一种模拟真实气候环境特征的围护材料耐久性测试方法

摘要

本发明公开了一种模拟真实气候环境特征的围护材料耐久性测试方法，其步骤包括：一.制作围护材料：所述围护材料由内饰面层、内保温层、找平层、试验基墙、外找平层、外饰面材料组成，即按外墙围护材料工程构造做法制作的构件；二.制作实验装置：所述实验装置包括：外侧箱体、内侧箱体、温度装置、湿度装置、喷淋水装置、测试装置和数据显示存储装置；三.围护材料的按置：将所述围护材料按置到试样车上，并固定到所述内侧箱体和所述外侧箱体之间的开口一和开口二中；所述围护材料四周与所述箱体接触部位无缝隙，并使用密封垫片进行密封防水处理；四测试。本发明可以模拟真实气候环境特征，并对围护材料材料系统的耐久性进行准确的测试。还可对水蒸气迁移进行测试。

说明书

技术领域

本发明涉及围护材料系统耐久性测试方法，特别是一种模拟真实气候环境特征的围护材料耐久性测试方法。

背景技术

根据中国建筑热工设计分区图，我国典型气候区包括严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区，不同气候区的温度、湿度、光照等因素各不相同，对围护材料材料的要求也各不相同。建筑围护材料材料构成复杂，包括各种类型的基层墙体、找平材料、保温材料、防护层和饰面材料等。在热荷载、湿气迁移、冻融等环境因素耦合作用下建筑围护材料材料容易发生破坏。

当前围护材料仍存在以下突出问题：①保温砂浆、薄抹灰等外墙保温系统开裂、脱落、渗水；②内外墙涂料等开裂、起皮、结露和发霉；③混凝土、砌块等墙材界面冷凝水积聚事故多发，导致围护材料系统寿命和使用性能大幅降低。无论高温还是低温都将可能产生一种破坏性的或不可逆的变形作用，外墙围护材料系统在温度、湿度和收缩的作用下应是稳定的，一般被认为在非雨季节低温－ 20℃和高温50℃是外保温系统正常使用温度变化的极端。在经受长时间太阳照射之后突然降雨会造成外墙围护材料系统表面温度急剧下降，外墙围护材料系统在表面温度变化达50℃的作用下，不应引起任何破坏。当外墙外保温系统暴露于太阳辐射下时，太阳辐射可使其表面温度升高，这种温度的升高取决于辐射流和表面的能量吸收，通常极端表面温度达70℃。根据不同气候区气候因素对外墙围护材料系统的破坏情况，严寒和寒冷地区主要是来自低温的破坏，而夏热冬冷和夏热冬暖地区则主要是来自高温和高温淋雨的破坏。另外，面砖饰面外墙围护材料系统一旦脱落所造成的危害比涂料饰面外墙围护材料要大的多，会涉及更多的系统安全性问题，根据外墙围护材料系统面砖的破坏情况，冻融是致使面砖脱落的重要因素。研究环境因素对围护材料材料的作用，对提升围护材料性能和改善人居环境舒适度，具有重要作用和意义。

实际围护材料安全和功能耐久性很难与主体结构匹配，如外墙保温服役寿命为25年，低于结构寿命，维护和返修压力巨大。国内外开展了不少墙体和保温材料耐久性相关研究，解决了一定的科学问题及关键技术。从总体情况看，国内外现有研究外现有研究^[1-2]可对部分围护材料材料进行特定因素下的耐久性模拟和分析，实现单体材料和局部结构的耐久性提升设计。由于对象较分散、未进行复杂环境因素耦合和材料系统性考虑，现有研究无法揭示围护材料在复杂环境因素耦合作用下的应用效果和劣化机理，使得围护材料体系耐久性设计和评价缺少精准、科学的依据和方法，围护材料性能协同提升缺少技术支撑，从而阻碍了围护材料与功能一体化工业化技术进步。

