CN108760604A - 一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法，包括如下步骤：(1)制作试件：制作多个相同尺寸的试件；(2)试件烘干：将(1)中的试件进行烘干得到干燥试件；(3)干燥试件称重：将(2)中烘干后的干燥试件进行称重并记录干燥试件重量md；(4)试件真空饱和：将(2)中烘干后的干燥试件先进行抽气，抽气后再对试件进行注水，注水后再将试件保持浸水，得到真空饱和试件；(5)真空饱和试件称重：将(4)中的真空饱和试件称重，并记录真空饱和试件重量mvac；(6)数据处理。本发明具有方法简便、操作简单，且预判较为精准等优点。本发明属于竹材热湿性质测试技术领域。
Description
技术领域
本发明属于竹材热湿性质测试技术领域，尤其涉及一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法。
背景技术
竹材应用于建筑工业具有竹产业高值化和建筑可持续发展等多重潜力。在竹林资源工业化利用背景下，多种竹材产品被开发出来，其中包括竹集成材、竹胶合板、竹重组材、竹刨花板、大片竹材定向刨花板等典型板材，被应用于梁、柱等承重结构，以及墙体、地板等围护结构工程中。建筑承重结构通常以力学性能为导向，建筑材料力学强度很大程度上取决于其骨架特征，这使得力学性质和材料表观密度之间存在着显著相关性，因而长期以来，以力学性能为导向的建筑材料往往以表观密度作为生产控制和强度预判指标，这包括竹材人造板在内。
与此有别的是，建筑围护结构则以热湿性能为导向，相应的建筑材料则着重关注热湿性质。在构成建筑围护结构热湿过程的模型中，涉及到表征材料性质的多种参数，一般地，可以归为基本物理性质、湿物理性质和热物理性质，其中热和湿物理性质又分别包含表征储存性质和传递性质的若干参数。热湿物理性质测试极为缓慢，需要数月乃至数年时间才能获得完整结果，因此需要寻找容易获取的基本物理性质对其进行预判。基本物理性质包含表征建筑材料实体部分的骨架特征和表征实体之间空隙的孔隙特征。对于建筑围护结构热湿过程相关的材料热湿物理性质，除取决于骨架部分化学组成的热储存性质(比热容)外，建筑材料内部湿分(包括液态水和气态水)储存位置和传递通道，以及部分的热量传递均发生在空隙空间。因此，通常采用的表观密度用于预判竹材热湿物理性质必然存在局限。
竹材作为一种植物纤维有机材料，孔隙尺寸分布和结构复杂，因此在微观层面上对其进行描述并不可行。采用“孔隙率”描述空隙部分占整体的体积比例是相对容易获取的一项指标。但竹材中包含着开放孔隙和封闭孔隙两部分，其中后者与外部隔离，因此不能在其中发生吸放湿过程。因此在计算“孔隙率”时，目前通常将开放孔隙和封闭孔隙均算入。“开放孔隙率”描述可以发生湿分储存和传递的空隙部分，然而通过一般真空饱和实验测得的结果中包含着无法区分开的液态水和气态水两部分，后者比重虽小，但由于各种竹材之间初始含水率(即气态水含湿量)之间存在差异，通常在8％-15％范围内，这给测试结果造成误差，也使得测试方法不能形成统一标准。
发明内容
针对上述问题本发明提供一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法，能快速测试竹材热湿物理性质的预判指标，方法简便、操作简单，且预判较为精准。
本发明先提出一种竹材热湿性质的预判指标，再设计一种测试该预判指标的方法。
该预判指标即“液态水开放孔隙率”，其中：
(1)“液态水”，统一采用液态水作为表征指标，排除气态水部分；
(2)“开放”，统一描述与外界连通的孔隙，排除与外部隔离而使得湿分无法进出的孔隙；
(3)“孔隙率”，计算同时满足(1)和(2)所指代的孔隙的总体积占该竹材整体体积的比例；不描述孔隙大小、结构等其它特征。
为快速测试出该“液态水开放孔隙率”，本发明提出竹材的液态水开放孔隙率测试方法。
一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法，包括如下步骤：
