了三种具有不同渗透性的多孔建筑材料：石膏板（GYB）、膨胀聚苯乙烯（EPS）和纤维水泥板（FCB）。首先探讨了两种数据处理方法：泄漏校正和空气层阻力及表面阻力校正。随后，分析了四个影响因素——样品表面积、样品厚度、空气层厚度和密封方法。结果表明，泄漏校正对低渗透性材料影响显著，而空气层阻力和表面阻力校正对高渗透性材料的影响更为明显。应用这些校正后，在不同测试条件下，石膏板的相对标准偏差从7.11%降低到4.96%，EPS从8.81%降低到5.40%，FCB从9.78%降低到9.48%。关于实验影响因素，样品厚度和空气层厚度的影响较小，表面积的影响也不明显。在密封方法中，建议使用带有硅酮密封剂的铝箔胶带以确保简便性。

**术语表**
| 符号 | 单位 | 含义 |
|---------|-------------|----------------------------------------------------------|
| Am2 | 样品表面积 | 平方米 |
| cp | 空气 | 千克/秒·千克-1 |
| J·kg-1K-1 | 恒压下的空气比热 | |
| m | 样品厚度 | 米 |
| dair | 空气层厚度 | 米 |
| Gv | 水蒸气流量 | 千克/秒 |
| Gv,lateral | 横向泄漏 | 千克/秒 |
| Gv,sample | 样品泄漏量 | 千克/秒 |
| Gv,top | 顶部泄漏量 | 千克/秒 |
| Gv,total | 总泄漏量 | 千克/秒 |
| gv | 水蒸气通量 | 千克/米2·秒 |
| p0 | 标准大气压 | 帕斯卡 |
| pair | 空气压力 | 帕斯卡 |
| pv | 蒸汽压 | 帕斯卡 |
| pv,sat | 饱和蒸汽压 | 帕斯卡 |
| R | 理想气体常数 | 千焦/千克·开尔文 |
| rs | 相对标准偏差 | |
| TK | 热力学温度 | 开尔文 |
| ts | 时间 | 秒 |
| vm | 空气流速 | 米/秒 |
| Zair | 空气层阻力 | 帕斯卡/米2·秒 |
| Zsample | 样品空气层阻力 | 帕斯卡/米2·秒 |
| Zsurface | 表面阻力 | 帕斯卡/米2·秒 |
| Ztotal | 总水蒸气传递阻力 | 帕斯卡/米2·秒 |
| α | 对流热传递系数 | 千焦/米2·开尔文·秒 |
| β | 对流传质系数 | 千克/米2·秒·帕斯卡 |
| δv | 蒸汽渗透性 | 千克/米·秒·帕斯卡 |
| Δpv | 蒸汽压差 | 帕斯卡 |
| ΔRH | 相对湿度差 | 百分比 |
| μ | 水蒸气阻力因子 | 千克/米3 |
| ρair | 空气密度 | 千克/米3 |

**1. 引言**
1.1 背景
建筑材料中的水分传输对于建筑环境的可持续性和耐久性以及建筑使用者的健康和舒适度至关重要[1]。通过对湿热过程的评估和预测，可以全面了解和控制水分传输。近年来，已经开发并应用了许多热湿传输（HAM）模型[3, [4], [5]及相关模拟工具[6,7]来分析这些过程。在这些模型和工具中，蒸汽渗透性（δv, 千克/米·秒·帕斯卡）是一个关键输入参数，因为它表征了多孔建筑材料中的蒸汽传输难易程度。因此，准确获取建筑材料的蒸汽渗透性具有重要意义。
为了获得这一参数，有多种方法可用，包括实验室实验[8]、孔隙尺度建模[9]和数据挖掘[10]。杯试法由于其概念上的简单性，已成为实验主流[11]。该方法涉及将材料样品密封在装有干燥剂或饱和盐溶液的扩散杯中，并将其放置在温度和相对湿度（RH）受控的室中。由于杯内外的蒸汽压差，水蒸气会自然地通过材料样品扩散。实验程序和数据处理方法在ISO 12572和ASTM E96等国际和区域标准中有详细规定[12,13]。尽管有完善的标准和在适当控制下的重复性验证[14]，但杯试法中的某些因素仍不清楚或被忽视。因此，不同实验室之间的结果存在变异性。例如，在20年前的EC HAMSTAD项目中，尽管遵循了既定标准，不同实验室的结果仍存在显著差异[15]。在2020年的最近一次协同研究中[16]，不同实验室在实验初期采用了不同的密封协议和处理方法（根据各自的专业知识），导致实验室间的差异超过40%。多年的协同研究[16, [17], [18], [19], [20]表明，使用杯试法确定的蒸汽渗透性的准确性高度依赖于严格的操作规范和协议遵守。为了解决这些问题，许多研究进一步调查了与杯试法相关的错误[16, [17], [18], [19], [20]。这些错误主要分为两类：实验程序错误和数据处理错误。