国内外研究水平：

(1)研究边界以简单因素作用下单材料居多，缺乏复杂环境因素耦合和材料系统性考虑。整体研究对象比较分散，未成系统。国内外主要针对应用最广泛的蒸压加气混凝土墙材，研究了水化产物、孔结构对干燥收缩、冻融、碳化等性能的影响^[3]；李庆繁^[4]对严寒地区蒸压加气混凝土砌块耐久性进行了研究，但未涉及机理；有些人研究了废灰和玄武浮石烧结砖的冻融和干湿循环劣化情况^[5]；有些人研究了再生混凝土抗冻性，从而指导墙材耐久性分析。有些人研究了围护材料内部冷凝产生湿破坏对耐久性的影响。赵立华^[6]研究保温层设计对围护材料传湿及耐久性影响；刘革研究了夹芯保温复合墙体在季节性冻融循环下的耐久性劣化^[7]。盛强敏^[8]研究了软化对非承重混凝土空心砖的强度的影响；国内对蒸压灰砂砖软化、碳化性能的耐久性影响作了微观解释。

(2)对简单因素下的耐久性劣化进行了模拟，较少涉及耐久性分析模型和评价方法。有些人对热湿气候条件下围护材料耐久性进行了模拟。烧结类墙材耐久性是在长期应用基础上形成标准规范，但未深入相关机理研究。关于保温材料耐久性研究，国外主要针对外墙外保温系统(简称EIFS)展开，借助数学手段结合定性试验预测其长期蠕变等耐久性能。有人通过水泥和聚合物相互作用，实现了EIFS寿命预测，提出耐久性定性提升方法。有人通过EPS板吸水率试验，建立长期吸水性预测模型。国内研究偏重于定性研究和数值化模拟^[9]。

综上，围护材料体系中耐久性和功能性差，使用寿命与主体结构相差大，而目前缺乏相关耐久性研究，其往往局限于标准中极少耐久性指标，并不能完全揭示耐久性与功能性劣化机理，实际中并无围护材料透气性优劣、围护材料冷凝与否的实际检测方法，更缺乏模拟实际室内、室外环境围护材料水蒸气渗透过程的实验方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种模拟真实气候环境特征的围护材料耐久性测试方法。

本发明采用如下技术方案：

一种模拟真实气候环境特征的围护材料耐久性测试方法，其步骤包括：

1.制作围护材料：所述围护材料由内饰面层、内保温层、找平层、试验基墙、外找平层、外饰面材料组成，即按外墙围护材料工程构造做法制作的构件；

2.制作实验装置：所述实验装置包括：外侧箱体、内侧箱体、试样车、温度装置、湿度装置、喷淋水装置、测试装置和数据显示存储装置；自动控制和记录试验过程中：围护材料的温度，所述内侧箱体和外侧箱体内的温度和空气湿度、喷淋水流量试验参数；

所述内侧箱体和外侧箱体组成箱体，所述箱体均采用保温材料进行绝热处理；

所述内侧箱体设有开口一，所述外侧箱体设有开口二，所述内侧箱体和所述外侧箱体之间为可移动的试样车，所述试样车上为待测的所述围护材料，所述试样车与开口一和开口二之间密封连接；所述外侧箱体设有出口，可用于人员进出和观察内部状况，所述内侧箱体设有观察口，观察试样及箱体内部状况。

所述温度装置包括加热系统、制冷压缩机和干燥系统，所述加热系统置于所述箱体内侧顶部，不直接照射到所述围护材料，温度区间为30℃～80℃；所述制冷压缩机组置于所述箱体外部，采用双压缩机，温度区间为-30℃～30℃；所述干燥系统置于所述箱体内侧顶部，采用风机进行空气循环，试验时围护材料温度均匀度不大于3℃；

所述湿度装置包括加湿系统和除湿机，所述加湿系统置于所述箱体内侧顶部，湿度区间为10％～100％，所述除湿机置于所述箱体外部，采用转轮除湿方式；

所述喷淋水装置设置于所述箱体开口侧顶部以下0.1m～0.2m，距所述围护材料表面0.1m～0.2m，呈水平排列，喷淋水装置的喷嘴数量满足喷淋水布满围护材料表面的要求；