(1)制作试件：制作多个相同尺寸的试件；
(2)试件烘干：将(1)中的试件进行烘干得到干燥试件；
(3)干燥试件称重：将(2)中烘干后的干燥试件进行称重并记录干燥试件重量md；
(4)试件真空饱和：将(2)中烘干后的干燥试件先进行抽气，抽气后再对试件进行注水，注水后再将试件保持浸水，得到真空饱和试件；
(5)真空饱和试件称重：将(4)中的真空饱和试件称重，并记录真空饱和试件重量mvac；
(6)数据处理：根据
计算试件真空饱和含湿量wvac，单位为kg/m3，式中V为试件体积，单位为m3，
再根据
计算材料的液态水开放孔隙率Φl。式中ρl为室温下水的密度，单位为kg/m3。
优选的，在制作试件时，选取竹材板产品并按照平面尺寸不小于10cm×10cm裁剪出试件，试件厚度和竹材板产品厚度相同，裁剪试件数量为一式三份。
优选的，试件烘干时，将烘干箱内温度维持在70℃，将试件置入烘干箱，烘干3天。
优选的，烘干后将试件进行称重，再放回烘干箱，每隔24h取出进行称重，完成称重后放回烘干箱，重复以上操作，直至连续3次称重所得结果差异不超过0.1％时，认为试件已经达到干燥状态，记录干燥后的干燥试件质量md。
优选的，试件真空饱和时，将试件置入真空饱和实验装置内，降低真空饱和实验装置内气压直至10mbar以下，稳定6小时，以使试件内部的孔隙中空气排出；保持真空饱和实验装置内气压，缓慢注入蒸馏水，保持液面上升速度约5cm/h，直至液面上升至试件顶面上方约5cm后停止注水，完成对试件的注水；保持试件在水中浸没3天，完成试件的浸水。
优选的，所述真空饱和实验装置包括真空舱、真空泵、水槽、给水箱、进水管、排气管，水槽放置于真空舱内，真空泵经排气管和真空舱相连接，给水箱经进水管和水槽相连接，进水管穿过真空舱伸入水槽内，真空舱上还设有压力表。
优选的，排气管和进水管上均设有阀门。
优选的，将作为试件等高支架的螺母平放在水槽底部，在螺母上平放用于支承试件的不锈钢架，将试件侧立于不锈钢架上，再在试件上方压上压顶块。
优选的，试件真空饱和之前，先将干燥试件置于烘干箱中冷却至室温。
本发明的有益效果：本发明通过测量试件的干燥试件重量和真空饱和试件重量，再计算出试件的液态水开放孔隙率，因此可以较快、较方便地、较精准地预判出竹材的热湿物理性质；本发明通过多次测量不同时段烘干箱中的试件重量，以获得精确的干燥试件重量，进而得到较为精准的液态水开放孔隙率；本发明采用抽气、注水、浸水，且抽气和浸水时均保持较长的时间，从而获得更为充分的真空饱和试件，为计算液态水开放孔隙率做好更充分的准备；本发明中采用真空饱和实验装置，结构简单，搭建方便、操作简便；在试件真空饱和之前，现将干燥试件通过烘干箱冷却至室温，因此保证测量过程中误差更小，测量更精准。
附图说明
图1为本发明的测试流程图。
图2为本发明中制作试件的示意图。
图3为本发明中试件烘干的示意图。
图4为本发明中试件称重的示意图。
图5为本发明中试件安装于水槽时的分解示意图。
图6为本发明中真空饱和实验装置的结构示意图。
图7为基本物理性质与热湿物理性质测试结果相关性的柱状图。
其中，1-真空泵，2-排气管，3-真空舱，4-排气阀门，5-压力表，6-给水箱，7-水槽，8-舱门，9-进水阀门，10-进水管，11-试件，12-竹材板产品，13-烘干箱，14-天平，15-不锈钢架，16-螺母。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的具体说明。
一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法，主要包括包含如下步骤：制作试件、试件干燥、试件称重、试件真空饱和(抽气-注水-浸水)、试件真空饱和称重、数据处理，测试流程图如图1所示。
测试方法具体过程如下：
1、制作试件
(1)选取合格的竹材板产品，裁切竹板材产品获得试件，要求试件平面尺寸不小于10cm×10cm，采用竹板材产品的厚度；
(2)准备以上规格试件，数量不少于一式三份。
