一種新型建筑外墻外保溫材料的制備研究

張莎莎

摘 ?????要： 針對(duì)當(dāng)前建材市場(chǎng)新型保溫材料的需求，以建筑用的復(fù)合外墻外保溫材料為例，以粉煤灰、聚丙烯纖維、硫鋁酸鹽水泥等作為原材料，探討不同摻量下對(duì)外墻外保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等的影響。結(jié)果表明，硫鋁酸鹽水泥摻量低于35%，粉煤灰和硅灰的最佳摻量為整體物料質(zhì)量的22%和16%，聚丙烯纖維摻量為整體物料的0.3%，憎水劑為整體物料的8%，得到的外墻外保溫材料性能最佳。

關(guān) ?鍵 ?詞：膠凝材料;外加劑;建筑保溫材料

中圖分類號(hào)：TQ 050.4+3 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）08-1744-04

Abstract： In view of the demand of new thermal insulation materials in the current building material market， a composite external wall thermal insulation material was prepared from fly ash， polypropylene fiber and sulphoaluminate cement. The effect of different raw material dosages on the thermal conductivity， compressive strength and tensile strength of prepared external wall thermal insulation material was investigated. The results showed that when sulphoaluminate cement was less than 35%， fly ash and silica fume were 22% and 16%， polypropylene fiber was 0.3%， and hydrophobic agent was 8%，prepared exterior insulation material had the best performance.

Key words： Cementitious materials; Additives; Building insulation materials

建筑保溫技術(shù)是諸多建筑節(jié)能減耗方法中最為直接有效地一種措施，研究建筑保溫材料具有重要意義。 現(xiàn)有的建筑保溫材料主要包括有機(jī)保溫材料、無(wú)機(jī)保溫材料以及復(fù)合保溫材料等類型。其中，有機(jī)保溫材料普遍存在著較大的火災(zāi)隱患，而無(wú)機(jī)保溫材料在保溫性能、吸水率、干表觀密度等方面有所欠缺[1-3]。

因此，本文以復(fù)合建筑外墻外保溫材料作為研究對(duì)象，選取了若干種目前應(yīng)用較為普遍的無(wú)機(jī)膠凝材料以及外加劑，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，并制備復(fù)合建筑外墻外保溫材料。然后以導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試、力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試等方法，研究考察了無(wú)機(jī)膠凝材料以及外加劑對(duì)于復(fù)合建筑外墻外保溫材料性能的影響，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析與總結(jié)。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?實(shí)驗(yàn)材料

本文所選取的實(shí)驗(yàn)材料如表1所示。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)儀器

本文所用的主要實(shí)驗(yàn)儀器如表2所示。

1.3 ?制備方法

建筑外墻外保溫材料的制備條件為：空氣溫度（23±2）℃，相對(duì)濕度（60±15）%;制備完畢后在該條件下養(yǎng)護(hù)28 d。材料的具體制備流程如圖1所示。

1.4 ?性能測(cè)試方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 158-2013《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)材料》[4]，本文所確定的建筑外墻外保溫材料性能測(cè)試指標(biāo)如表3所示。

（1）干表觀密度測(cè)試

在空氣溫度（23±2）℃，相對(duì)濕度（60±15）%的試驗(yàn)條件下，根據(jù)前文所述的制備方法將漿料注入模具后密閉養(yǎng)護(hù)5 d，脫模后繼續(xù)密閉2 d，再去掉密閉外膜并養(yǎng)護(hù)20 d，得到測(cè)試試件。測(cè)試前，將試件置于烘箱內(nèi)，以65 ℃進(jìn)行烘干處理，然后測(cè)定試件的體積與質(zhì)量，以此計(jì)算得到干表觀密度。干表觀密度測(cè)試結(jié)果精確至1 kg/m?。

（2）導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

本文采用YG-DRL02型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x，對(duì)尺寸為200 mm×200 mm×30 mm的試件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果的單位為 W/（m·K）。

（3）抗壓強(qiáng)度測(cè)試

本文根據(jù)前文所述方法制備復(fù)合建筑外墻外保溫材料，然后以100 mm×100 mm×30 mm的尺寸選取表面完整平滑的試件[5]，再將試件置于承壓板上并以10 mm/min 的速度持續(xù)增壓直至該試件破壞，最終計(jì)算得出試件的抗壓強(qiáng)度。