所述测试装置，包括箱体测试器件，在所述内侧箱体和外侧箱体内各设有温度传感器、湿度传感器、温度贴片和露点仪；所述露点仪与所述湿度传感器相连；所述温度贴片与所述温度传感器相连，用于采集所述箱体内的温、湿度；

还包括围护材料的传感器，在所述围护材料的内部材料界面处各埋设6个温度传感器和6个湿度传感器，埋设方式为：在所述围护材料中心沿厚度方向的轴线上，选取内饰面层、保温层、找平层、试验基墙、外找平层、外饰面材料的每层中埋设；所述围护材料的传感器封装于直径略大于其的金属套中；

还包括水流量计，所述水流量计置于所述箱体外部，并与所述喷淋水装置连接；所述水流量计在测量流量范围的精度等级不应低于2.5级；

还包括吸湿增重装置，所述外侧箱体内部设置所述吸湿增重装置；

所述数据显示存储装置，采用PLC与温度传感器和湿度传感器连接，进行信号采集和控制，通过触摸屏进行操作和记录数据；

3.围护材料的按置：将所述围护材料按置到试样车上，并固定到所述内侧箱体和所述外侧箱体之间的开口一和开口二中；所述围护材料四周与所述箱体接触部位无缝隙，并使用密封垫片进行密封防水处理；

4.测试：

1)围护材料的水蒸气迁移测试：

分别通过温度装置设定外侧箱体的不同温度，范围为-30℃～80℃，设置内侧箱体的不同温度，范围为10℃～30℃；通过湿度装置设定箱体的不同湿度：99％、 90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、0％；通过测试装置测试不同透气性的围护材料的湿度迁移时间、迁移量及各个界面温、湿度变化；

2)模拟围护材料耐久性测试的真实环境特征测试：

由于国内不同气候区环境不同，热雨循环、热冷循环和冻融循环的时间和次数可模拟实际环境自由调节。热雨循环条件如下，时间可自由设定：在1h内将围护材料温度升至80±5℃、温度80±5℃、相对湿度10％～30％的环境下，保持设定(自由设定，可为6h)时间喷水时间自由设定(可为30min)，水温应为15 ±5℃，每个围护材料墙体喷水量应为1.0±0.1L/m2·min，喷水结束继续热雨循环，循环次数根据实际气候条件可调节；热冷循环条件如下，时间可自由设定：在2h内将围护材料温度升至50±5℃，保持设定时间(可为6h)后，在2h内将围护材料温度降至—20±5℃的环境下，保持设定时间(可为6h)，然后在2h内将温度升至50±5℃，继续循环，循环次数根据实际气候条件可调节；冻融循环条件如下，时间可自由设定：淋水一定时间(可为30min)，水温应为15±5℃，每个围护材料喷水量应为1.0±0.1L/m²·min；围护材料在20±5℃的环境下保持1h，在1h内将围护材料温度降至—20±5℃的环境下，保持设定时间(可为>

3)检查测试:

a)外观检查

围护材料完成耐久性模拟后放置7d后，检查并记录围护材料的外观情况，围护材料出现裂缝、粉化、空鼓、剥落等现象时则视为围护材料破坏；记录好耐久性模拟后的围护材料照片，拉伸粘结强度测定后的围护材料照片；

