典型外墙外保温系统湿气迁移对其耐久性影响研究

吴小双

（1.上海全筑控股集团股份有限公司，上海 200235；2.上海全筑住宅装饰工程有限公司，上海 200235）

0 引 言

外墙外保温系统是提升建筑围护结构节能的有效手段，但其在服役过程中逐渐暴露的空鼓、开裂、发霉、脱落等病害问题，影响了建筑的节能性、舒适性和耐久性[1]。外墙外保温系统失效的一个重要原因是建筑内外环境热湿传递引起水分累积[2]，进而导致材料性能逐渐失效、各材料层之间的粘结强度下降和保温材料的热工性能降低。由于有机保温材料屡屡引起火灾事故，使得无机保温砂浆外保温系统受到了广泛应用。然而，由于无机保温砂浆具有多孔、吸水率较高的特点，在服役过程中容易因吸湿、吸水导致其热工性能和力学性能下降[3]。该系统在全国范围内尤其夏热冬冷地区使用争议较大，研究温度作用下的湿气迁移情况所导致的耐久性失效成因极为重要。

国内外学者对无机保温砂浆外保温系统的传湿进行了相关研究，发现砂浆内湿积累除受本身吸湿性能等的影响外，还受到由温、湿度差引起的水蒸气扩散、水蒸气凝结等因素的影响[4]。李秀辉等[5]研究了广州返潮季节窒内自然环境下玻化微珠保温砂浆的吸放湿情况，研究发现，该砂浆含水率随空气湿度变化非常敏感。任鹏等[6]测试了玻化微珠保温砂浆的自然态吸放湿曲线、质量平衡含湿率和湿平衡状态及绝干状态下的导热系数，研究发现，随着空气相对湿度下降，砂浆内部所含水分在短时间内并不能完全排出；玻化微珠保温砂浆在相同温湿度环境下存在平衡含湿量，且平衡含湿量随环境温湿度同向变化；相较于保温砂浆烘干状态下的导热系数，湿平衡状态下的导热系数平均增大7.82%。张冰等[4]研究了水蒸气扩散、空气渗流、冷凝对玻化微珠保温砂浆湿积累的影响，发现空气流入时砂浆内水蒸气分压力和湿积累速率最大值向内迁移，空气流出时相反，水蒸气冷凝的速率与冷凝区域的边界温度成正比。目前相关的研究主要针对玻化微珠保温砂浆，而对其作为保温材料的外保温系统的传热传湿研究较少。本文采用WUFI Pro 6.0热湿模拟软件对瓷砖饰面无机保温砂浆外墙外保温系统进行稳态和非稳态2种情况下的温湿耦合模拟，有利于解析其耐久性失效成因，为提高墙体使用寿命提供参考。

1 典型外墙外保温系统湿气迁移研究

1.1 基本物理模型

采用WUFI Pro 6.0热湿模拟软件对瓷砖饰面无机保温砂浆外墙外保温系统进行温湿耦合模拟。该系统各材料的组成和厚度如表1所示。组成材料的热物性参数如表2所示。

表1 瓷砖饰面无机保温砂浆外墙外保温系统组成

表2 组成材料热物性参数

1.2 边界条件

将瓷砖饰面无机保温砂浆外墙外保温系统的温湿耦合模拟分为稳态和非稳态2种情况。稳态模拟分为夏季工况和冬季工况，夏季工况用于研究夏季高温高湿的情况，冬季工况用于研究冬季低温的情况，边界条件如表3所示。

表3 稳态温湿耦合模拟的边界条件

瓷砖无机保温砂浆外墙外保温系统的非稳态温湿耦合模拟时，室外的温湿度采用上海2008年全年的温湿度气象数据（各年度温湿度数据基本类似），考虑到室内通风良好且有空调、除湿机等电器调节温湿度，设定室内的温度为18～26℃，当室外温度低于18℃时，设定室内温度为18℃，当室外温度高于26℃时，设定室内温度为26℃，当室外温度为18～26℃时，设定室内温度与室外温度相同，室内相对湿度则恒定为60%。

设定所有材料的初始温度为20℃，初始相对湿度为80%。稳态条件下温湿耦合模拟的计算时间为3年，以保证整个系统的传湿达到稳定。非稳态条件下温湿耦合模拟的计算则采用上海2008年的温湿度气象数据连续计算至少3次。