（4）抗拉強(qiáng)度測(cè)試

本文選取尺寸為40 mm×40 mm×40 mm且表面完整平滑的復(fù)合建筑外墻外保溫材料試件，并將試件粘合在試驗(yàn)板上，通過(guò)拉力試驗(yàn)機(jī)以5 mm/min的速度持續(xù)增加試件的載荷直至該試件破壞，最終計(jì)算得到試件的抗拉強(qiáng)度。

（5）吸水量測(cè)試

本文選取尺寸為200 mm×200 mm×20 mm且表面完整平滑的復(fù)合建筑外墻外保溫材料試件，稱重得到試件質(zhì)量;然后，對(duì)試件的側(cè)面進(jìn)行防水處理，再將其浸入水中1 h，浸入深度為10 mm;最后，取出試件并擦拭表面水分，稱重得到浸水后的試件質(zhì)量，并最終計(jì)算得到試件的吸水量。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?無(wú)機(jī)膠凝材料對(duì)復(fù)合建筑外墻外保溫材料性能的影響

2.1.1 ?硫鋁酸鹽水泥對(duì)復(fù)合建筑外墻外保溫材料性能的影響

在其他組分含量比例不變的條件下，分別以不同摻量摻入硫鋁酸鹽水泥，摻量范圍為物料總質(zhì)量的0%～50%之間。對(duì)制備出的試件進(jìn)行測(cè)試，得到不同硫鋁酸鹽水泥含量對(duì)試件導(dǎo)熱系數(shù)以及抗壓強(qiáng)度的影響變化結(jié)果，如圖2所示。

由圖2可以看到，復(fù)合建筑外墻外保溫材料中的硫鋁酸鹽水泥摻量越高，則導(dǎo)熱系數(shù)以及抗壓強(qiáng)度越高。分析其原因，是因?yàn)榱蜾X酸鹽水泥自身的導(dǎo)熱系數(shù)高于粉煤灰、硅灰等其他無(wú)機(jī)膠凝材料，因此其摻量越高，則復(fù)合建筑外墻外保溫材料的保溫性能就越低，但同時(shí)也具備更高的力學(xué)性能。本文綜合考慮實(shí)際應(yīng)用中對(duì)抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能以及對(duì)保溫性能的雙重需求，最終確定復(fù)合建筑外墻外保溫材料的硫鋁酸鹽水泥摻量應(yīng)低于35%。

2.1.2 ?粉煤灰對(duì)復(fù)合建筑外墻外保溫材料性能影響

在其他原料含量比例不變的條件下，本文分別以不同摻量摻入粉煤灰，摻量范圍為物料總質(zhì)量的0%～50%之間。對(duì)制備出的復(fù)合建筑外墻外保溫材料試件進(jìn)行測(cè)試后，得到如圖3所示的性能變化結(jié)果。

由圖3可知，粉煤灰的摻量對(duì)復(fù)合建筑外墻外保溫材料性能產(chǎn)生了較大的影響，試件的導(dǎo)熱系數(shù)隨著粉煤灰摻量的不斷增加而持續(xù)降低，試件的抗壓強(qiáng)度則先隨著粉煤灰摻量的不斷增加而增加，在粉煤灰摻量約為物料總質(zhì)量的22%時(shí)達(dá)峰值，隨后又呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢(shì)。分析原因，是因?yàn)榕c水泥相比，粉煤灰的密度以及導(dǎo)熱系數(shù)更低。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的需要，確定粉煤灰的最優(yōu)摻量約為物料總質(zhì)量的22%。

2.1.3 ?硅灰摻量對(duì)復(fù)合建筑外墻外保溫材料性能的影響

分別以不同的摻量摻入硅灰，其他原材料的含量比例不變，制備得到試件并進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，試件的干密度隨著硅灰摻量的增加而降低，試件的導(dǎo)熱系數(shù)隨著硅灰摻量的增加而提高，在硅灰摻量約為物料總質(zhì)量的16%時(shí)達(dá)到峰值，隨后隨著硅灰摻量的繼續(xù)增加而持續(xù)下降。分析其原因，是因?yàn)楣杌业拿芏纫约皩?dǎo)熱系數(shù)均低于硫鋁酸鹽水泥以及粉煤灰，因此摻入硅灰能夠降低試件的干密度以及導(dǎo)熱系數(shù)。但是，由于硅灰顆粒粒徑較小，因此能夠填充試件的孔隙，從而在摻量過(guò)多時(shí)提高了試件的導(dǎo)熱系數(shù)。

