【摘 要】
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建筑围护结构墙体由于恶劣的环境条件、养护不当和温湿度应力的作用产生裂缝。裂缝的产生会对整个围护结构墙体的热湿传递以及空气渗透过程产生影响,进而影响墙体的热工性能,增加建筑能耗。研究表明当裂缝大于0.2mm时就会导致建筑内部钢筋锈蚀以及围护结构内部孔隙冻融散裂等一系列安全问题,裂缝对混凝土结构物的结构强度和稳定性具有直接的影响,轻则影响建筑物的外观和正常使用,严重的贯穿性裂缝甚至可能导致混凝土结构物
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建筑围护结构墙体由于恶劣的环境条件、养护不当和温湿度应力的作用产生裂缝。裂缝的产生会对整个围护结构墙体的热湿传递以及空气渗透过程产生影响,进而影响墙体的热工性能,增加建筑能耗。研究表明当裂缝大于0.2mm时就会导致建筑内部钢筋锈蚀以及围护结构内部孔隙冻融散裂等一系列安全问题,裂缝对混凝土结构物的结构强度和稳定性具有直接的影响,轻则影响建筑物的外观和正常使用,严重的贯穿性裂缝甚至可能导致混凝土结构物的完全破坏。首先,本研究针对受损围护结构的特点采用等效连续介质的方法结合立方定律、达西定律计算裂缝内部空气的等效渗透率,并通过混合有限元的思想简化了裂缝与基质交界处的热湿和空气耦合传递过程,以温度、压力以及相对湿度分别作为热传递、空气传递以及湿传递的驱动势,建立了一种针对受损围护结构的热、空气以及湿(Heat,air and moisture,简称HAM)耦合传递模型。通过图像处理提取建筑材料真实裂缝的几何模型,使用COMSOL Multiphysics对受损产生裂缝的围护结构墙体进行HAM耦合传递模拟计算。其次,针对受损围护结构墙体的特点建立了受损围护结构热湿耦合传递监测实验平台,为验证受损围护结构HAM耦合传递模型提供实测数据。通过对比实验与模拟结果发现:实验与模拟结果的温度最大绝对误差为8.1°C,平均绝对误差为2.8°C;相对湿度最大绝对误差为4.6%,平均绝对误差为3.1%;实验与模拟误差在合理范围内,充分验证了新建模型的准确性。最后,通过对受损围护结构实验以及多尺度模拟结果进行分析,从空气渗透、热传递以及湿传递三个方面得出裂缝对围护结构的HAM传递影响机理。针对空气渗透过程,在墙体两侧压差为10Pa情况下,含2mm贯穿裂缝的围护结构平均压力比无裂缝的围护结构高出0.5Pa左右,裂缝内部空气流速随着沿裂缝深度的延伸不断增大,最大可达0.6m/s,与无裂缝时围护结构内部流速7.82?10-5m/s相比提升了4个数量级。并且裂缝的贯穿程度越深其内部的空气渗流速度越大,裂缝对其周围的流场影响区域也越来越大。在微观尺度下,随着裂缝的宽度增加裂缝内的流速也逐渐增加,裂缝成为了围护结构内部空气渗流的主要通道,这导致裂缝周围区域的流速逐渐降低,在一些远离裂缝连通性不好的孔隙内部甚至不会发生空气流动。针对热传递过程,贯穿裂缝的产生增强了围护结构内部的对流换热。在微观尺度下,含30μm宽度贯穿裂缝的围护结构内部平均对流换热量是无裂缝时的2.45倍,整体温度较无裂缝围护结构提升0.54℃左右。并且随着裂缝宽度的增加围护结构内部的对流换热量也显著增加,对流换热量的增加区域主要是裂缝内部,这得益于裂缝产生后其内部空气流速的增加。在贯穿裂缝周围热量以导热的形式传递给围护结构基体,由于裂缝在围护结构内部有着较高的温度,所以裂缝周围的区域温度受裂缝的影响也迅速升高。针对湿传递过程,围护结构内部的相对湿度分布受其内部的温度分布影响较大。贯穿裂缝的存在使得围护结构内部对流水汽通量相较无裂缝时提升了近3倍,但水汽通量的提升并没有对围护结构内部的相对湿度分布情况产生明显的影响,围护结构内部的湿传递和分布还是受其内部温度分布的影响较大,受损围护结构温度场对其内部湿传递和分布的影响相较裂缝和两侧边界条件的影响更为显著。综上所述,本文对受损围护结构内部的HAM耦合传递进行研究,建立了受损围护结构HAM耦合传递模型。通过实验和多尺度下的模拟研究,发现贯穿裂缝能够显著的提升围护结构内部的空气渗流速度,同时也一定程度上增强了围护结构内部的水汽传递、加剧了热量的传递,进而导致建筑在运行过程中的能耗增加,增加了建筑围护结构的结露风险并使建筑耐久性降低,本研究的研究结果为解决围护结构受损产生裂缝后造成的上述一系列问题提供了理论依据。
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