不同比重玻化微珠制備的保溫砂漿性能對比＊

包得祥

（甘肅新發展城市開發建設運營集團有限公司，甘肅 蘭州 730030）

隨著化石能源的逐漸枯竭和全球環境的持續惡化，各國都開始關注能源的節約與環境的保護[1]。在此背景下，中國提出了“碳達峰”和“碳中和”的標志性目標[2]。目前，建筑行業成為國內高耗能領域之一[3]，實現“雙碳”目標必須嚴格控制建筑能耗，因此尋找既能降低能源消耗又具有良好保溫隔熱性能的墻體材料，成為當前建筑節能方向新的關注點。有機保溫材料雖然保溫效果良好，但存在防火性能差、耐老化時間短、強度低等明顯缺陷[4]；無機保溫材料具有良好的耐久性能和防火性能，但在導熱性能方面不及有機保溫材料。因此，尋找既能夠滿足保溫隔熱要求，又不影響建筑安全性能和耐久性能的墻體保溫材料，成為土木工程技術人員廣泛關注的焦點。作為一種新型的外墻保溫材料，保溫砂漿與傳統的有機保溫材料相比具有保溫隔熱性能較好、耐久性良好等顯著優勢。作為一種墻體的無機保溫材料，玻化微珠保溫砂漿具有導熱系數低、成本低廉的特點，同時兼備耐久性、強度高、不燃等優點，逐漸成為市場上建筑保溫的首選材料[5]。

以普通的硅酸鹽水泥為膠凝材料，玻化微珠為保溫骨料，添加纖維素醚、可分散性乳膠粉、玄武巖纖維、憎水劑等輔助材料來制備玻化微珠保溫砂漿。砂漿中的玻化微珠作為骨料具有質輕、性脆、吸水及內部多孔等特點[6]。玻化微珠體積占整個砂漿體積的70%以上，所以玻化微珠是決定保溫砂漿性能的關鍵因素之一[7]。但是，市面上的玻化微珠質量參差不齊、品種復雜多樣，如果選擇玻化微珠不當就會導致保溫砂漿的性能達不到預想。以3種不同比重的玻化微珠為骨料，制備了3 種不同骨料的保溫砂漿，研究了玻化微珠比重和摻量對保溫砂漿物理和力學性能的影響規律。最終確定了最優比重的玻化微珠，為保溫砂漿骨料的選擇提供參考。

1 原材料及試驗介紹

本次試驗中玻化微珠保溫砂漿的制備選擇以普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，玻化微珠為骨料，添加纖維素醚、玄武巖纖維、憎水劑作為輔助材料，在此基礎上對不同比重玻化微珠制備保溫砂漿的物理和力學性能開展試驗研究。

1.1 試驗材料

本試驗選用了3 種購自不同公司、不同比重的玻化微珠。玻化微珠A購自河北某材料有限責任公司，玻化微珠B購自河南某材料廠，玻化微珠C購自上海某材料公司，3 類玻化微珠具體的參數見表1。添加的纖維素醚、玄武巖纖維、憎水劑及可分散性乳膠粉的基本參數分別見表2—表5。

表1 玻化微珠的參數

表2 纖維素醚的基本參數

表3 玄武巖纖維的基本參數

表4 憎水劑的基本參數

表5 可分散性乳膠粉的基本參數

1.2 配合比擬定

當玻化微珠摻量在55%～95%時制備的玻化微珠保溫砂漿各項性能處于最佳區間，玻化微珠保溫砂漿的水膠比直接影響保溫砂漿的物理性能和力學性能，借鑒文獻8—10 的研究成果，玻化微珠A、玻化微珠B、玻化微珠C 制備保溫砂漿時的水膠比分別取1.2、2.1、3.1，纖維素醚摻量為0.5%，玄武巖纖維的摻量為1%，憎水劑的摻量為0.5%，最終確定的玻化微珠保溫砂漿的配合比見表6。

表6 保溫砂漿的配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 干密度測試

參照《無機硬質絕熱制品試驗方法密度、含水率及吸水率》（GB/T 5486.3—2001），將試件置于干燥箱中，在（105±5）℃下烘干至恒重，然后放入干燥器中冷卻至室溫。稱量烘干后的試件重量，再測量試樣的幾何尺寸、計算試件的體積，最后計算試件的密度精確至1 kg/m3。

1.3.2 抗壓強度測試

參照《無機硬質絕熱制品試驗方法力學性能》（GB/T 5486.2—2001），以10 mm/min 的速率對試件加荷，直至試件破壞為止，同時記錄壓縮變形，當試件在壓縮變形5%時若試件沒有破壞，則試件壓縮變形以5%時的荷載為破壞荷載，精確到10 N，然后計算試件的抗壓強度。

1.3.3 抗折強度測試

參照《無機硬質絕熱制品試驗方法力學性能》（GB/T 5486.2—2001）進行測定，試樣的長度為240 mm、寬度為75～150 mm、厚度為25 mm，將試樣放在2 個輥軸之間，調整輥軸的下降速率為10 mm/min，加壓至試樣破壞，記錄試樣破壞時的荷載，計算抗折強度。