1.2 实验程序和数据处理错误
实验程序错误可能由多种因素引起，包括样品制备、扩散杯内的空气层厚度、密封方法、扩散杯设计、气候室的环境条件、扩散杯内的RH控制、称重和仪器精度等。其中，扩散杯设计的影响已被研究[17,21,22]，并且提出了许多改进的扩散杯设计[23,24]。环境条件（如环境温度、大气压力和空气流速）的影响也得到了广泛研究。温度影响可以忽略不计[17,25,26]，而降低压力会显著增加蒸汽渗透性[27,28]。空气流速通常会影响表面阻力，这可以通过后续的数据处理进行校正[18,29,30]。此外，还开发了有效的解决方案来处理RH控制、称重和仪器精度问题，包括使用无线传感器[31,32]、自动称重[33]和建立气候控制实验室[34]。然而，某些实验程序错误（包括样品制备、空气层厚度和密封方法）尚未得到充分研究。尽管理论上认为样品的尺寸（包括表面积和厚度）对实验结果没有影响，但这一假设缺乏独立的实验验证[14]。空气层厚度会引入阻力，从而导致蒸汽渗透性的低估[35]，但其对不同厚度值的实验准确定义的影响很少被研究。关于密封方法，尽管进行了大量研究，但目前的做法仍受限于密封剂的选择[19,22]和人员的密封操作[14,36]。因此，有必要全面研究样品表面积、样品厚度和空气层厚度对实验结果的具体影响。此外，尽管密封方法一直是重点关注对象，但它受到人员操作的显著影响，这也是本研究的内容之一。
另一种主要类型的错误与数据处理有关。获得实验数据后，需要对其进行适当的处理和分析。然而，许多研究表明，即使按照既定标准进行处理，结果仍可能出现不可接受的误差[19]。这主要是由于某些错误未得到校正，或者忽略了多个影响因素的错误假设。这些错误或错误假设主要包括蒸汽泄漏、空气层阻力和表面阻力。根据水蒸气传输过程，如果扩散杯中存在蒸汽泄漏，可能会干扰水蒸气通量的测定，导致高估。许多研究[17,22,33,36]强调了样品密封在防止蒸汽泄漏中的重要性，但很少讨论扩散杯在人员密封操作过程中的蒸汽泄漏潜在影响。此外，本研究使用带有可拆卸盖子的扩散杯（图1b），而不是ISO 12572标准推荐的传统扩散杯（图1a），主要有三个原因：首先，这种设计便于拆卸样品而不损坏，确保重复使用时的样品完整性；其次，可以在测试前后称量样品以获取额外的湿度属性（如水分含量）；第三，盖子的开口面积可以调整以适应不同的样品尺寸，而无需定制不同的杯子或校正遮盖边缘效应[23,37]。然而需要注意的是，尽管夹子使盖子和扩散杯紧密贴合，仍可能发生轻微的蒸汽泄漏。因此，应仔细处理蒸汽泄漏的校正问题。

**2. 材料与方法**
本节介绍了所选材料，并详细描述了实验设置和程序。此外，还分别给出了用于讨论某些影响因素的测试条件。最后，介绍了详细的校正方法。

2.1 材料
本研究选择了三种蒸汽渗透性差异显著的多孔建筑材料：石膏板（GYB，高渗透性）、膨胀聚苯乙烯（EPS，中等渗透性）和纤维水泥板（FCB，低渗透性）。每个样品均来自同一批次生产的原材料，样品表面没有涂层或覆层以确保均匀性[12]。使用了表面积和厚度不同的样品，具体详见第2.3节。

2.2 实验设置和程序
使用图2a所示的测试室作为受控环境，其中包含扩散杯。在三托盘测试室（图2b）中，底部托盘放置装有饱和K2CO3溶液的大型浅容器，上层两个托盘放置装有干燥剂CaCl2的透明塑料方形扩散杯。每个托盘上都有一个温度和湿度记录仪（Testo 174H，德国）用于实时监测环境条件。室周部的四个小风扇在样品上方1厘米处产生所需的气流，通过热风速计（Testo 405，德国）测量，精度为0.01米/秒。