在本实施例中，选取人造的竹材板(目前常规的竹材板)，该竹材板的标准尺寸为1220mm×2440mm(宽×长)，厚度为28mm或者18mm。竹板材产品的厚度通常也是其实际工程中所采用的厚度。
2.试件干燥及称重
(1)准备设备，包括烘干箱和天平；
(2)将烘干箱内温度维持在70℃，将试件置入烘干箱，3天(d)后进行称重，称重后放回烘干箱；
(3)每隔24h取出进行称重，完成称重后放回烘干箱，重复以上操作，直至连续3次称重所得结果差异不超过0.1％时，认为试件已经达到干燥状态，记录干燥后的试件质量md，单位为kg。
本实施例中，烘干箱采用101A-2S型数显不锈钢电热鼓风干燥箱，精度为±1℃；，天平采用SHIMADZU UX6200H，精度为0.01g。
3、试件真空饱和及称重
(1)准备真空饱和实验装置，真空饱和实验装置包括真空舱、真空泵、水槽、给水箱、进水管、排气管，真空泵经排气管和真空舱相连接，给水箱经进水管和水槽相连接，进水管穿过真空舱伸入水槽内，进水管、排气管上均设有阀门，进水管上为进水阀门，排气管上为排气阀门；
(2)将螺母平躺在水槽底部，形成试件等高支架，在螺母上平放若干用于支承试件的不锈钢架，将试件侧立于不锈钢架上；
(3)在试件顶部压上足够重量的不锈钢架(也即此时的不锈钢架为压顶块)，不锈钢架的重量应能保证试件在被水完全浸没时仍不会浮出水面；
(4)将试件及水槽整体移入真空舱，关闭舱门，确保进水阀已经关闭，同时排气阀已经开启；
(5)启动真空泵，降低真空舱内气压直至10mbar以下，稳定6小时(h)，使试件内部的开放孔隙中空气排出；
(6)保持真空舱内气压，打开进水阀向水槽中缓慢注入蒸馏水，保持液面上升速度约为5cm/h(厘米/小时)，直至液面上升至试件顶面上方约5cm后停止注水，关闭排气阀、进水阀和真空泵；
(7)保持试件在水中浸没3天(d)后取出，用柔软的湿布擦去其表面附着水后进行称重，记录真空饱和质量mvac，单位为kg。
在本实施例中，真空泵采用Fopump旋片真空泵2X-8，该真空泵为抽速8L/S，极限压力600Pa；水槽的尺寸为35cm×35cm×20cm(长×宽×高)，且可水槽独立移动。并且，在从步骤“试件干燥”进入步骤“试件真空饱和”之间，需要将试件冷却至室温，这一过程应放置在干燥箱中进行，不允许直接暴露于室内空气。
4、数据处理
根据
计算试件真空饱和含湿量wvac，单位为kg/m3；式中V为试件体积，单位为m3。
再根据
计算材料的液态水开放孔隙率Φl。式中ρl为室温下水的密度，单位为kg/m3。
如图7所示，在对整竹展平板、竹集成材、竹胶合板、竹重组材、竹刨花板和大片竹材定向刨花板等6种典型竹板材产品进行基本物理性质(液态水开放孔隙率、干燥表观密度)和热湿物理性质测试，并在所得结果之间进行相关性分析。结果表明，竹材热湿物理性质与“液态水开放孔隙率”Φl值之间的相关性明显强于其与“干燥表观密度”ρd值之间的相关性，因而“液态水开放孔隙率”更适合用于对竹材热湿物理性质进行预判。以两者的相关性系数r值和显著性指标sig值的比值表示，制出下表：
并且可以看出，与毛细饱和含湿量wcap的相关性：r-Φl/ρd之间比值为125.72％，sig-Φl/ρd之间比值为9.89％；
与蒸汽渗透系数δ的相关性：r-Φl/ρd之间比值为112.15％，sig-Φl/ρd之间比值为2.45％；
与毛细吸水系数Acap的相关性：sig-Φl/ρd之间比值为109.13％，sig-Φl/ρd之间比值为1.44％；
与干燥速率U的相关性：r-Φl/ρd之间比值为107.23％,，sig-Φl/ρd之间比值为3.42％；
与导热系数λ的相关性：r-Φl/ρd之间比值为140.00％，sig-Φl/ρd之间比值为11.94％。
可见，竹材热湿物理性质与Φl值的相关性分别为与ρd值相关性的107％-140％(r)和1.4％-11.9％(sig)。相比之下，“液态水开放孔隙率”的相关性强度得到明显提高。
相关性强度与r值成正比，与sig值成反比。
