新型室內(nèi)保溫調(diào)濕砂漿的性能研究

甘翠萍 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院

陳 煒 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院

岳振瀟 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院

彭玉珍 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院

向秀月 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院

吳 懿 （通信作者） 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院講師

目前，我國(guó)農(nóng)村住宅由于建筑技術(shù)及建筑材料的落后，會(huì)出現(xiàn)由室內(nèi)溫濕度這一物理因素引起的病態(tài)建筑和病態(tài)建筑綜合癥等問(wèn)題[1]。室內(nèi)溫濕度是影響室內(nèi)環(huán)境舒適度的重要因素，現(xiàn)在最主要的調(diào)節(jié)方法包括主動(dòng)調(diào)節(jié)和被動(dòng)調(diào)節(jié)兩種[2]。其中，主動(dòng)調(diào)節(jié)即使用空調(diào)等設(shè)備，通過(guò)加濕或除濕將室內(nèi)的相對(duì)濕度維持在有利范圍內(nèi)；被動(dòng)調(diào)節(jié)依靠建筑調(diào)濕材料的特性，控制和調(diào)節(jié)室內(nèi)的相對(duì)濕度和溫度。主動(dòng)調(diào)節(jié)耗費(fèi)資源會(huì)造成環(huán)境污染，相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示建筑行業(yè)空調(diào)能耗占建筑能耗的35%以上，因此需減少使用空調(diào)去調(diào)節(jié)室內(nèi)相對(duì)濕度[3]。研究表明，建筑調(diào)濕材料既可以降低建筑物的能耗，也符合農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 砂漿原材料及設(shè)備

試驗(yàn)采用湖南湘坪建材科技有限公司生產(chǎn)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(zhì)纖維等調(diào)濕骨料以及可再分散乳膠粉和發(fā)泡劑AOS。此外還采用水泥膠砂攪拌機(jī)、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、PDR—II—3030平板導(dǎo)熱儀、NY—881—＞2 型電熱鼓風(fēng)干燥箱、HBY—40A 型水泥混凝土恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱、JM.B5003 電子天平、掃瞄電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）、ASAP 2460 3.01型全自動(dòng)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(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用木質(zhì)纖維、硅藻土、膨脹珍珠巖以及海泡石作為調(diào)濕骨料，其中硅藻土獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)使其擁有較強(qiáng)的吸附能力和化學(xué)穩(wěn)定性[4]。水泥和調(diào)濕材料按照8 ∶15 的體積比進(jìn)行混合，分別設(shè)計(jì)5 組100 mm×100 mm×100 mm 和300 mm×300 mm×30 mm的復(fù)合保溫調(diào)濕砂漿試塊，每組各3個(gè)，用來(lái)測(cè)定28 d 抗壓強(qiáng)度和28 d 絕干狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，并進(jìn)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(yǎng)護(hù)

聚丙烯纖維與木纖維混合可一定程度上提高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度[5]?？稍偕槟z粉具有提高材料內(nèi)聚強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度等能力，因此在試塊制備過(guò)程中，將聚丙烯纖維和可再生乳膠粉按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)摻入每組砂漿試塊。制備砂漿時(shí)，為了將各調(diào)濕材料攪拌均勻并避免膨脹珍珠巖因自身強(qiáng)度較低而破碎，按照上述配合比，先將木質(zhì)纖維、硅藻土以及海泡石手動(dòng)攪拌均勻后加入膨脹珍珠巖繼續(xù)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(jī)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(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.4 試驗(yàn)方法

養(yǎng)護(hù)28 d 后，用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定抗壓強(qiáng)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(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)定砂漿試塊在絕干狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)。完成上述試驗(yàn)后，利用掃描電鏡、ASAP24603.01 型全自動(dòng)快速比表面積與孔隙度分析儀對(duì)上述試塊的一部分進(jìn)行微觀形貌的觀測(cè)以及試塊內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)和吸附曲線的測(cè)試。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

上述5 組砂漿試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 砂漿的抗壓強(qiáng)度

調(diào)濕骨料的密度小于水泥密度，砂漿加入調(diào)濕骨料后，因?yàn)檩p質(zhì)調(diào)濕骨料的加入，砂漿的密度和抗壓強(qiáng)度減小。試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)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(xiàn)為試塊表面的微小孔洞增加導(dǎo)致試塊拆模時(shí)較為困難，內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的增多，砂漿的密度和抗壓強(qiáng)度減小。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)