杯试法在温度和湿度恒定的房间中进行，环境温度设定为23±1°C，具体实验程序如下：
a) 所有样品首先在烘箱中干燥，并使用游标卡尺测量其尺寸，精度为0.01毫米；
b) 在每个样品的四个侧面涂上一层薄环氧树脂，然后覆盖铝箔胶带；
c) 使用硅酮密封剂将密封后的样品固定在杯子的顶部开口处（图3a）。不同测试条件下密封方法的示意图：
c) 在干燥剂表面和样品底部之间创建20毫米的空气层，以避免样品和干燥剂之间的不必要的接触；
d) 通过CaCl2干燥剂和饱和的K2CO3溶液对样品杯和样品室进行调节，分别创建相对湿度（RH）为0%和43.2%的环境。此外，向干燥剂中混入少量蓝色指示硅胶，以显示样品杯内的相对湿度；
e) 一旦水蒸气流量稳定，每三天使用精度为0.01克的电子天平称量样品杯的重量。通常在一周内可以获得相当稳定的流量；但如果样品较厚、渗透性低，或者初始含水量与稳态含水量相差较大，则需要延长流量稳定所需的时间[21]；
f) 当连续六次或七次称量结果（m，千克）与时间（t，秒）显示出极佳的线性关系（即R2>0.99）时，实验结束。

2.3. 影响因素
应当注意，上述实验程序基于我们的先前经验[14,16]，并遵循ISO 12572和ASTM E96标准[12,13]。然而，选择了四个关键因素——样品表面积、样品厚度、空气层厚度和密封方法——在不同条件下进行影响分析。为了本研究的目的，没有考虑这些因素之间的潜在相互作用。尽管如此，在实际操作中可能会出现耦合效应，例如密封方法与样品表面积之间的耦合效应。
表1展示了基于这四个目标影响因素的九种不同测试条件的详细信息。每种材料每种条件下准备了四个重复样品以确保可靠性。Con 1代表标准配置。Con 2和3探讨了样品表面积的影响，Con 4和5探讨了样品厚度的影响，Con 6和7探讨了空气层厚度的影响，Con 8和9探讨了密封方法的影响。
表1. 基于四个影响因素的九种测试条件。

| 条件 | 样品表面积（cm2） | 样品厚度（cm） | 空气层厚度（cm） | 密封方法 |
|-----------------|---------------|-------------|---------------|-------------------|
| Con 1（标准） | 10×10 | 12 | 环氧树脂+铝箔带 | |
| Con 2 | 7×7 | 12 | 环氧树脂+铝箔带 | |
| Con 3 | 12×12 | 12 | 环氧树脂+铝箔带 | |
| Con 4 | 10×10 | 22 | 环氧树脂+铝箔带 | |
| Con 5 | 10×10 | 32 | 环氧树脂+铝箔带 | |
| Con 6 | 10×10 | 11 | 环氧树脂+铝箔带 | |
| Con 7 | 10×10 | 13 | 环氧树脂+铝箔带 | |
| Con 8 | 10×10 | 12 | 铝箔带 | |
| Con 9 | 10×10 | 12 | 环氧树脂+石蜡 | |

图3提供了三种不同密封方法的更清晰示意图，这些方法适用于本研究中使用的带可拆卸盖的样品杯（图1b）。在标准情况下，使用图3a所示的密封方法。为了研究环氧树脂对密封的影响，省略了环氧树脂，仅使用铝箔带，如图3b所示。此外，图3c展示了先前研究[19,33]中常用的石蜡的应用，以比较这种方法的有效性。此外，本研究的一些实验因素，如样品表面积和空气层厚度，可能不完全符合标准程序，这将在3.2节中具体讨论。

2.4. 数据处理和校正方法
在水蒸气扩散过程中，固有的误差可能导致结果不准确。为了提高整体准确性，本数据处理应用了两种校正方法：a) 泄漏校正；b) 空气层电阻和表面电阻校正。

