新型室內保溫調濕砂漿的性能研究

甘翠萍 湖南農業大學水利與土木工程學院

陳 煒 湖南農業大學水利與土木工程學院

岳振瀟 湖南農業大學水利與土木工程學院

彭玉珍 湖南農業大學水利與土木工程學院

向秀月 湖南農業大學水利與土木工程學院

吳 懿 （通信作者） 湖南農業大學水利與土木工程學院講師

目前，我國農村住宅由于建筑技術及建筑材料的落后，會出現由室內溫濕度這一物理因素引起的病態建筑和病態建筑綜合癥等問題[1]。室內溫濕度是影響室內環境舒適度的重要因素，現在最主要的調節方法包括主動調節和被動調節兩種[2]。其中，主動調節即使用空調等設備，通過加濕或除濕將室內的相對濕度維持在有利范圍內；被動調節依靠建筑調濕材料的特性，控制和調節室內的相對濕度和溫度。主動調節耗費資源會造成環境污染，相關統計顯示建筑行業空調能耗占建筑能耗的35%以上，因此需減少使用空調去調節室內相對濕度[3]。研究表明，建筑調濕材料既可以降低建筑物的能耗，也符合農村的經濟發展水平。

1 試驗過程

1.1 砂漿原材料及設備

試驗采用湖南湘坪建材科技有限公司生產的普通硅酸鹽水泥、膨脹珍珠巖、海泡石、硅藻土、聚丙烯纖維、木質纖維等調濕骨料以及可再分散乳膠粉和發泡劑AOS。此外還采用水泥膠砂攪拌機、萬能試驗機、PDR—II—3030平板導熱儀、NY—881—＞2 型電熱鼓風干燥箱、HBY—40A 型水泥混凝土恒溫恒濕標準養護箱、JM.B5003 電子天平、掃瞄電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）、ASAP 2460 3.01型全自動快速比表面積與孔隙度分析儀、量筒、燒杯、搗棒、秒表等其他器具。

1.2 試塊配比設計

實驗采用木質纖維、硅藻土、膨脹珍珠巖以及海泡石作為調濕骨料，其中硅藻土獨特的多孔結構使其擁有較強的吸附能力和化學穩定性[4]。水泥和調濕材料按照8 ∶15 的體積比進行混合，分別設計5 組100 mm×100 mm×100 mm 和300 mm×300 mm×30 mm的復合保溫調濕砂漿試塊，每組各3個，用來測定28 d 抗壓強度和28 d 絕干狀態下的導熱系數，并進行分析。試塊配合比如表1所示。

表1 砂漿試塊配合比

1.3 試塊制備及養護

聚丙烯纖維與木纖維混合可一定程度上提高復合材料的抗拉強度[5]。可再生乳膠粉具有提高材料內聚強度和耐磨強度等能力，因此在試塊制備過程中，將聚丙烯纖維和可再生乳膠粉按規范標準摻入每組砂漿試塊。制備砂漿時，為了將各調濕材料攪拌均勻并避免膨脹珍珠巖因自身強度較低而破碎，按照上述配合比，先將木質纖維、硅藻土以及海泡石手動攪拌均勻后加入膨脹珍珠巖繼續攪拌至混合均勻，再與摻合物、膠凝材料水泥等一同放入攪拌機中攪拌1 min 左右，接著緩慢加入適量水拌和，攪拌完成后分層倒入模具中并充分振搗，最后用塑料薄膜覆蓋放入養護箱中進行養護。

1.4 試驗方法

養護28 d 后，用萬能試驗機測定抗壓強度。將300 mm×300 mm×30 mm 試塊置于105 ℃烘箱中烘干至恒重后，自然冷卻至室溫，利用導熱系數測試儀測定砂漿試塊在絕干狀態下的導熱系數。完成上述試驗后，利用掃描電鏡、ASAP24603.01 型全自動快速比表面積與孔隙度分析儀對上述試塊的一部分進行微觀形貌的觀測以及試塊內部孔結構和吸附曲線的測試。

2 試驗數據與分析

2.1 抗壓強度

上述5 組砂漿試塊抗壓強度測試結果如表2 所示。

表2 砂漿的抗壓強度

調濕骨料的密度小于水泥密度，砂漿加入調濕骨料后，因為輕質調濕骨料的加入，砂漿的密度和抗壓強度減小。試驗過程中觀測到，隨著膨脹珍珠巖比例的增大砂漿表面的粗糙程度也有明顯的增加，主要表現為試塊表面的微小孔洞增加導致試塊拆模時較為困難，內部孔結構的增多，砂漿的密度和抗壓強度減小。

2.2 導熱系數

上述5 組砂漿試塊的導熱系數測試結果如表3 所示。

表3 砂漿的導熱系數

實驗結果顯示，試塊B 和D 的導熱系數均小于0.12 W/m.K，故達到了保溫材料的相關要求。試驗數據表明，隨著硅藻土比例增大，導熱系數降低，提高了砂漿的保溫性能。硅藻土摻量的增加，硅藻土與水泥的水化物進行二次水化反應，使砂漿內部結構變得緊密，孔隙率下降，孔徑減小，彌補了孔隙率減少帶來的熱工損失，因此導熱系數下降[6]。試塊D 和E 中膨脹珍珠巖的比例增大，但是同時加入了具有比表面大、優良的吸放濕特性的海泡石，利用其表面的分子作用能夠約束其他的調濕材料，從而保證砂漿的儲熱功能，使其導熱系數減小[7]。當硅藻土、海泡石以及膨脹珍珠巖的比例為1 ∶1 ∶5 時，砂漿的導熱系數最小，此時砂漿的保溫性能最好。