作为一项简化指标，“液态水开放孔隙率”容易通过测试获取，可操作性强，且所需时间相比于热湿物理性质测试大为缩短。从竹材建筑围护结构工程应用的角度看，由于“液态水开放孔隙率”与竹材热湿物理性质之间的显著相关性，可以为实际工程中的材料产品选择提供高效、准确的预判参考；从竹材工业化生产的角度看，“液态水开放孔隙率”具备成为热湿性质为导向的生产控制指标，为建筑围护结构竹材开发提供一种控制参数。
上述实施例为发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制作试件：制作多个相同尺寸的试件；
(2)试件烘干：将(1)中的试件进行烘干得到干燥试件；
(3)干燥试件称重：将(2)中烘干后的干燥试件进行称重并记录干燥试件重量md；
(4)试件真空饱和：将(2)中烘干后的干燥试件先进行抽气，抽气后再对试件进行注水，注水后再将试件保持浸水，得到真空饱和试件；
(5)真空饱和试件称重：将(4)中的真空饱和试件称重，并记录真空饱和试件重量mvac；
(6)数据处理：根据
计算试件真空饱和含湿量wvac，单位为kg/m3，式中V为试件体积，单位为m3，
再根据
计算材料的液态水开放孔隙率Φl。式中ρl为室温下水的密度，单位为kg/m3。
2.根据权利要求1所述一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法，其特征在于：在制作试件时，选取竹材板产品并按照平面尺寸不小于10cm×10cm裁剪出试件，试件厚度和竹材板产品厚度相同，裁剪试件数量为一式三份。
3.根据权利要求1所述一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法，其特征在于：试件烘干时，将烘干箱内温度维持在70℃，将试件置入烘干箱，烘干3天。
4.根据权利要求3所述一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法，其特征在于：烘干后将试件进行称重，再放回烘干箱，每隔24h取出进行称重，完成称重后放回烘干箱，重复以上操作，直至连续3次称重所得结果差异不超过0.1％时，认为试件已经达到干燥状态，记录干燥后的干燥试件质量md。
5.根据权利要求1所述一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法，其特征在于：试件真空饱和时，将试件置入真空饱和实验装置内，降低真空饱和实验装置内气压直至10mbar以下，稳定6小时，以使试件内部的孔隙中空气排出；保持真空饱和实验装置内气压，缓慢注入蒸馏水，保持液面上升速度约5cm/h，直至液面上升至试件顶面上方约5cm后停止注水，完成对试件的注水；保持试件在水中浸没3天，完成试件的浸水。
6.根据权利要求5所述一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法，其特征在于：所述真空饱和实验装置包括真空舱、真空泵、水槽、给水箱、进水管、排气管，水槽放置于真空舱内，真空泵经排气管和真空舱相连接，给水箱经进水管和水槽相连接，进水管穿过真空舱伸入水槽内，真空舱上还设有压力表。
7.根据权利要求6所述一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法，其特征在于：排气管和进水管上均设有阀门。
8.根据权利要求6所述一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法，其特征在于：将作为试件等高支架的螺母平放在水槽底部，在螺母上平放用于支承试件的不锈钢架，将试件侧立于不锈钢架上，再在试件上方压上压顶块。
9.根据权利要求5所述一种竹材的液态水开放孔隙率测试方法，其特征在于：试件真空饱和之前，先将干燥试件置于烘干箱中冷却至室温。
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