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无机抗裂保温砂浆的研究 (李茂山)

添加日期:2014/6/19 14:12:34   作 者:  来源:   浏览次数:
                                                                无机抗裂保温砂浆的研究
                                                                                      李茂山
                                                                          干粉砂浆研发课题组
 
摘要:
本文对研发出的隔热抗裂无机玻化微珠保温砂浆进行燃烧性能(A1级)、烟气毒性、导热系数等各项性能测试,同时根据传统墙体保温系统的施工工艺进行构造设计和耐候性、抗风压值、抗冲击性等各项系统性能测试,各项性能测试符合要求。
关键词:节能保温;抗裂;玻化微珠;A级防火
 
1 前言
 
隔热抗裂无机玻化微珠保温砂浆的研究技术路线是在传统保温砂浆的基础上进行研发改性,通过“原材料选用”和“配比优化”,再结合进行“性能测试”的技术路线,得到导热系数低,憎水率、强度和韧性高同时具有A1级防火标准的玻化微珠保温砂浆。
使用玻化微珠保温砂浆材料构成建筑保温节能系统,克服了普通膨胀珍珠岩(不经表面玻化的膨胀珍珠岩)砂浆吸水性大、易粉化、在料浆搅拌中体积收缩率大、易造成建筑工程产品后期保温性能降低和空鼓开裂等难题,同时,玻化微珠保温砂浆自身具有抗老化、防火性强、无毒、强度高、黏结性能好等特点,而且施工工艺简单,可操作性强,比无机保温材料中的普通膨胀珍珠岩保温砂浆也有明显的优越性,可以肯定地说,随着我国建筑节能技术的发展,玻化微珠保温砂浆在建筑保温节能工程中的应用范围益广泛。
 
2 试验设计、方法及材料
 
隔热抗裂无机玻化微珠保温砂浆是以玻化微珠颗粒为细骨料,水泥或粉煤灰等为胶凝材料,并加入各种外加剂加水拌合而成的具有良好保温效果的砂浆,主要用于外墙外保温系统的多层砂浆复合系统中。
1)玻化微珠原料选择
玻化微珠是一种酸性玻璃质溶岩矿物质(松脂岩矿砂),经过特种技术处理和生产工艺加工形成内部多孔、表面玻化封闭,呈球状体细径颗粒,是一种具有高性能的新型无机轻质绝热材料。由于表面玻化形成一定的颗粒强度,物理化学性能十分稳定,耐老化、耐候性强,具有优异的绝热、防火、吸音性能,在建材行业中,用玻化微珠作为轻质骨料,可提高砂浆的流动性和自抗强度,减少材性收缩率,提高产品综合性能,降低综合生产成本。在轻质干混砂浆(保温型、砌筑型、抹面型)应用中,用玻化微珠替代传统的普通膨胀珍珠岩和聚苯颗粒作干混保温砂浆轻质骨料,提高完善了保温砂浆的综合性能和施工性能。
隔热抗裂无机玻化微珠保温砂浆选用中等粒径的玻化微珠(粒度在104-123μm的大于85%)为骨料,平均密度为80Kg/m3,导热系数0.036-0.045W/(m·K),其原料玻化微珠的耐火度1200℃。
玻化微珠材料按不同粒径,分为大粒径:123-840μm,中等粒径:104-123μm和小粒径:74-104μm,并对应不同密度和导热系数,一般来讲,玻化微珠粒径越大,密度越小,导热系数越低,抗压和抗折强度越小,反之亦然,为得到玻化微珠密度与力学性能的关系,我们进行了对比实验:
(1)试样制备
试验中选用了具有代表性的小粒径、中粒径和大粒径三种不同粒径的玻化微珠散料为骨料,对应的密度分别为30Kg/m3、80Kg/m3、150Kg/m3。将一定配比的胶凝材料、玻化微珠以及其他外加剂先预拌后,再加入水继续搅拌,直至浆料均匀并且无结团现象为止。用固定混合料重量法(或体积法)和固定试样的厚度来预设玻化微珠保温砂浆制品试样的密度。试样的规格为160mm*40mm*40mm。
(2)性能测试
① 抗折强度
试验在WD-5型万能材料试验机 进行,采用“三点法”对试样加载。跨距为100mm,加载速度为1mm/min。抗折强度取平均值。
② 抗压强度
为保证试验结果的可靠性,加压时试件的高度保持40mm,受压面积为40mm*40mm。试验结果取平均值。
(3)试验结果和分析
密度是影响隔热抗裂无机玻化微珠保温砂浆制品力学性能的关键因素。玻化微珠建筑保温材料的密度与其抗压强度和抗折强度的关系分别见图1与图2。
图1、三种不同粒径(密度)玻化微珠与其制品抗压强度的关系
□—密度为150Kg/m³的大粒径玻化微珠在其不同密度制品下的抗压强度
△—密度为80Kg/m³的中粒径玻化微珠在其不同密度制品下的抗压强度
◇—密度为30Kg/m³的小粒径玻化微珠在其不同密度制品下的抗压强度
 
