SiO2 氣凝膠對保溫砂漿性能的影響

萬郁楠

（山西省建筑科學(xué)研究院有限公司）

0 引言

保溫材料是降低建筑能耗的最直接的方法之一，也是建筑節(jié)能的核心[1]。目前，常用的保溫材料主要包括有機(jī)保溫材料和無機(jī)保溫材料兩類，這兩類保溫材料都存在自己的弊端。有機(jī)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小、吸水率小但防火性能差，無機(jī)保溫材料為A 級不燃材料，但密度大、導(dǎo)熱系數(shù)較高，平衡保溫材料保溫性能和燃燒性能是推動保溫材料發(fā)展的關(guān)鍵[2-4]。

膠粉聚苯顆粒保溫砂漿是由膠粉料、聚苯顆粒輕骨料和水泥混和而成的，其力學(xué)性能、保溫性能和燃燒性能很難同時(shí)兼顧[5]。SiO2氣凝膠是一種由納米粒子構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)材料，具有比表面積大、孔隙率高、密度極小、導(dǎo)熱系數(shù)極低等優(yōu)勢[6-10]。它的出現(xiàn)為建筑保溫材料的發(fā)展帶來了新機(jī)遇，也為解決傳統(tǒng)保溫材料存在的諸多問題提供了可能。將SiO2氣凝膠添加到膠粉聚苯顆粒保溫砂漿中，通過研究SiO2氣凝膠對保溫砂漿的影響，為平衡膠粉聚苯顆粒保溫砂漿的力學(xué)性能、燃燒性能和保溫性能提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：42.5 級普通硅酸鹽水泥；

粉煤灰：800 目；

熟石灰：≤0.075mm；

石膏：半水石膏；

可再分散乳膠粉：VINNAPAS 5010N；

保水劑：MarcchemTM HPMC-200000S；

聚丙烯纖維：當(dāng)量直徑18～30μm，長6mm；

EPS 顆粒：堆積密度為15.3g/L；

SiO2氣凝膠1：比表面積498m2/g；

SiO2氣凝膠2：比表面積672m2/g。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 膠粉聚苯顆粒保溫砂漿的配合比設(shè)計(jì)

膠粉聚苯顆粒保溫砂漿由膠粉料和骨料EPS 顆粒組成。膠粉料由水泥、粉煤灰、石灰、石膏、可再分散乳膠粉、保水劑、聚丙烯纖維等添加劑按一定比例混合而成，其配比見表1。在膠粉中分別加入1%、2%、3%、4%和5%的SiO2氣凝膠顆粒，將其和EPS 顆粒按比例混合，配比見表2。

表1 膠粉的配合比 （%）

表2 保溫砂漿的配合比

1.2.2 保溫砂漿試件的制備與性能測試

膠粉聚苯顆粒保溫砂漿的干表觀密度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)等物理性能按照《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)材料》JG/T158-2013 進(jìn)行測試；導(dǎo)熱系數(shù)按照《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護(hù)熱板法》GB/T10294-2008 進(jìn)行測試；燃燒性能按照《建筑材料及制品燃燒性能分級》GB8624 進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiO2 氣凝膠對保溫砂漿性能的影響

2.1.1 SiO2氣凝膠對保溫砂漿干表觀密度的影響

由圖1 可知，膠粉聚苯顆粒保溫砂漿中加入兩種不同的SiO2氣凝膠，保溫砂漿干表觀密度隨著氣凝膠添加量的增加而降低。SiO2氣凝膠是由納米粒子構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)材料，具有比表面積大、孔隙率高的特點(diǎn)。將SiO2氣凝膠添加到膠粉聚苯顆粒保溫砂漿中，膠粉料水化后孔隙率明顯增加，且孔隙率隨著SiO2氣凝膠添加量的增加而增加，其干表觀密度有效降低。SiO2氣凝膠2 的比表面積為672m2/g，比SiO2氣凝膠1的比表面積498m2/g 高出很多，添加同樣百分比的SiO2氣凝膠，添加SiO2氣凝膠2 的保溫砂漿的干表觀密度更低，且隨著SiO2氣凝膠添加量的增大，其保溫砂漿的干表觀密度降低得越多。

圖1 SiO2 氣凝膠添加量對干表觀密度影響

2.1.2 SiO2氣凝膠對保溫砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2 可知，隨著SiO2氣凝膠添加量的增加，保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度隨之降低。當(dāng)SiO2氣凝膠添加量相同時(shí)，添加SiO2氣凝膠2 的保溫砂漿強(qiáng)度更高，且SiO2氣凝膠添加量越大，兩種保溫砂漿抗壓強(qiáng)度相差越大。在保溫砂漿中，隨著SiO2氣凝膠添加量的增加，保溫砂漿孔隙率也隨之增加，從而降低了保溫砂漿的強(qiáng)度。疏水氣凝膠與水泥基質(zhì)較差的相容性和粘結(jié)性差，進(jìn)一步降低了保溫砂漿的強(qiáng)度。