1.3.4 線性收縮率測試

參照《膨脹玻化微珠保溫隔熱砂漿》（GB/T 26000—2010）測定砂漿試樣的線性收縮率，試模采用40 mm×40 mm×160 mm 鋼制有底三連試模，線性收縮率試驗結果為3個試樣的算術平均值，并精確至0.1%。

1.3.5 導熱系數測試

將試樣覆膜養護7 d 后拆模，繼續自然養護至28 d 后放入電熱鼓風干燥箱中烘干待用，具體測試過程按照《絕熱材料穩態熱阻及有關熱性的測定防護熱板法》（GB/T 10294—2008）進行。

1.3.6 耐火性能測試

參照《建筑材料不然性能試驗方法》（GB/T 5464—2010）進行測定。

2 結果與討論

2.1 玻化微珠保溫砂漿的性能測試結果匯總

根據前述測試方法開展玻化微珠保溫砂漿的物理和力學性能測試，測得3 類不同比重玻化微珠制備保溫砂漿的耐火性能均達到A 級，其余物理性能、力學性能的測試結果見表7。

表7 保溫砂漿的物理、力學性能測試結果

2.2 玻化微珠保溫砂漿的物理、力學性能分析

2.2.1 保溫砂漿的干密度

圖1給出了3類不同比重玻化微珠制備保溫砂漿的干密度變化情況。從圖1可知，3種不同比重玻化微珠制備溫砂漿的干密度隨著玻化微珠摻量的增加而逐漸減小。玻化微珠A制備的保溫砂漿干密度最高，干密度為583.7～649.7 kg/m3；其次是玻化微珠B 制備的玻化微珠保溫砂漿干密度較高，干密度為469.4～556.9 kg/m3、平均值為516.04 kg/m3；玻化微珠C 制備玻化微珠保溫砂漿的干密度最低，平均值為213.1 kg/m3，干密度為188.1～242.8 kg/m3。玻化微珠C 所制備保溫砂漿的干密度比玻化微珠A、玻化微珠B制備的保溫砂漿分別降低了65.0%和58.7%，主要原因是當相同數量的玻化微珠骨料添加到保溫砂漿中，比重較小的玻化微珠占據與重量相等但體積更大的空間，因此，比重較小的玻化微珠制備保溫砂漿的干密度相對較小。隨著玻化微珠摻量的增加，保溫砂漿中的空間會增加，而膠凝材料所占據的空間則會減少，這使得玻化微珠在保溫砂漿中的占比越來越大，但它們的密度遠小于水泥，因此，隨著玻化微珠摻量的提高，玻化微珠保溫砂漿的干密度將會逐漸降低。

圖1 不同種類玻化微珠制備保溫砂漿的干密度

2.2.2 保溫砂漿的抗壓強度

圖2給出了不同種類玻化微珠制備保溫砂漿的抗壓強度。由圖2 可知，不同比重玻化微珠制備的保溫砂漿抗壓強度隨著玻化微珠摻量的增加而下降。玻化微珠摻量為55%和65%時隨玻化微珠摻量的增加砂漿抗壓強度降幅不明顯，但當玻化微珠摻量達到75%時，明顯出現下降趨勢；這是因為隨玻化微珠摻量的增加水泥在保溫砂漿中所占比例快速減少，因此砂漿的強度急劇下降。對于玻化微珠A、玻化微珠B及玻璃微珠C制備的保溫砂漿而言，其抗壓強度區間分別為4.59～4.91 MPa、3.20～4.29 MPa及0.18 ～0.32 MPa。這是因為玻化微珠C 的筒壓強度明顯低于玻化微珠A和玻化微珠B，玻化微珠在保溫砂漿中所占比例相對較大，玻化微珠C 的筒壓強度低導致制備保溫砂漿的抗壓強度大幅下降。此外，比重較小的玻化微珠在相同摻量下會占據更大體積，使得保溫砂漿中水泥摻量相對較少，進一步降低了保溫砂漿的抗壓強度。

圖2 不同種類玻化微珠制備保溫砂漿的抗壓強度

2.2.3 保溫砂漿的抗折強度

圖3給出了不同種類玻化微珠保溫砂漿的抗折強度變化情況。從圖3 中可以得到，增加玻化微珠摻量會顯著降低保溫砂漿的抗折強度，各類比重玻化微珠制備保溫砂漿的抗折強度呈現出相似的趨勢，隨著玻化微珠摻量的增加抗折強度逐漸下降。當玻化微珠摻量達到75%時，各類比重玻化微珠制備保溫砂漿的抗折強度均出現較大程度的降低，這與抗壓強度下降的原因類似。由于玻化微珠摻量的增加，保溫砂漿中水泥的數量減少，水泥水化產物減少，導致保溫砂漿的強度下降。玻化微珠A 和玻化微珠B所制備保溫砂漿的抗折強度變化區間分別為0.99～1.59 MPa、0.98～1.56MPa，而玻化微珠C制備保溫砂漿的抗折強度僅為0.12～0.18 MPa，這主要與玻化微珠C筒壓強度較低有關。