2.4.1. 泄漏校正
如图1b所述，本研究中样品与盖子之间的密封处以及盖子与样品杯之间可能发生潜在的气体泄漏。因此，本研究采用了两种特定的设置来全面量化这两种类型的泄漏。使用带有完整盖子的样品杯（图4a）来量化通过盖子和样品杯连接处泄漏的水蒸气。通过将不透水的亚克力玻璃样品安装在样品杯的盖子中来类似地监测总水蒸气泄漏量（包括侧面泄漏和顶部泄漏，图4b）。需要明确的是，在本研究中，顶部泄漏被视为一个常数（与样品周长无关），并基于图3a所示的单一密封策略进行量化，假设该策略对所有密封方法都有效。然而，这种简化预计不会引入显著误差，因为后续校正表明，除了顶部泄漏之外，侧面泄漏是主要因素。

在测量过程中，所有其他实验条件均保持第2.2节中定义的不变。虽然最初每三天进行一次称量，但由于早期观察到的蒸汽流量较小，随后改为每周称量一次，并持续两个月。每个设置进行四次重复实验，然后取平均值用于后续计算。
在稳态条件下完成实验程序后，样品杯的质量变化（m）与时间（t）呈线性关系，水蒸气流量（Gv，千克·秒-1）可以通过以下公式计算：
(1) Gv = dm(t)dt
在根据图4c校正了侧面和顶部泄漏后，校正后的水蒸气通量（gv，千克·米-2秒-1）变为：
(2) gv(corrected) = Gv - Gv,totalleakage
其中Gv,total leakage是总蒸汽泄漏率，即侧面泄漏率Gv,lateral leakage和顶部泄漏率Gv,top leakage之和（千克·秒-1）；A是样品表面积（米2）。
随后，根据测试温度下的饱和蒸汽压（pv,sat，帕斯卡）和相对湿度差（ΔRH，-）计算蒸汽压差（Δpv，帕斯卡）。最后，水蒸气传输的总阻力（Ztotal，米2秒·帕斯卡·千克-1）可以通过以下公式计算：
(3) Ztotal = Δpv/gv(corrected) = pv,sat·ΔRH/gv(corrected)

2.4.2. 空气层电阻和表面电阻校正
对于扩散杯内的空气层电阻，根据已建立的标准[12,13]，使用Schirmer定律计算静止空气的蒸汽渗透率（δv,air，千克·米-1秒-1帕斯卡-1）：
(4) δv,air(T,pair) = 2.306·10^-5RT·p0pair(T/273.15)^1.81
其中T是热力学温度（开尔文）；p0是标准大气压（101325帕斯卡）；R是水蒸气的理想气体常数（461.5焦耳·千克-1开尔文）；pair是空气压力（帕斯卡）。
然后，通过空气层厚度（dair，米）可以使用公式（5）计算空气层阻力（Zair，米2秒·帕斯卡·千克-1）：
(5) Zair = dair·δv,air
然而，仅考虑静止空气层阻力是不够的，因为样品上方的低空气速度可能会导致额外的水蒸气传输阻力，从而可能低估蒸汽渗透率。因此，使用热风速计测量每个样品上方的空气速度六次，得到平均空气速度用于后续计算。
根据EN 15026和Lewis定律[41,42]，可以通过以下公式计算对流热传递系数（α，瓦特·米-2开尔文-1）和对流质量传递系数（β，千克·米-2秒-1帕斯卡-1）：
(6) α = 4 + 0.5v/(ρair·cp,air·RT)
其中v是样品上方的空气速度（米·秒-1）；ρair是空气密度（1.2千克·米-3）；cp,air是恒压下的空气比热（1004焦耳·千克-1开尔文）。
(8) Zsurface = 1/β
考虑到上述两种阻力后，可以通过公式（9）获得样品的水蒸气阻力（Zsample，米2秒·帕斯卡·千克-1）：
(9) Zsample = Ztotal - Zair - Zsurface
考虑到样品厚度（d，米），可以得到蒸汽渗透率（δv，千克·米-1秒-1帕斯卡-1）和水蒸气阻力因子（μ，-）：
(10) δv = d(Zsample)
(11) μ = δv/δv,air

3. 数据校正的结果
在本节中，讨论了泄漏校正以及空气层和表面电阻校正对结果的影响。随后，探讨了这些校正方法在九种不同测试条件下的适用性。最后，将校正后的数据应用于下一节中实验影响因子的分析。