2.1.3 SiO2氣凝膠對保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖2 SiO2 氣凝膠添加量對抗壓強(qiáng)度影響

由圖3 可知，隨著SiO2氣凝膠添加量的增加，保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)隨之降低。SiO2氣凝膠1 添加量由1%增加到3%時(shí)，保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)降低22%，添加量由3%增加到5%時(shí)，保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)降低9%；SiO2氣凝膠2 添加量由1%增加到3%時(shí)，保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)降低25%，添加量由3%增加到5%時(shí)，保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)降低14%。SiO2氣凝膠是具有非常高孔隙率的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且比表面積大、粒徑小，將其加入到保溫砂漿中，保溫砂漿的膠粉料水化后形成均勻細(xì)小的泡孔，其導(dǎo)熱系數(shù)明顯降低。由于SiO2氣凝膠2 的比表面積更大，孔隙率更高，添加量相同時(shí)，添加SiO2氣凝膠2 的保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)更低。

圖3 SiO2 氣凝膠添加量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

2.1.4 SiO2氣凝膠對保溫砂漿抗拉強(qiáng)度的影響

由圖4 可知，隨著SiO2氣凝膠添加量的增加，保溫砂漿的抗拉強(qiáng)度隨之降低，且添加SiO2氣凝膠1 的保溫砂漿比添加SiO2氣凝膠2 的保溫砂漿抗拉強(qiáng)度降低更多。由于疏水氣凝膠與膠粉中的水泥質(zhì)材料相容性和粘結(jié)性較差，將其添加到保溫砂漿中，保溫砂漿抗拉強(qiáng)度隨之降低，且SiO2氣凝膠添加量越多，保溫砂漿抗拉強(qiáng)度越低。

圖4 SiO2 氣凝膠添加量對抗拉強(qiáng)度的影響

2.1.5 SiO2氣凝膠對保溫砂漿軟化系數(shù)的影響

由圖5 可知，隨著SiO2氣凝膠添加量的增加，保溫砂漿的軟化系數(shù)先增大后減小。將SiO2氣凝膠1 添加于保溫砂漿中，添加量為3%～4%時(shí)，保溫砂漿軟化系數(shù)最高；將SiO2氣凝膠2 添加于保溫砂漿中，添加量為3%時(shí)，保溫砂漿軟化系數(shù)最高。由于疏水SiO2氣凝膠表面的疏水基團(tuán)，可保護(hù)SiO2氣凝膠不受水分和堿性環(huán)境的侵蝕，砂漿的軟化系數(shù)增大。隨著氣凝膠添加量的增加，保溫砂漿中膠粉料水化后孔隙率增大，浸于水環(huán)境中，砂漿強(qiáng)度隨之降低，其軟化系數(shù)隨之減小。

圖5 SiO2 氣凝膠添加量對軟化系數(shù)的影響

2.2 微觀形貌對保溫砂漿性能的影響

圖6 中，A、B 分別為氣凝膠1 和氣凝膠2 的TEM圖。由圖可看出兩種SiO2氣凝膠的粒徑大小相近，但SiO2氣凝膠1 的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大孔較多，SiO2氣凝膠2 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)沒有明顯的大孔。在攪拌過程中，保溫砂漿中SiO2氣凝膠1 由于其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以大孔居多更容易被破壞，會影響保溫砂漿的強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。

圖6 SiO2 氣凝膠的TEM 圖

圖7 中，A、B 分別為添加氣凝膠1 和氣凝膠2 的保溫砂漿養(yǎng)護(hù)28 天后的SEM 圖。由圖可以看出，保溫砂漿中的氣凝膠依然以納米粒子構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)附著在膠粉料水化產(chǎn)物的表面。這是由于SiO2氣凝膠的疏水性可保護(hù)其不受水和強(qiáng)堿環(huán)境的腐蝕，不參與膠粉料的水化，依然保持其納米顆粒組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使保溫砂漿的軟化系數(shù)和保溫性能得到改善。

圖7 保溫砂漿的SEM 圖

2.3 骨膠比對保溫砂漿性能的影響

由表3 可知，隨著保溫砂漿骨膠比的增大，砂漿干密度、導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度均隨之降低，同樣骨膠比的保溫砂漿，添加SiO2氣凝膠后，有效降低了保溫砂漿的密度和導(dǎo)熱系數(shù)。SiO2氣凝膠的加入，使保溫砂漿的膠粉料孔隙率增大，有效降低了砂漿的干密度，增加了聚苯顆粒周圍包裹膠的粉料，提高保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的同時(shí)也提高了其燃燒性能。當(dāng)骨膠比為4.5L：1kg，SiO2氣凝膠2 添加量為3%時(shí)，保溫砂漿的各項(xiàng)性能達(dá)到最佳。

3 結(jié)論

⑴在膠粉聚苯顆粒保溫砂漿中添加一定量的SiO2氣凝膠，可改善保溫砂漿的性能。隨著SiO2氣凝膠添加量的變化，保溫砂漿的干表觀密度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和軟化系數(shù)也隨之變化。當(dāng)SiO2氣凝膠添加量為3%時(shí)，保溫砂漿的性能達(dá)到最佳。

⑵在膠粉聚苯顆粒保溫砂漿中添加不同性能參數(shù)的SiO2氣凝膠，添加量相同時(shí)，其對保溫砂漿性能的影響也不同，添加SiO2氣凝膠2 的保溫砂漿的各項(xiàng)性能均優(yōu)于添加SiO2氣凝膠1 的保溫砂漿。

表3 骨膠比對保溫砂漿性能的影響

⑶當(dāng)骨膠比為4.5L：1kg，SiO2氣凝膠2 添加量為3%時(shí)，保溫砂漿的各項(xiàng)性能達(dá)到最佳。