2 稳态条件下系统内部湿气迁移研究

由于大多数建筑材料是亲水性的，会出现毛细凝结现象，即使相对湿度还没有达到100%，建筑材料内部毛细孔内就会出现液态水[7]，并发生液态水的传输过程，进而影响其热工性能，墙体出现发霉甚至破坏墙体结构的现象[8]。对于具有不同孔隙特征的多孔材料，出现液态水的相对湿度有所不同。本文设定墙体内部相对湿度达到90%时会出现毛细凝结，相对湿度达到100%时会出现冷凝。

2.1 夏季稳态条件下系统内部湿气迁移研究

2.1.1 夏季条件温度变化情况

系统夏季工况稳态模拟温度变化情况如图1所示。

图1 无机保温砂浆外墙外保温系统夏季墙体温度分布

由图1可见，从系统外侧到内侧温度逐渐下降，温度的下降主要出现在无机保温砂浆和加气混凝土内。整个系统内外表面的温差为8.17℃，无机保温砂浆内外表面的温差为2.10℃，加气混凝土内外表面的温差为5.68℃。主要原因是无机保温砂浆和加气混凝土的导热系数小且厚度大，因此热阻大。加气混凝土在夏季墙体隔热中起主要作用，其次是无机保温砂浆。

2.1.2 夏季条件湿气迁移情况

系统夏季工况稳态模拟相对湿度变化情况如图2所示。

图2 无机保温砂浆外墙外保温系统夏季墙体湿度分布

由图2可见：

（1）墙体各个位置的相对湿度均未达到100%，因此不会出现冷凝现象。其中一小部分瓷砖相对湿度超过90%，说明该部分出现了毛细凝结。

（2）从系统的外侧到内侧，瓷砖、瓷砖胶、抹面砂浆、抹灰砂浆的相对湿度逐渐下降，而无机保温砂浆和加气混凝土的相对湿度逐渐增大。对于瓷砖、瓷砖胶、抹面砂浆和抹灰砂浆，导热系数和水蒸气扩散阻力因子较大，导致材料内相对温度变化不大，因此饱和水蒸气分压变化不大，而实际水蒸气分压变化较大。

（3）从材料的外侧到内侧，温度变化不大，饱和水蒸气分压也变化不大，而实际水蒸气分压明显下降，因此相对湿度出现下降。其中瓷砖的水蒸气扩散阻力因子很大且有一定的厚度，对墙体的水蒸气传输过程的影响最大，当水蒸气从室外向室内传输时，瓷砖阻碍了水蒸气从室外进入墙体，从瓷砖外侧到内侧，相对湿度快速下降。对于无机保温砂浆和加气混凝土，导热系数和水蒸气扩散阻力因子较小，导致材料内温度变化较大，因此饱和水蒸气分压变化较大，而实际水蒸气分压变化不大。无机保温砂浆和加气混凝土从外侧到内侧，温度明显下降，饱和水蒸气分压也明显下降，而实际水蒸气分压变化不大，因此相对湿度明显上升。

2.2 冬季稳态条件下系统内部湿气迁移研究

2.2.1 冬季条件温度变化情况

系统冬季工况稳态模拟温度变化情况如图3所示。

图3 无机保温砂浆外墙外保温系统冬季墙体温度分布

由图3可见，整个墙体内外表面的温差为20.80℃，无机保温砂浆内外表面的温差为4.54℃，加气混凝土内外表面的温差为15.28℃。加气混凝土层具有高的热阻，且厚度大，因此在冬季墙体保温中起了主要作用，其次是无机保温砂浆。此外，由于无机保温砂浆的保温作用，加气混凝土的温度高于0℃，不会出现冻融。

2.2.2 冬季条件湿气迁移情况

系统冬季工况稳态模拟相对湿度变化情况如图4所示。

图4 无机保温砂浆外墙外保温系统冬季墙体湿度分布

由图4可见，墙体各个位置的相对湿度都未达到100%，不会出现冷凝现象。接近1/2厚度的墙体的相对湿度超过90%，说明该部分墙体出现了毛细凝结，包括瓷砖和加气混凝土的一部分以及它们之间的瓷砖胶、抹面砂浆、无机保温砂浆和抹灰砂浆。主要原因是瓷砖的水蒸气扩散阻力因子很大且有一定的厚度，阻碍了水蒸气从墙体向室外传输，导致其内侧的墙体出现湿累积的现象，一部分墙体的相对湿度较高。