2.3 微觀形貌

取上述成型試塊的一部分用于SEM 電鏡試驗觀測，觀察砂漿內部自然狀態下的結構。試塊內部不同放大倍率的電鏡照片如圖1 所示，可以觀察到試塊內部在不同倍率下的微觀形態。可以看出，材料內部為鏤空狀，內壁呈片狀，圖（b）為膨脹珍珠巖與周圍材料的交界處，未見空鼓，結合完整。

圖1 掃描電鏡圖

2.4 內部孔結構

由導熱系數的結果可知，C 試塊的導熱系數最大，D 試塊的導熱系數最小，故通過BET法測試C、D 試塊的比表面積、孔容積及平均孔徑等內部孔結構進行分析，結果如表4所示。試塊D 的比表面積與總的孔容積大于試塊C，比表面積與總的孔容積越大可提供的吸附面積與吸附空間也越大，砂漿的吸附性能也更強[8]。

表4 比表面積、孔容積及孔徑分布

根據各孔徑對氮的吸附情況可以得到試塊C 和D 的孔徑分布情況如圖2 所示，在孔徑為10 ～50 nm 時，砂漿對氮的吸附量急劇增大，表明試塊C、D 的中孔占總孔容積的比例均最大。另外，其中試塊D 的曲線斜率更大表明其中孔含量比試塊C 的多，對氮的吸附能力也更強，保溫性能更好，使其導熱系數相比試塊C 有所下降。

圖2 孔徑分布圖

2.5 吸附性能

圖3 為試塊C 和D 的等溫吸附曲線，相對壓力在0.8 以內時，試塊C 和D 的氮吸附量基本一致。當相對壓力增大時，試塊D 氮吸附量的增長速度大于試塊C，表明試塊D 的吸附性能優于試塊C，且最大吸附量也比試塊C 大。砂漿的比表面積、孔容積以及孔徑分布等內部孔結構作為影響砂漿吸附性能的主要因素，對比試塊C、D 可知，試塊D 的比表面積、孔容積以及中孔含量都比試塊C 的大，因而導致其氮的最大吸附量和吸附速率比C 大，并且具有更好的吸附性能。

圖3 等溫吸附曲線

3 發泡保溫調濕砂漿

綜合上述的實驗數據可知，砂漿D 綜合性能相對較好，故選擇D 砂漿配比，加入水泥用量0.2%、0.4%、0.6%和0.8%的發泡劑AOS，并依次編號為D—1、D—2、D—3、D—4，所有試塊按照第1.3 章節和第1.4 章節的試塊制備、養護和測試方法進行試驗，測試其導熱系數如表5 所示。選擇發泡劑用量最小和最大的D—1 和D—4 測試其內部孔結構與吸附曲線分別如表6 和圖4 所示。

表5 發泡保溫調濕砂漿的導熱系數

根據表6 可知，發泡劑的摻入使得砂漿在拌合過程中產生了大量氣泡，氣泡的產生使得砂漿試塊比表面積、內部孔容積和平均孔徑均有所增加。隨著發泡劑用量的增加，試驗過程中的用水量也不斷減少，砂漿干密度和抗壓強度大幅度下降，達到了減小砂漿自重和膠凝材料用量的目的[9]。由表6 看出，加入發泡劑后的砂漿比表面積、孔容積以及內部中孔數量增加，砂漿導熱系數減小，保溫性能大幅度提高。

表6 D-1 和D-4 比表面積、孔容積及孔徑分布

從圖4 中D—1 和D—4 的等溫吸附曲線可以看出，發泡劑的摻入并沒有改變砂漿吸附曲線的整體趨勢，但其吸附速率和最大吸附量有了很明顯的提高。當發泡劑摻入量為0.2%和0.8%時，最大吸附量比未摻發泡劑時高26%和40%，砂漿的吸附性能得到優化。

圖4 等溫吸附曲線

4 結語

（1）普通砂漿加入硅藻土、木質纖維以及膨脹珍珠巖等調濕材料后，其抗壓強度和導熱系數發生了變化。隨著硅藻土摻量的增加，砂漿的導熱系數減小，保溫調濕性能提高。砂漿的吸附性能與其內部孔結構有著密切關系。

（2）通過上述試驗結果，綜合性能最優的砂漿中調濕材料配比為木質纖維∶海泡石∶硅藻土∶膨脹珍珠巖=1 ∶1 ∶1 ∶5。

（3）在保溫調濕砂漿的基礎上加入發泡劑后，砂漿比表面積、孔容積以及中孔數量都有明顯的增加，砂漿干密度和導熱系數減小，吸附性能和保溫性能提高，在一定程度上減少了材料的用量，達到了節能環保與節省材料的目的。