图2、三种不同粒径(密度)玻化微珠与其制品抗折强度的关系
□—密度为150Kg/m³的大粒径玻化微珠在其不同密度制品下的抗折强度
△—密度为80Kg/m³的中粒径玻化微珠在其不同密度制品下的抗折强度
◇—密度为30Kg/m³的小粒径玻化微珠在其不同密度制品下的抗折强度
经线性回归分析表明,密度与强度(包括抗压与抗折)呈线性关系,即随密度的增大,抗压、抗折强度线性上升。玻化微珠密度不同的三组试样均表现出相同的趋势。分别比较图1与图2上的三条曲线,发现在玻化微珠制品试样密度相同的情况下,玻化微珠的密度直接影响到试样强度的绝对值。玻化微珠的密度为80Kg/m³的试样的强度均明显高于由密度为30Kg/m³和150Kg/m³的玻化微珠制作的试样强度。综合研究发现,在固定试样密度的前提下,玻化微珠的密度只有在合适的范围内,才能保证复合材料的密度与强度和保温性能的统一。图3为试样的抗压强度与抗折强度比值与密度的关系。
 
图3、三种不同粒径(密度)玻化微珠与其制品抗压/抗折的关系
□—密度为150Kg/m³的大粒径玻化微珠在其不同密度制品下的抗压抗折比
△—密度为80Kg/m³的中粒径玻化微珠在其不同密度制品下的抗压抗折比
◇—密度为30Kg/m³的小粒径玻化微珠在其不同密度制品下的抗压抗折比
与普通混凝土相比,显然该材料的抗压/抗折强度值范围较小,且玻化微珠的密度直接影响此比值的大小及样品密度增加时此比值增大的速率。如玻化微珠密度为30Kg/m³、80Kg/m³和150Kg/m³时三种玻化微珠复合材料的比值在1.2-2.6之间;随样品密度的增加,抗压强度/抗折强度值增大。但玻化微珠密度为30Kg/m³和150Kg/m³的样品,压折比增大的幅度要小。
经过大量实验验证,以中粒径的玻化微珠散料作为保温砂浆的骨料,可以使玻化微珠保温砂浆制品的各项性能得到较好发挥。
2)纤维素醚选用及特点
在保温砂浆中,纤维素醚的添加量是很低的,但是能显著改善砂浆的性能,是影响砂浆施工性能的一种主要的添加剂。因为在市场上甲基纤维素醚较为常用,且产品性能较为稳定,所以本课题采用的是非离子型的甲基纤维素醚(MC)。
保水性是甲基纤维素醚的一个重要指标,也是国内很多保温砂浆厂家所关注的性能。影响砂浆保水效果因素包括甲基纤维素醚的添加量、甲基纤维素醚的粘度、颗粒的细度及使用环境的温度等等。在一般情况下,保温砂浆保水性随着MC添加量的提高而提高;随着MC的黏度的增加而增加;细度小的MC比粗的保水性能好,MC的保水性还随着使用温度的上升而降低。为得到纤维素醚的最佳掺量配比,做如下实验:
(1)保温制品试件的制作
利用玻化微珠质轻、环保和廉价的特点,加入胶粘材料和其它功能助剂,先将各粉料混合均匀后,加水搅拌均匀,一次性注入到模具中。并且根据检测性能的不同分别注入不同的模具中,按照保温砂浆的检测标准进行试样的相关制作。
(2)试验结果分析
保温砂浆保水性差,容易分层离析,由于保温墙体的吸水率高,砂浆涂抹在保温墙体表面上会发生严重失水,不但影响到砂浆的正常硬化,而且会影响砂浆与墙面的粘结程度,导致墙面开裂,脱落。因此在砂浆中掺加纤维素醚,作为一种保水剂,它可以增加新拌砂浆的稠度,防止砂浆分层离析,并获得良好的可塑性。它还能保住砂浆中的自由水,使水泥充分水化,强度提高。甲基纤维素醚掺量0~0.2%进行试验,试验时砂浆稠度控制在6cm~8cm,试验结果如表1所示:
表1不同纤维素醚掺量对保温砂浆性能的影响
图4纤维素醚掺量对保温砂浆干表观密度的影响
图5纤维素醚掺量对保温砂浆导热系数的影响
图6纤维素醚掺量对保温砂浆抗压强的影响
由表1和图4、图5、图6可以看出:
①甲基纤维素醚掺量对砂浆干表观密度、导热系数、抗压强度有小幅度减小。这是因为甲基纤维素醚具有一定的引气作用,在砂浆内部产生气泡,使砂浆干表观密度减小。热传递过程的加长,导致导热系数降低。由于有少量气泡的存在,砂浆内部产生了应力集中,使得抗压强度降低。
②甲基纤维素醚掺量对保温砂浆施工性能影响较大。由于甲基纤维素醚具有保水、发泡、及增稠的作用。在砂浆中掺入0.1%甲基纤维素醚,可改善砂浆的保水性,防止砂浆起砂、起粉,使得砂浆的抗流挂性能变强,在砂浆上墙时,不易掉落。但是甲基纤维素醚掺量超过0.1%时,会使砂浆变得过稠,施工性能降低。
③经过大量实验验证,甲基纤维素醚的掺量在0.1%时施工性最好,并且其它性能也是最佳。
3)憎水剂对制品吸水性、吸湿性的影响
隔热抗裂无机玻化微珠保温砂浆采用与玻化微珠相容性较好,且憎水效果良好的无毒害、环保型无机类憎水剂。玻化微珠的吸水率较高,吸水后导热系数会增大,保温效果随之下降,因此,需对材料进行改性,使其具备防水功能。通过添加无机类憎水剂能够大大降低玻化微珠的吸水率,可在玻化微珠表面形成坚固的防水层,在保证不影响玻化微珠各项性能的同时,起到良好的防水效果。
表2无机类憎水剂典型物理性质
对于隔热抗裂无机玻化微珠保温砂浆,严重阻碍其优秀使用性能的主要原因在于玻化微珠本身的强吸水能力。因此降低吸水能力,对于提高玻化微珠保温制品的综合性能尤为重要。通过试验对比可知不同比例的憎水剂对玻化微珠制品吸水率的吸湿率的影响,试验结果证明采用的玻化微珠保温砂浆在一定量憎水剂的作用下,玻化微珠制品的吸水率和吸湿率有进一步明显的下降,见表3和图7。
表3不同憎水剂加入量对玻化微珠制品吸湿率影响
 