3.1. 泄漏校正
对于泄漏校正，应特别注意侧面泄漏，因为本研究中使用的扩散杯的可拆卸盖设计可能导致其发生。使用带有完整盖子的样品杯（图4a）得到的平均侧面蒸汽泄漏率Gv,lateral leakage为2.42×10^-10千克·秒-1。在盖子边缘涂抹凡士林可能提高密封性能。然而，鉴于观察到的泄漏量很小，这里直接应用泄漏率校正方法以简化计算。使用包含亚克力玻璃样品的样品杯（图4b）时，得到的平均总蒸汽泄漏率Gv,total leakage为3.02×10^-10千克·秒-1。需要注意的是，这些泄漏率是由23°C下的43.2%相对湿度差引起的，相当于1213帕斯卡的蒸汽压差。由于Gv,total leakage是侧面泄漏率Gv,lateral leakage和顶部泄漏率Gv,top leakage之和，因此可以通过从总泄漏中减去侧面泄漏率得出顶部泄漏率Gv,top leakage，其值为6.01×10^-11千克·秒-1。重要的一点是，顶部泄漏率可能与样品的周长相关，这里的具体值来自于边长为10厘米的样品。随着周长的增加，顶部泄漏率也预计会增加。然而，尽管存在这种相关性，侧面泄漏率与顶部泄漏率的大约4:1的比例表明侧面泄漏远高于顶部泄漏率。这也表明了本研究中样品密封方法的有效性。
图5和表2分别展示了三种目标材料的总水蒸气流量Gv和两种蒸汽泄漏率的百分比，其中顶部泄漏率Gv,top leakage用蓝色表示，侧面泄漏率Gv,lateral leakage用橙色表示，实际通过样品的水蒸气流量Gv,sample（经过校正后）用灰色表示。这三种蒸汽流量之和就是总流量。

表2. 两种蒸汽泄漏率对总水蒸气流量的百分比

材料 | 参数 | 条件 | 泄漏校正 | 侧面泄漏率 | 顶部泄漏率 |
|----------------|-----------------------------|-----------------|-----------------|----------------------|
| GYB | 面积（A） | 7厘米×7厘米 | 20.6% | 2.3% | 10厘米×10厘米 | 10.3% |
| | | | | |
| | 厚度（d） | 1.5厘米 | 10.3% | 1.2% |
| | | | | |
| | | | | |
| Con 1 | | | | |
| EPS | 面积（A） | 7厘米×7厘米 | 25.0% | 1.2% | 10厘米×10厘米 | 12.7% |
| | | | | |
| | | | | |
| Con 2 | | | | |
| | | | | |
| | | | | |
| Con 3 | | | | |
| | | | | |
| FCB | 面积（A） | 7厘米×7厘米 | 21.7% | 4.4% | 10厘米×10厘米 | 11.0% |
| | | | | |
| | | | | |
| Con 4 | | | | |
| | | | | |
| Con 5 | | | | |
| | | | | |
| | | | | |

图5和表2表明，无论测试条件如何，尽管由于相同的蒸汽压差导致相同的泄漏，泄漏校正对三种不同渗透率材料的影响差异显著。随着材料蒸汽渗透率的降低，这种影响变得更加明显。对于高渗透率的GYB材料，总蒸汽泄漏率仅占总水蒸气流量的1%-3%。对于EPS材料，泄漏的影响也较小，约为2%-9%。然而，对于低渗透率的FCB材料，泄漏校正的影响相当大，在大多数情况下超过10%。特别是当样品厚度为3厘米（Con 5）时，几乎三分之一的水蒸气流量来自泄漏。由于泄漏对这种情况有显著影响，因此省略了Con 5的数据以确保后续分析的有效性。
总之，如果不进行泄漏校正，蒸汽渗透率会被高估。从图5和表2可以看出，泄漏校正对GYB和EPS材料的影响很小，可以忽略不计。相比之下，对于低渗透率的FCB材料，泄漏校正的影响显著。即使泄漏校正略有不准确，也会导致蒸汽渗透率的较大差异。为此，通过在盖子边缘涂抹凡士林进行了额外的侧面泄漏实验。结果显示，平均侧面泄漏率Gv,lateral leakage减少了17倍，仅降至1.43×10^-11千克·秒-1，显著提高了侧面密封性能。因此，对于低渗透率材料，可以实施更严格的密封措施来减少差异。