由圖5所示的測(cè)試結(jié)果可以看到，當(dāng)膠粉的含量增加后，試件的抗拉強(qiáng)度隨之平緩提升，試件的抗壓強(qiáng)度也隨膠粉含量的增加而平緩提升，并在膠粉含量約為物料總質(zhì)量的3.5%時(shí)達(dá)到峰值，之后未有明顯變化。

2.2.2 ?聚丙烯纖維對(duì)復(fù)合建筑外墻外保溫材料性能的影響

本文分別以不同摻量在復(fù)合建筑外墻外保溫材料中摻入聚丙烯纖維，測(cè)試得到圖6所示的結(jié)果。

由圖6可知，聚丙烯纖維的摻量變化對(duì)復(fù)合建筑外墻外保溫材料的力學(xué)性能有較大影響。隨著聚丙烯纖維摻量的增加，材料的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先上升隨后下降的趨勢(shì)。其中，抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)，聚丙烯纖維摻量約為物料總質(zhì)量的0.3%;抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)，聚丙烯纖維摻量約為總質(zhì)量的0.25%。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，本文最終確定的聚丙烯纖維最優(yōu)摻量約為物料總質(zhì)量的0.3%。

2.2.3 ?憎水劑對(duì)復(fù)合建筑外墻外保溫材料性能影響

測(cè)試前，先以1∶49比例對(duì)有機(jī)硅憎水劑進(jìn)行了稀釋處理，使有機(jī)硅憎水劑中活性成分更易溶解，然后將其添加到復(fù)合建筑外墻外保溫材料中并測(cè)試吸水量。結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看到，有機(jī)硅憎水劑摻量增加后，復(fù)合建筑外墻外保溫材料的吸水量顯著降低。考慮到復(fù)合建筑外墻外保溫材料的性能及成本，本文最終確定有機(jī)硅憎水劑的最優(yōu)摻量為8%。此摻量下，復(fù)合建筑外墻外保溫材料的吸水量低于1 000 g/m2，以及達(dá)到了建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 ?結(jié) 論

本文以復(fù)合建筑外墻外保溫材料為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）制備復(fù)合建筑外墻外保溫材料時(shí)，增加水泥摻量能夠顯著提升力學(xué)性能，但同時(shí)也會(huì)降低保溫性能，因此水泥摻量應(yīng)低于物料總質(zhì)量的35%;

圖7 ?憎水劑摻量對(duì)材料吸水量的影響

Fig.7 Effect of hydrophobic agent content on water absorption of material

（2）增加粉煤灰摻量能夠一定程度上提高復(fù)合建筑外墻外保溫材料的保溫性能，但粉煤灰摻量過(guò)大會(huì)降低材料的抗壓強(qiáng)度。因此，粉煤灰最優(yōu)摻量約為物料總質(zhì)量的22%;

（3）硅灰摻量過(guò)多會(huì)降低復(fù)合建筑外墻外保溫材料的保溫性能，其最優(yōu)摻量約為物料總質(zhì)量的16%;

（4）膠粉含量增加會(huì)提升復(fù)合建筑外墻外保溫材料的力學(xué)性能，尤其對(duì)抗拉強(qiáng)度的提升最大;

（5）聚丙烯纖維摻量對(duì)復(fù)合建筑外墻外保溫材料的抗拉強(qiáng)度有著較大影響，但聚丙烯纖維摻量過(guò)大，反而會(huì)降低材料的力學(xué)性能，因此聚丙烯纖維最優(yōu)摻量約為物料總質(zhì)量的0.3%;

（6）在1：49的稀釋條件下，有機(jī)硅憎水劑水溶液摻量為物料總質(zhì)量的8%時(shí)，復(fù)合建筑外墻外保溫材料的吸水量已經(jīng)能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此結(jié)合成本等方面的考慮后，確定有機(jī)硅憎水劑水溶液的最優(yōu)摻量為物料總質(zhì)量的8%。

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