圖3 不同種類玻化微珠制備保溫砂漿的抗折強度

2.2.4 保溫砂漿的線性收縮率

圖4給出了不同種類玻化微珠保溫砂漿的線性收縮率。從圖4 可以看出，隨著玻化微珠摻量的增加，各類保溫砂漿的線性收縮率都呈現出逐漸下降趨勢。具體而言，玻化微珠A 制備保溫砂漿的線性收縮率最小為0.25%；玻化微珠B 制備保溫砂漿的線性收縮率在0.34%到0.46%之間波動，平均為0.39%；玻化微珠C 制備保溫砂漿的線性收縮率從0.64%下降到0.45%。與A、B 兩類玻化微珠制備的保溫砂漿相比，玻化微珠C 制備保溫砂漿平均線性收縮率分別增加了64%和26.7%；這主要與玻化微珠保溫砂漿的干縮和玻化微珠自身的收縮有關。同時，控制玻化微珠摻量可以實現保溫砂漿中線性收縮率的下降，二者之間呈現出明顯的線性關系[11]，這主要是因為隨著玻化微珠摻量的增加膠凝材料數量減少，膠凝材料的干縮和自縮現象也相應減少，導致玻化微珠保溫砂漿的線性收縮率逐漸減小。當玻化微珠A、B、C的摻量相同時，由于玻化微珠C 的粒徑最小，其在保溫砂漿骨料中的約束相比玻化微珠A 和玻化微珠B 更小，因此玻化微珠C 制備保溫砂漿的線性收縮率較玻化微珠A和玻化微珠B制備的保溫砂漿更大。

圖4 不同種類玻化微珠制備保溫砂漿的線性收縮率

2.2.5 保溫砂漿的導熱性能

圖5給出了不同種類玻化微珠保溫砂漿的導熱系數變化情況。從圖5 可以看出，不同比重玻化微珠制備的保溫砂漿導熱系數均隨玻化微珠摻量的增加而逐漸降低，這主要與玻化微珠所占體積的不斷增大導致保溫砂漿內部的空隙增多有關[12]，在不同類型玻化微珠制備的保溫砂漿中，導熱系數存在著明顯差異；其中，玻化微珠A 制備保溫砂漿的導熱系數最大，為0.082～0.131 W/m·K，平均值為0.103 W/m·K；玻化微珠B制備保溫砂漿的導熱系數居中，約為0.052～0.065 W/m·K；玻化微珠C 制備保溫砂漿的導熱系數最小，平均值為0.041 4 W/m·K。相對于前兩種玻化微珠制備的保溫砂漿，玻化微珠C 制備的保溫砂漿平均導熱系數分別降低了59.8%和29.6%，這主要與玻化微珠C的比重較小有關，當玻化微珠摻量相同時，比重較小玻化微珠占據的體積更多，相應地增加了保溫砂漿中的空隙，進而導致玻化微珠保溫砂漿的導熱系數優于另外兩者。

圖5 不同種類玻化微珠制備保溫砂漿的導熱系數

3種不同比重的玻化微珠保溫砂漿在明火試驗中均表現出了極佳的耐火性能，即明火時間均為0，質量損耗率也都小于50%。這說明3類玻化微珠保溫砂漿已達到A級耐火標準。

2.3 最佳比重玻化微珠的推薦

根據玻化微珠保溫砂漿性能的基本要求，通過比較3種不同比重玻化微珠制備保溫砂漿的各項性能，發現只有玻化微珠C 制備的保溫砂漿在干密度方面能夠達到規范要求。在抗壓強度方面，玻化微珠A、玻化微珠B、玻化微珠C 制備保溫砂漿都能夠滿足規范要求，而玻化微珠A 和玻化微珠B 制備保溫砂漿的抗壓強度遠超規范的要求。3種比重玻化微珠制備保溫砂漿的線性收縮率都達到規范性能指標的要求。規范中沒有強制要求抗折強度的具體指標，考慮到實際工程中外墻保溫砂漿通常不會承受抗折力，因此抗折強度僅僅是附加性能。3 種玻化微珠制備保溫砂漿均可達到A級耐火標準。導熱系數是外墻保溫砂漿的最重要指標，試驗結果表明，玻化微珠C 制備的保溫砂漿具有最佳的導熱系數，其次是玻化微珠B制備的保溫砂漿，而玻化微珠A制備的保溫砂漿排名第三。綜合上述各項性能，選擇使用玻化微珠C制備保溫砂漿是骨料的最佳選擇。

3 結論

通過3 種不同比重玻化微珠保溫砂漿的物理、力學性能試驗，所得結論主要有：

（1）比重最小的玻化微珠C 制備保溫砂漿的干密度、抗壓強度、抗折強度、導熱系數最小，而線性收縮率最大。比重最大的玻化微珠A制備保溫砂漿的干密度、抗壓強度、抗折強度、導熱系數均最大，而線性收縮率最小。

（2）3 種不同比重玻化微珠所制備的保溫砂漿均可達到A級耐火標準。玻化微珠C制備的保溫砂漿導熱系數最低、其余各項性能指標均符合要求，推薦比重最小的玻化微珠C為制備保溫砂漿的最佳骨料。