3.2. 空气层电阻和表面电阻校正
关于空气层电阻和表面电阻的校正，参考文献[29,35,38,40]对标准[12,13]中的数据处理方法提出了质疑。主要争议集中在缺乏对准确校正这些阻力的严格要求上。本研究考虑了两种类型的阻力，并讨论了它们对实验结果的影响。对于空气层阻力，根据Schirmer定律，当内部空气层厚度为2厘米时，Zair的值为1.0×10^8 m^2sPa·kg^-1。在表面阻力方面，使用热风速计的测量结果显示，在样品上方1厘米处空气平均速度为0.341 m·s^-1。随后，应用公式(6)、(7)、(8)计算得出Zsurface约为3.1×10^7 m^2sPa·kg^-1。由于所选材料相对光滑，表面粗糙度差异可以忽略不计，因此本研究不考虑表面粗糙度对Zsurface的影响。图6和表3分别显示了水蒸气传输的总阻力Ztotal以及每种材料的两种阻力修正的百分比，其中Zsurface用绿色表示，Zair用粉色表示，Zsample（经过修正后）用灰色表示（公式(9)）。从图6和表3可以看出，样品厚度的增加会导致水蒸气传输总阻力的显著增加。此外，尽管空气层阻力受到空气层厚度的影响（公式(5)），但它仅占水蒸气传输总阻力的一小部分，但随着空气层厚度的变化，这一比例仍可见明显差异。

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图6. 空气层电阻和表面电阻对水蒸气传输总阻力的影响。

表3. 空气层电阻和表面电阻在水蒸气传输总阻力中的百分比。

材料 | 因素 | 参数 | 条件 | 阻力修正
---------|-------|-------|------|--------|
GYB | 面积（A） | 7 cm × 7 cm | Con2 | 16.5% | 5.3% |
| | 10 cm × 10 cm | Con1 | 15.8% | 4.9% |
| | 12 cm × 12 cm | Con3 | 13.1% | 4.6% |
厚度（d） | 1.5 cm | Con1 | 15.8% | 4.9% |
| | 3 cm | Con5 | 9.4% | 3.0% |
空气厚度（dair）| 1 cm | Con6 | 8.2% | 5.0% |
| | 2 cm | Con1 | 15.8% | 4.9% |
| | 3 cm | Con7 | 21.4% | 4.6% |

密封方法 | 环氧树脂+铝箔胶带 | Con1 | 15.8% | 4.9% |
| 铝箔胶带 | Con8 | 15.7% | 4.8% |
| 环氧树脂+石蜡 | Con9 | 14.3% | 4.9% |
EPS | 面积（A） | 7 cm × 7 cm | Con2 | 8.2% | 2.5% |
| | 10 cm × 10 cm | Con1 | 7.9% | 2.3% |
| | 12 cm × 12 cm | Con3 | 7.5% | 2.2% |
厚度（d） | 1 cm | Con1 | 7.9% | 2.3% |
| 2 cm | Con4 | 4.1% | 1.3% |
| 3 cm | Con5 | 2.7% | 0.9% |
空气厚度（dair）| 1 cm | Con6 | 4.2% | 2.5% |
| 2 cm | Con1 | 15.8% | 4.9% |
| 3 cm | Con7 | 21.4% | 4.6% |

表3和图6的结果表明，空气层电阻和表面阻力修正对三种不同透气性材料的影响与图5和表3中的结果相反。具体来说，这两种阻力修正对高透气性材料GYB的综合影响更为显著，达到了约19%，其中表面阻力贡献了6.5%的误差。相反，对于低透气性材料FCB，两种阻力修正的综合效应不明显，低于3%。对于EPS，综合影响约为9%，介于GYB和FCB之间。这些发现与ASTM E96 [13]的规定一致，表明材料的透气性越高，结果受到的影响越大。此外，ASTM E96规定，当Zsample低于8.77×10^6 m^2sPa·kg^-1时，应对所有测量结果进行阻力修正 [13]。然而，在本研究中，GYB的阻力接近6×10^8 kg·s^-1Pa^-1，未经修正时其Zsample的值是实际值的1.2倍，因此修正比目前假设的更为必要。

3.3. 修正对不同材料的影响
为了比较修正数据处理方法对每种材料透气性的影响，首先取所有测试条件下的平均透气性作为未经修正的值（不应用公式(2, (5), (6), (7), (8), (9)）。同时，提供不同测试条件下的相对标准偏差rs以便进行比较 [14]。最后，应用两种修正方法后，得到平均修正后的透气性及相对标准偏差，并列在表4中。

