保温砌筑砂浆的研究

肖力光 李根壮 蒋大伟

(吉林建筑大学 材料科学与工程学院,长春 130118)

0 引言

近年来,我国非常重视建筑节能材料与技术的研发和应用.有机保温板材虽然具有较好的保温性能,但是防火性能差,高温条件下不仅阻燃效果差,易燃烧,产生有害气体,危害人体健康,而且有机板材与墙体的结合性差,施工时需要涂粘结剂、钉固等一系列工序,工艺复杂,最致命的是有机板材耐老化性能差,保温寿命短,因此有机板材的使用受到限制[1-3].利用传统砌筑砂浆砌筑无机保温墙体砌块时,由于容重大与保温砌块配合使用时容易产生“热桥”,墙体的砌筑缝热量损耗大,保温性能差.保温砌筑砂浆具有容重小、防火等级高、阻燃性好、保温性能优良的特点,而且保温砌筑砂浆与无机保温砌块相容性好,两者配合使用,共同构成自保温墙体,可以实现保温与建筑同寿命,是一种新型建筑节能材料,GB50411《建筑节能工程施工质量验收规范》中规定:使用保温砌块砌筑的墙体所用的砌筑砂浆必须具有保温功能[4].当前,保温砌筑砂浆的研制及其性能的提高已成为我国建筑节能领域中新的研究热点.

1 保温砌筑砂浆

为解决传统砌筑砂浆与轻质保温砌块相容性差的问题,早期研究学者提出轻质保温砌块砌筑用的砂浆应具有与之相匹配的导热系数,之后不断有学者进行深入研究,丰富发展了这一理念,并最终明确了保温砌筑砂浆的定义:既能满足砌体砌筑砂浆的强度等级要求,又不影响墙体整体的传热系数的一类具有保温功能的砌筑砂浆统称为保温砌筑砂浆.保温砌筑砂浆主要由保温骨料、胶凝材料、外加剂3大组分共同组成.

1.1 保温骨料

保温骨料通常选用自身导热系数较低的轻骨料,常见的保温轻骨料有膨胀珍珠岩、珍珠岩陶砂、玻化微珠、聚苯乙烯泡沫颗粒、水淬高炉矿渣、炉渣等,有些学者利用加气混凝土再生轻骨料配制出了保温性能优异的保温砌筑砂浆.在保温砌筑砂浆中,轻骨料主要起到骨架作用和保温隔热作用[5].

1.2 胶凝材料

保温砌筑砂浆中的胶凝材料包括无机胶凝材料和有机胶凝材料两种.无机胶凝材料主要为水泥,是保温砌筑砂浆强度的主要来源；有机胶凝材料主要为聚合物乳液,能够改善保温砌筑砂浆的各项性能.随着研究的持续进行,不少学者发现以粉煤灰、炉底渣等活性掺合料取代部分水泥可以降低保温砌筑砂浆的导热系数,同时提高其力学强度.

1.3 外加剂

当只采用保温骨料和胶凝材料配制保温砌筑砂浆时,其工作性能和力学性能往往不太理想,所以在配制保温砌筑砂浆的过程中，通常会加入一些外加剂来改善保温砌筑砂浆的各项性能.外加剂分矿物外加剂和化学外加剂两大类,其中化学外加剂掺量小,作用大,品种多样,应用广泛,包括减水剂、憎水剂、引气剂、稳泡剂、增稠剂、调凝剂等[6].

2 保温砌筑砂浆研究现状及存在的问题

2.1 国内外研究现状

欧美发达国家在早些年就已经逐步限制有机保温板材的使用,转向无机保温材料方向的研究与应用,尤其在功能性轻质无机保温复合砂浆方面的研究力度较大.目前,已经形成了较为成熟的技术与应用体系.功能性轻质无机保温复合砂浆的各项性能较有机保温板材和传统砂浆明显提高,如防火等级高、保温性及耐久性好、施工工艺简单等.功能性的轻质无机保温复合砂浆可以满足不同使用条件的要求,如超轻质全憎水硅酸钙保温砂浆克服了有机保温板材只能应用于规则墙体的不足,完全满足不规则外墙外保温体系的使用条件.1965年德国Rhodius公司获得了“保温砂浆”发明专利授权.1977年德国Baustoffwerke Muehlacker AG获得了一项关于具有很高隔热能力的承重砌体墙和具有保温功能的特种砌筑砂浆的A1类专利授权.1991年德国颁布实施了DIN18550《由矿物胶凝材料和聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)颗粒复合而成的保温浆料系统》标准,详细界定了不同保温材料的保温性能等级.2000年欧洲技术认定组织颁布了《有饰面层的复合外墙外保温系统欧洲技术认证指南》,对外保温系统的技术性能、试验方法以及技术认定要求做了全面规定.美国也是采用外墙保温系统进行建筑节能最早的国家之一,其在该方面的标准制订也比较完备,相继制定并颁布了《外保温与装饰系统抗快速变形冲击标准试验方法》、《耐碱玻璃纤维增强网外保温与装饰系统》、《系统涂层下落法磨损测试耐磨性的标准试验方法》等一系列外墙保温领域的标准.而且美国国家能源局、标准局等相关部门提出每五年需要对现有标准进行一次修订.1996年科威特学者Hayfaa A. Al-Mudhaf论述了使用蒸压加气混凝土砌块砌筑墙体时应用保温砌筑砂浆的必要性[7-11].