上述5 組砂漿試塊的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，試塊B 和D 的導(dǎo)熱系數(shù)均小于0.12 W/m.K，故達(dá)到了保溫材料的相關(guān)要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著硅藻土比例增大，導(dǎo)熱系數(shù)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(jìn)行二次水化反應(yīng)，使砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得緊密，孔隙率下降，孔徑減小，彌補(bǔ)了孔隙率減少帶來(lái)的熱工損失，因此導(dǎo)熱系數(shù)下降[6]。試塊D 和E 中膨脹珍珠巖的比例增大，但是同時(shí)加入了具有比表面大、優(yōu)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(diào)濕材料，從而保證砂漿的儲(chǔ)熱功能，使其導(dǎo)熱系數(shù)減小[7]。當(dāng)硅藻土、海泡石以及膨脹珍珠巖的比例為1 ∶1 ∶5 時(shí)，砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)最小，此時(shí)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(yàn)觀測(cè)，觀察砂漿內(nèi)部自然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)。試塊內(nèi)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(nèi)部在不同倍率下的微觀形態(tài)?？梢钥闯?，材料內(nèi)部為鏤空狀，內(nèi)壁呈片狀，圖（b）為膨脹珍珠巖與周圍材料的交界處，未見(jiàn)空鼓，結(jié)合完整。

圖1 掃描電鏡圖

2.4 內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)

由導(dǎo)熱系數(shù)的結(jié)果可知，C 試塊的導(dǎo)熱系數(shù)最大，D 試塊的導(dǎo)熱系數(shù)最小，故通過(guò)BET法測(cè)試C、D 試塊的比表面積、孔容積及平均孔徑等內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)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(qiáng)[8]。

表4 比表面積、孔容積及孔徑分布

根據(jù)各孔徑對(duì)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(shí)，砂漿對(duì)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(duì)氮的吸附能力也更強(qiáng)，保溫性能更好，使其導(dǎo)熱系數(shù)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(duì)壓力在0.8 以內(nèi)時(shí)，試塊C 和D 的氮吸附量基本一致。當(dāng)相對(duì)壓力增大時(shí)，試塊D 氮吸附量的增長(zhǎng)速度大于試塊C，表明試塊D 的吸附性能優(yōu)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(nèi)部孔結(jié)構(gòu)作為影響砂漿吸附性能的主要因素，對(duì)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(dǎo)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(fā)泡保溫調(diào)濕砂漿

綜合上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，砂漿D 綜合性能相對(duì)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(fā)泡劑AOS，并依次編號(hào)為D—1、D—2、D—3、D—4，所有試塊按照第1.3 章節(jié)和第1.4 章節(jié)的試塊制備、養(yǎng)護(hù)和測(cè)試方法進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試其導(dǎo)熱系數(shù)如表5 所示。選擇發(fā)泡劑用量最小和最大的D—1 和D—4 測(cè)試其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)與吸附曲線分別如表6 和圖4 所示。

表5 發(fā)泡保溫調(diào)濕砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)

根據(jù)表6 可知，發(fā)泡劑的摻入使得砂漿在拌合過(guò)程中產(chǎn)生了大量氣泡，氣泡的產(chǎn)生使得砂漿試塊比表面積、內(nèi)部孔容積和平均孔徑均有所增加。隨著發(fā)泡劑用量的增加，試驗(yàn)過(guò)程中的用水量也不斷減少，砂漿干密度和抗壓強(qiáng)度大幅度下降，達(dá)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(fā)泡劑后的砂漿比表面積、孔容積以及內(nèi)部中孔數(shù)量增加，砂漿導(dǎo)熱系數(shù)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(fā)泡劑的摻入并沒(méi)有改變砂漿吸附曲線的整體趨勢(shì)，但其吸附速率和最大吸附量有了很明顯的提高。當(dāng)發(fā)泡劑摻入量為0.2%和0.8%時(shí)，最大吸附量比未摻發(fā)泡劑時(shí)高26%和40%，砂漿的吸附性能得到優(yōu)化。

圖4 等溫吸附曲線

4 結(jié)語(yǔ)

（1）普通砂漿加入硅藻土、木質(zhì)纖維以及膨脹珍珠巖等調(diào)濕材料后，其抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生了變化。隨著硅藻土摻量的增加，砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)減小，保溫調(diào)濕性能提高。砂漿的吸附性能與其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。

（2）通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果，綜合性能最優(yōu)的砂漿中調(diào)濕材料配比為木質(zhì)纖維∶海泡石∶硅藻土∶膨脹珍珠巖=1 ∶1 ∶1 ∶5。

（3）在保溫調(diào)濕砂漿的基礎(chǔ)上加入發(fā)泡劑后，砂漿比表面積、孔容積以及中孔數(shù)量都有明顯的增加，砂漿干密度和導(dǎo)熱系數(shù)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(dá)到了節(jié)能環(huán)保與節(jié)省材料的目的。