表4. 三种材料的平均透气性δv和相对标准偏差rs。

通过前两节的分析可以预期，对于透气性较低的材料（即FCB），泄漏修正更为显著；而对于透气性较高的材料（即GYB），空气层电阻和表面阻力修正更为显著。当同时考虑这两方面的修正时，哪一个起主导作用取决于测试材料的透气性和样品厚度。如表4所示，修正后的GYB透气性显著增加，EPS略有增加，而FCB的透气性显著降低。另外，一个值得注意的结论是，修正后不同测试条件的相对标准偏差减少了，GYB的rs从7.11%降至4.96%；EPS从8.81%降至5.40%；FCB从9.78%降至9.48%。换句话说，即使不能证明本研究中的测试条件是理想的，这些修正方法仍然有助于使实际实验结果趋于更稳定的值。

3.4. 与现有文献的比较
在本节的最后，简要总结了这两种修正方法，并探讨了它们与现有文献的相对重要性。由于采用了可拆卸的扩散杯（图1b），本研究强调了泄漏修正的重要性，这与传统的扩散杯（图1a）不同。虽然这种设计带来了更大的泄漏风险，但它有效避免了传统扩散杯中常见的边缘效应 [18,21,31,37]。本研究的结果表明，侧向泄漏对透气性较低的材料有显著影响，而这一因素在以往的文献中很少被研究。然而，通过在盖杯接口处涂抹凡士林，可以大大减少泄漏。此外，与现有文献[19,31,33]一致，不完美的密封导致的顶部泄漏在密封性高的（低透气性）材料中尤其具有影响。相比之下，空气层电阻和表面电阻的影响在现有文献[24,35,37,38,40]中得到了广泛研究，一致的研究结果表明忽略这些阻力会导致样本电阻的系统性高估。具体来说，空气层阻力对高透气性材料有显著影响，这与参考文献[35,37,38]的结论一致。同样，表面阻力也显著影响高透气性材料，这与参考文献[24,35,37,40]的结论一致。此外，图6表明较薄的样本对表面电阻更敏感，这一发现也得到了参考文献[40]的支持。

4. 影响因素的结果
修正后的数据被纳入本节，其中详细分析了四个定义的影响因素（样品表面积、样品厚度、空气层厚度、密封方法）。

4.1. 样品表面积
根据ISO 12572标准，每个样品的暴露面积A应大于0.005 m^2 [12]。为了研究不同表面积的影响，将GYB、EPS和FCB切制成三种表面积的方形样品：7×7 cm^2、10×10 cm^2和12×12 cm^2，见表1中的Cons 1-3。其中，7×7 cm^2的样品虽未完全满足标准要求，但仍然接近标准。图7展示了每种材料的实验结果，误差条代表四个重复样品的标准偏差。对于GYB和EPS，当表面积从7×7 cm^2增加到12×12 cm^2时，其透气性分别下降了15%和13%。然而，FCB的透气性相对稳定，这一趋势被实验误差掩盖了。由于不同实验室的可重复性误差通常在15%左右或更大 [16]，因此目前可以得出样品表面积的影响较小。但未来需要进一步研究以更清楚地了解这一问题。

4.2. 样品厚度
样品厚度是一个关键因素，因为它直接影响水蒸气在样品内的扩散距离。根据ASTM E96 [13]，样品厚度不应超过32 mm。相比之下，ISO 12572仅规定样品厚度不应超过边长的一半（对于方形样品）[12]。因此，考虑了表1中列出的三种样品厚度：EPS和FCB的厚度分别为1 cm、2 cm和3 cm，而GYB的厚度仅为1.5 cm和3 cm（受到制造商的限制）。如图8a和8b所示，不同的样品厚度对GYB和EPS的透气性影响较小。同样，在图8c中，1 cm和2 cm厚度的FCB样品显示出可比的透气性结果。然而，如图5之前所指出，3 cm厚度的FCB样品出现了显著偏差，因此被排除在分析之外。这种差异可归因于FCB的异质结构和潜在的实验误差，导致水蒸气扩散结果不准确。

总之，可以得出结论，样品厚度对水蒸气透气性的影响有限。尽管如此，建议根据材料的透气性选择合适的样品厚度，以确保整体透气阻力在合适的测量范围内。对于高透气性材料，应选用较厚的样品以提供足够的阻力并避免过快的水蒸气传输；对于低透气性材料，较薄的样品更有利于缩短测试时间同时保持测量结果的可靠性。此外，对于异质材料，应使用较厚的样品以确保厚度方向的代表性，并最小化局部变异性对测试结果的影响。