我国虽然在保温砌筑砂浆研究领域起步较晚,但在无数科研人员的不懈努力下已经取得了较大的进步.1997年葛勇,张宝生等人利用膨胀珍珠岩做骨料研制出的保温砌筑砂浆的导热系数已能降低至0.204W/(m·K),但强度等级只能达到M2.5[12].2002年吉林建筑大学肖力光教授带领其科研团队利用页岩陶砂做骨料研制出的保温砌筑砂浆可在抗压强度达到11.7MPa的情况下,导热系数近为0.273W/(m·K),改变砂浆容重,抗压强度为3.2MPa时,导热系数为0.130W/(m·K).2008年张长森教授以EPS为细骨料研制出了导热系数为0.123W/(m·K),强度等级达到M5要求的保温砌筑砂浆[13].2009年王洪镇教授的科研团队进行了水粹粒化高炉矿渣代砂制备保温砌筑砂浆的研究,配制的保温砌筑砂浆强度等级达到M5时,导热系数为0.166W/(m·K),强度等级为M7.5时,导热系数为0.180W/(m·K).2010年肖力光教授以珍珠岩超细陶砂为主要骨料研制的北方寒冷地区蒸压加气混凝土砌块专用保温砌筑砂浆已能在满足强度等级M10的条件下将导热系数降低至0.133W/(m·K).2013年宿茹等人利用建筑垃圾制备保温型砌筑砂浆,并试验证明了此类砂浆具有优良的保温性能.随着我国建筑墙体保温系统的广泛应用,保温砌筑砂浆的应用也越来越多,我国近年来也制定了相关的技术标准.2004年,我国建设部科技发展促进中心结合我国国情,依据德国标准《由矿物胶凝材料和聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)颗粒复合而成的保温浆料系统》和其它相关欧美标准起草了我国行业标准JG158-2004《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》,后来被JG/T 158-2013《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统材料》取代[14].此外,我国还相继出台了一系列国家标准和行业标准:JGJ 144-2004 外墙外保温工程技术规程、GB/T 20473-2006建筑保温砂浆、JCJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》、JC/T 890-2017《蒸压加气混凝土墙体专用砂浆》,持续引领和促进我国保温砂浆领域的发展.

2.2 存在的问题

保温砌筑砂浆具有诸多优点,在目前积极推广的墙体保温体系中具有重要的地位,可以有效避免“热桥”“结霜”等问题的发生,对于提高建筑物的整体节能保温性意义重大.但是保温砌筑砂浆的发展中仍然存在许多不足之处,主要有:

(1) 现有保温骨料如陶粒、膨胀珍珠岩、玻化微珠等需要高温烧制成型,生产能耗大.

(2) 现有保温骨料品位浮动大,容重、级配、颗粒形状及吸水率等不稳定,影响保温砌筑砂浆的性能.尤其是膨胀珍珠岩等经人工膨化制备的轻集料,吸水率普遍较高,且强度低,在砂浆制备过程中容易破损,导致最终成型的砂浆强度低于设计强度,保温性能也降低.

(3) 保温砌筑砂浆性能测试标准不规范,某些性能的测试仍在使用传统砌筑砂浆的测试标准,测试结果不准确.

3 火山渣干混保温砌筑砂浆的提出

火山渣是火山爆发岩浆喷出后,富含气体的熔浆碎片喷到空中冷凝,所含气体膨胀逃逸,留下气孔,形成的炉渣状多孔岩石,具有孔隙率高、导热系数小、轻质高强等优良特性,是优质的天然保温轻骨料.吉林省是我国火山渣储量最大的地区,如果利用火山渣制备无机保温砌块和保温砌筑砂浆,不但可以取代陶粒、膨胀珍珠岩等高能耗人造轻骨料,缓解砂石供应的压力,而且对于促进地区经济发展、推进建筑节能具有积极作用.

火山渣干混保温砌筑砂浆有如下技术优势:

(1) 施工简便、质量稳定. 火山渣保温砌筑砂浆的施工方式与传统砌筑砂浆相同,无需复杂的工艺,质量稳定可靠,制备的产品力学性能好,保温性能佳.

(2) 环保. 首先,从原料来源上看,生产火山渣无需人工膨胀、高温成型,生产能耗低;其次,从成品上看,火山渣保温砌筑砂浆的主要组分都是无机材料,无论是生产过程还是施工过程都不产生化学污染物,特别是遭到破坏后也不会对环境造成污染.

(3) 防火阻燃性好. 火山渣保温砌筑砂浆与无机保温砌块构成的自保温墙体能够达到建筑A级防火要求,实现了建筑保温、隔热、防火于一体,这类自保温墙体在高温环境下不会被破坏,更不会释放有害气体,可广泛用于密集型住宅、公共建筑、大型公共场所、易燃易爆场所等对防火要求严格的场所.

(4) 耐久性好. 传统保温材料耐久性差,保温寿命低,随时间的延长保温性能逐渐丧失,火山渣保温砌筑砂浆与无机保温砌块配合组成的自保温墙体,保温性能佳,耐久性能好,可以达到建筑节能65%的目标,同时实现保温与建筑同寿命.

4 结语

保温砌筑砂浆作为一种新型墙体保温材料,虽较其他保温材料起步晚,但其性能优良,应用前景广阔.火山渣是一种性能优良的天然轻骨料,生产能耗低,火山渣保温砌筑砂浆与无机保温砌块配合组成的自保温墙体保温性能和耐久性能都非常好,具有其他保温材料无可比拟的优势,今后政府应大力支持低能耗高性能节能材料的发展应用.同时，针对当前保温砌筑砂浆性能测试标准不规范的问题,国家应加紧出台关于保温砌筑砂浆性能测试的标准规范,以便进一步深化保温砌筑砂浆的研究.