图7不同憎水剂掺量对玻化微珠制品吸水率影响
由上图可以看出,加入一定量的憎水剂后,玻化微珠制品的饱和吸水率从120%降到8%左右,起到了明显的降低效果。由表3也可以看出,加入憎水剂后,制品的72h吸湿能力减少了约30%。玻化微珠为亲水性开口微孔结构体,为了降低吸水能力,本试验从两方面进行处理:一方面,采用无机胶黏剂与玻化微珠充分混合,并且胶凝材料包裹住玻化微珠颗粒,改变其开孔性,形成封闭的颗粒孔结构,降低吸水能力;另一方面,通过加入憎水剂,使玻化微珠颗粒表面由亲水性转变为一定的憎水性,憎水剂和胶结材料共同作用,阻塞颗粒大间隙,隔断连通结构,保持制品的整体紧密封闭结构,降低吸水能力。通过以上图表分析,本实验认为,憎水剂的掺量为8%时,即可满足需求。
 
3 试验结论
 
1)首先对玻化微珠这一原材料中不同粒径和密度的骨料制品进行研究,分析其对制品强度的影响,进而选用最有利保证制品强度较高要求的中骨料玻化微珠作为保温砂浆的原材料。
2)在原材料玻化微珠和胶凝材料选用范围确定的情况下,为提升隔热抗裂无机玻化微珠保温砂浆的保水性和强度,添加纤维素醚,并进行配比优化实验,并分析得出当纤维素醚掺量为0.2%(占胶凝材料)时效果最好。
3)为提升隔热抗裂无机玻化微珠保温砂浆的憎水性,向保温砂浆中加入憎水剂,并进行配比优化实验,分析得出憎水剂的最佳比例为8%,也就是占胶凝材料的8%时各方面性能最佳。
 
结论
 
按以上试验所得到的配比进行隔热抗裂无机玻化微珠保温砂浆的生产,并对研发出的隔热抗裂无机玻化微珠保温砂浆进行燃烧性能(A1级)、烟气毒性、导热系数等各项性能测试,同时根据传统墙体保温系统的施工工艺进行构造设计和耐候性、抗风压值、抗冲击性等各项系统性能测试,各项性能测试合格后进行工程实例应用,同时编制和完善企业标准和技术规程等相关资料。
 
参考文献
 
[1] GB 50176-2003 《民用建筑热工设计规范》
[2] JGJ 134-2001 《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》
[3] DB 32/478-2001 《江苏省民用建筑热环境与节能设计标准》
[4] GB 8624-2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》
[5] JGJ 253-2011《无机轻集料保温砂浆系统技术规程》
[6] 张明良.玻化微珠保温砂浆配方的优化.瓦克化学,2006(10)
[7] 杨航飞,胡水江,徐军,徐利军.玻化微珠保温砂浆性能探索.福建建材,2011(3)

 


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