b)拉伸粘结强度

在完成外观检查的围护材料上按JGJ 110规定的方法进行拉伸粘结强度测定，测点应符合相关要求；

c)温湿度数据

读取6个界面处温湿度数据，制作温湿度变化曲线图，与拉伸粘结强度及围护材料外观相对比，与理论界面结露等情况相互验证。

更进一步，所述箱体的尺寸均为：高不小于1.5m、长不小于1.5m；所述箱体的宽度均为1.4m～1.6m，所述箱体的壁厚应为0.10m～0.15m。

有益效果：本发明可以模拟真实气候环境特征，并对围护材料材料系统的耐久性进行准确的测试。还可对水蒸气迁移进行测试。

具体实施方式

一种模拟真实气候环境特征的围护材料耐久性测试方法，其步骤包括：

1.制作围护材料

围护材料由内饰面层、(内保温层)、找平层、试验基墙、外找平层、(外保温系统及材料)、外饰面材料组成，按外墙围护材料工程构造做法制作的构件，可由不同的节能保温系统组成，简称试样。试样应在室内进行养护，室内空气温度不应低于10℃、相对湿度不应低于30％。有抹面层的外墙围护材料系统试样应至少养护28d，保温装饰板外墙系统试样应至少养护14d，并应记录试样养护环境条件。

方法原理：

本方法采用与建筑围护材料工程构造做法一致的大尺寸试样，通过室内外箱体模拟不同典型气候区室内外环境特征，可实现四大功能，一是模拟室内外温度和湿度差，实现水蒸气迁移时间及量的测试；二是模拟室外气候环境的变化，如温度、湿度、降雨、冻融等，对试样进行一定数量的热雨、冻融、热冷循环，测试多个界面处温度、湿度变化情况，此基础上评定其各个表面及界面处破坏程度，测定外墙外保温系统相关物理力学性能。建立环境因素与材料本身参数及性能的因果关系，确定围护材料系统及各个材料在环境因素下的耐久性及其劣化机理。

2.制作实验设备：

试验设备由箱体箱体、温度装置、湿度装置、喷淋水装置、测试装置等部分组成，能够自动控制和记录试验过程中试样温度、箱内空气湿度、喷淋水流量等试验参数。环境试验箱、试样车等配套装置和性能如表1所示。

2.1箱体

箱体包括外侧箱体和内侧箱体。箱体尺寸应为：高不小于1.5m，长不小于1.5m、宽度为1.4m～1.6m，壁厚应为0.10m～0.15m，箱体应采用保温材料进行绝热处理。外侧箱体有开口方便人进出观察试样。内侧箱体设有观察口。室内外箱体之间为可移动试样车，试样车上为待测试样。

2.2温度装置

温度装置为加热系统，它应置于箱体内侧顶部，不应直接照射到试样，温度区间为30℃～80℃；制冷压缩机组应置于箱体外部，宜采用双压缩机，温度区间为-30℃～30℃；干燥系统应置于箱体内侧顶部，应采用风机进行空气循环，试验时试样温度均匀度不应大于3℃。

2.3湿度装置

湿度装置为加湿系统，它应置于箱体内侧顶部，湿度区间为10％～100％，除湿机应置于箱体外部，宜采用转轮除湿方式。

2.4喷淋水装置

喷淋水装置包括有喷嘴，它应置于箱体开口侧(开口一和开口二侧)顶部以下0.1m～0.2m，距试样表面0.1m～0.2m，呈水平排列，喷嘴数量应满足喷淋水布满试样表面的要求。

2.5测试装置

1)箱体测试器件

内外侧箱体内各有1个温湿度传感器、2个温度贴片(置于墙体表面测试其表面温度)和1个露点仪。

温度传感器在测量温度范围的精度应为±1℃。湿度传感器在测量湿度范围的精度应为0.01％。温湿度传感器应分别位于箱体开口部位四角。温湿度采集时间间隔不应小于2min。

2)试样车温、湿度传感器

在试件内部材料界面处埋设6个温、湿度传感器。温、湿度传感器埋置方式拟定为：在墙体中心沿宽度方向的轴线上，依据冷凝点理论验收，在墙体材料、保温材料、找平材料等中选择具有代表性的位置。传感器应封装于直径略大的透气不透水的金属套中。