4.3. 空气层厚度
除了样品尺寸外，干燥剂和样品表面之间的空气层厚度也会通过产生空气层阻力来影响透气性。在实验过程中，尽量减少空气层阻力对样品的影响是必要的。然而，过薄的空气层可能会污染样品，影响透气性的测定。ISO 12572规定空气层厚度应为15±5 mm [12]，而ASTM E96要求在干杯测试中空气层厚度在6 mm以内 [13]。由于标准之间的差异以及难以精确控制5 mm，本研究中使用了1 cm、2 cm和3 cm的空气层厚度，见表1中的Cons 1、6、7。还应注意的是，如果不进行空气层阻力修正，不同的空气层厚度将不可避免地对结果产生影响。因此，以下比较结果反映了不同空气层厚度对三种材料修正后的影响。图9显示，对于所有材料，不同空气层厚度下的透气性结果几乎保持不变。特别是对于EPS，三种空气层厚度之间的相对差异仅为1.2%。显然，经过修正后，空气层电阻的影响被有效降低了，空气层厚度的效应可以忽略不计。然而，空气层厚度仍应适当控制（例如1-2 cm），既不能太大也不能太小，以避免处理过程中的潜在污染。

4.4. 密封方法
如图3所示，使用了三种密封方法来研究它们对透气性测量的影响。具体来说，比较了使用环氧树脂的密封方法与不使用环氧树脂的方法（表1中的Con 8与Con 1），或将铝箔胶带替换为石蜡的方法（表1中的Con 9与Con 1）。如图10所示，不使用铝箔胶带时结果略有差异。然而，环氧树脂和石蜡的组合使用了EPS时透气性略低，而对于低透气性的FCB，透气性略高。此外，在使用环氧树脂和石蜡的组合时，重复样本之间的误差更为显著，EPS和FCB的误差分别接近8%和9%。这可能是因为石蜡在密封过程中难以实现完全的气密性。下载：下载高分辨率图片（199KB）下载：下载全尺寸图片

图10. 三种不同材料采用不同密封方法的实验结果。

此外，FCB的结果表明，使用铝箔胶带时，蒸汽渗透率较低，从而排除了因密封不完美而导致渗透率增加的风险。图10显示，仅使用铝箔胶带是最有效的方法。然而，必须指出的是，这一因素与前述因素（即样品表面积和样品厚度）有显著不同，因为密封方法的效果更紧密地依赖于操作人员的操作。因此，对操作人员进行适当的培训是至关重要的。

5. 结论

本研究系统地研究了四种影响因素和两种校正方法如何影响三种多孔建筑材料（石膏板(GYB)、膨胀聚苯乙烯(EPS)和纤维水泥板(FCB)的蒸汽渗透率测试。主要结论如下：

a) 泄漏校正的影响在渗透率较低的FCB上更为明显，其影响约为17%，而在高渗透率的GYB上约为2%，EPS上约为5%。相反，空气层阻力和表面阻力的校正对高渗透率材料有显著影响。这两种阻力校正对GYB的综合影响约为19%，对EPS的综合影响为9%，而对FCB的综合影响不超过3%。

b) 在对数据处理应用校正方法后，不同条件下的蒸汽渗透率结果更为一致。具体来说，GYB的相对标准偏差从7.11%降低到4.96%；EPS的相对标准偏差从8.81%降低到5.40%；FCB的相对标准偏差从9.78%降低到9.48%。

c) 校正后，样品厚度和空气层厚度的影响很小，表面积的影响也不显著，但需要进一步研究。此外，仅使用带有硅胶密封剂的铝箔胶带不会引入显著误差，因此这种简单的密封方法被推荐用于实际应用。

总之，本研究为改进蒸汽渗透率测量方法和提高后续数据处理的准确性提供了有价值的见解。尽管只研究了干杯法，但由于蒸汽传递过程相似，这些结果和建议也自然适用于湿杯法和其他相对湿度(RH)条件。这确保了更可靠的数据，这对于深入理解实际应用中的湿热性能至关重要。

作者贡献声明：

罗欣月：调查；数据整理；形式分析；可视化；撰写——初稿

黄先奇：方法论；形式分析；撰写——审阅与编辑

胡鹏波：监督；撰写——审阅与编辑

冯琪：概念化；资源获取；项目管理；资金筹措；撰写——审阅与编辑

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罗欣月：撰写——初稿，可视化，调查，形式分析，数据整理

黄先奇：撰写——审阅与编辑，方法论，形式分析

胡鹏波：撰写——审阅与编辑，监督

冯琪：撰写——审阅与编辑，监督，资源获取，项目管理，资金筹措，概念化