由稳态模拟结果可知，夏季热量和水蒸气的传输方向是从室外到室内，冬季热量和水蒸气的传输方向是从室内到室外。由于全年中出现了反向的蒸汽渗透现象，且室外相对湿度较高，外墙外保温系统材料层的蒸汽渗透阻不应过大，以避免严重阻碍水蒸气传输过程，导致出现墙体湿累积的现象。保温材料的导热系数小，在沿水蒸气的传输方向上温度下降较快，因此饱和水蒸气分压也下降较快。如果保温材料的水蒸气扩散阻力因子较小，实际水蒸气分压变化不大，保温材料的相对湿度就会快速上升。因此宜选用水蒸气扩散阻力因子较大的保温材料，使实际水蒸气分压也快速下降，避免保温材料的相对湿度快速上升。

3 非稳态条件下系统内部湿气迁移研究

上海地区各年度温湿度数据基本类似，本文在进行非稳态模拟时室外的温湿度采用上海市2008年全年的温湿度气象数据，分别如图5、图6所示。

图5 上海市2008年的温度气象数据

图6 上海市2008年的相对湿度气象数据

3.1 非稳态条件系统内部温度变化

系统非稳态模拟温度变化情况如图7所示。

图7 无机保温砂浆外墙外保温系统非稳态模拟温度变化

由图7可见，加气混凝土内外表面的温度一直都在0℃以上，说明加气混凝土不会冻融。无机保温砂浆和加气混凝土的热阻较高，隔热作用好，减小了温度的波动范围，使室内的温度保持相对恒定。

3.2 非稳态条件系统内部湿气迁移情况

系统非稳态模拟相对湿度变化情况如图8所示。

图8 无机保温砂浆外墙外保温系统非稳态模拟湿度变化

由图8可见，系统外表面的湿度波动范围较大，而砂浆和加气混凝土内外表面的湿度波动范围都不大，说明无机保温砂浆外表面外侧的部分蒸汽渗透阻较大，减小了湿度的波动范围。

值得注意的是，无机保温砂浆和加气混凝土的内外表面的相对湿度都没有超过90%，说明无机保温砂浆外表面内侧的部分不会出现冷凝或毛细凝结。

无机保温砂浆和加气混凝土的含水量随时间的变化如图9所示。

图9 无机保温砂浆和加气混凝土含水量的变化

由图9可见，加气混凝土的含水量为7.5～8.5 kg/m3，无机保温砂浆的含水量为8.0～12.5 kg/m3，2种材料的含水量都不高。无机保温砂浆的含水量波动范围相对较大，主要原因是无机保温砂浆孔洞率较高且靠近外墙表面，容易受到室外湿度变化的影响。

由非稳态的温湿耦合模拟结果可知，无机保温砂浆外墙外保温系统不会出现冷凝或毛细凝结。与稳态的温湿耦合模拟结果相比，非稳态的模拟结果更接近实际情况，说明目前的无机保温砂浆外墙外保温系统在理论上是有效的，不会出现冷凝或毛细凝结。考虑到实际情况的复杂多变，与本文中设置的温湿度条件可能有较大不同，无机保温砂浆外墙外保温系统也可能会出现冷凝或毛细凝结现象。

4 结论

（1）对无机保温砂浆外墙外保温系统进行3年夏季工况稳态模拟结果显示，系统不会出现冷凝，只有小部分瓷砖出现毛细凝结；3年冬季工况稳态模拟结果显示，系统不会出现冷凝，但近1/2厚度的墙体的相对湿度超过90%，说明墙体出现了比较严重的毛细凝结现象。瓷砖的水蒸气扩散阻力因子很大且有一定的厚度，对墙体的水蒸气传输过程有很大影响，在冬季容易导致墙体出现湿累积的现象。

（2）非稳态的温湿耦合模拟结果表明，无机保温砂浆外墙外保温系统保温层外表面内侧的部分不会出现冷凝或毛细凝结，然而保温层外侧的部分有可能出现毛细凝结，从而影响外保温系统的热工性能和耐久性。

（3）当无机保温砂浆外墙外保温系统中出现湿累积或毛细凝结现象时，保温层在冻融循环条件下易产生冻融破坏，长时间浸水导致化学组成及孔结构变化，进而造成开裂、粉化甚至脱落等耐久性失效问题。上海全年中出现了反向的蒸汽渗透现象，且室外相对湿度较高，外墙外保温系统材料层的蒸汽渗透阻不应过大，以避免出现墙体湿累积的现象。因此，夏热冬冷地区宜选用水蒸气扩散阻力因子较大的保温材料，避免在沿水蒸气的传输方向上保温材料的相对湿度快速上升。