3)水流量计

水流量计在测量流量范围的精度等级不应低于2.5级，水流量计应置于箱体外部。

4)吸湿增重装置

在外侧箱体内部设置吸湿增重装置。

2.6数据显示存储装置

数据显示存储装置采用PLC系统进行信号采集和控制，通过触摸屏进行操作和记录数据；

表1环境试验箱、试样车等配套装置和性能

3.试验过程：

1)试样安装

试样安装步骤如下：

a)将试样放置到试样车上，固定到内外侧箱体开口部位；

b)试样四周与两侧箱体接触部位不应有缝隙，并使用宽8cm密封垫片进行密封防水处理。

2)围护材料水蒸气迁移测试

湿迁移条件如下：分别设定外侧箱体的不同温度(如-30℃～80℃)，内侧箱体的不同温度(如10℃～30℃)，内外侧箱体的不同湿度(99％、90％、80％、70％、 60％、50％、40％、30％、20％、0％)。测试不同透气性的围护材料(未做耐久性循环测试的结构、做过耐久性测试的结构)的湿度迁移时间、迁移量及各个界面温湿度变化。

如：拟设定开展围护材料内部冷凝情况研究时的环境条件为：内侧箱体温度 18℃～25℃，相对湿度65％～80％；室外侧箱体温度-20℃～5℃，相对湿度40％～75％；单片墙体测试周期为60d～90d；通过界面温湿度数据可知内部冷凝情况。

如：对经过耐久性测试的围护材料进行水蒸气迁移测试，设定一定环境条件，经过一段试验时间，记录各个界面处湿度迁移时间、迁移量及各个界面温湿度变化。

3)围护材料耐久性测试的环境条件模拟

热雨循环条件如下，时间可自由设定：在1h内将试样温度升至一定温度，如(80±5)℃，在温度(80±5)℃、相对湿度10％～30％的环境下保持一定时间 (可保持6小时，简写为6h)；喷水一定时间(可为30分钟，简写为30min)，，水温应为(15±5)℃，每个试样墙体喷水量应为(1.0±0.1)L/(m²·min)；放置一定时间。

热冷循环条件如下，时间可自由设定：在1h内将试样温度升至一定温度，如(50±5)℃，保持一定时间(可保持6小时，简写为6h)后，在2h内将试样温度降至零下温度，如(—20±5)℃，在温度(—20±5)℃的环境下保持一定时间(可为6h)。然后在2h内将温度升至50±5℃，继续循环，循环次数根据实际气候条件可调节；

冻融循环条件如下，时间可自由设定：淋水一定时间(可为30min)，水温应为(15±5)℃，每个试样墙体喷水量应为(1.0±0.1)L/(m²·min)；试样在一定温度如(20±5℃的环境下保持1h，在1h内将围护材料—20±5)℃的环境下，保持设定时间(可为8h)；在1h内围护材料温度升至20℃，放置16h，16h后淋水继续冻融循环，循环次数根据实际气候条件可调节。

围护材料耦合循环方式可自由调整，并记录试验环境条件；热雨循环结束后可放置2d后进行热冷循环，热冷循环结束后也可放置2d后进行冻融循环；每N 次热雨循环、每N次热冷循环、每N次冻融循环后，观察围护材料面层裂缝、粉化、空鼓、剥落等变化状况，并记录其出现的位置和尺寸；

4)检查测试

a)外观检查

试样完成耐久性模拟后放置7d后，检查并记录试样的外观情况，试样出现裂缝、粉化、空鼓、剥落等现象时则视为试样破坏。记录好耐久性模拟后的试样照片，拉伸粘结强度测定后的试样照片。

b)拉伸粘结强度

在完成外观检查的试样上按JGJ 110规定的方法进行拉伸粘结强度测定，测点应符合相关要求。重点关注保温系统界面。涂料系统应检测防护层与保温层拉伸粘结强度，并记录试件破坏状态；面砖系统应检测面砖拉伸粘结强度、抹面层与保温层拉伸粘结强度，并记录试件破坏状态；检测抹面层与保温层拉伸粘结强度时试件断缝应切割至保温层表面，检测面砖拉伸粘结强度时试件断缝应切割至面砖胶粘剂底面。

c)温湿度数据

读取6个界面处温湿度数据，制作温湿度变化曲线图，与拉伸粘结强度及试样外观相对比，与理论界面结露等情况相互验证。

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