纳米SiO2对无机轻集料保温砂浆性能的影响

2019-01-17胡玲霞马立涛赵潇武赵忠强

新型建筑材料 2018年12期

胡玲霞，马立涛，赵潇武，赵忠强

（1.金华职业技术学院制药与材料工程学院，浙江金华 321000；2.浙江大森建筑节能科技有限公司，浙江金华 321000）

0 引言

近年来，由于纳米材料的小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应，使它在结构、物理和化学性质等方面具有许多传统材料不具备的奇特特征[1]。在各种纳米材料中，纳米SiO2已成为众多科研人员研究的热点。其颗粒尺寸小、比表面积大、表面吸附性强、呈球形状[2]。Rong等[3]发现纳米SiO2具有较高的火山灰活性和较好的孔隙填充效应，掺3%纳米SiO2可显著提高水泥基材料的抗压与抗折强度，促进水化，减小孔隙率。Shah等[4]发现，纳米SiO2溶胶可以改善C-S-H凝胶的形貌，从而改善水泥基材料的性能。

无机轻集料保温砂浆的优点有：防火性能优越、A级不燃材料、环保、耐老化年限远远高于有机材料、耐久性强、施工后与墙壁接触面为99%以上，且砂浆类产品与现有各类墙体的亲和力较好[5]。

方明晖等[6-7]研究了玻化微珠、防水剂对无机轻集料保温砂浆性能的影响；蔡尘碲等[8-9]研究了胶凝材料、羟丙基甲基纤维素醚对无机轻集料保温砂浆性能的影响。但纳米SiO2对无机轻集料保温砂浆影响的相关研究还不多见。本研究主要考察了纳米SiO2掺量对无机轻集料保温砂浆密度、抗压强度、导热系数、体积吸水率等性能的影响，以期在满足导热系数条件下，提高无机轻集料保温砂浆的抗压强度，降低体积吸水率。

1 试验

1.1 原材料

玻化微珠：堆积密度100～110 kg/m3，筒压强度110～130 kPa；水泥：42.5级普通硅酸盐水泥；可再分散乳胶粉：乙烯-醋酸乙烯共聚型高分子聚合物，最低成膜温度0℃；羟丙基甲基纤维素醚：2%溶液，20℃黏度为200 000 mPa·s；纳米SiO2：气相法白炭黑，白色粉末，含量99.5%，粒径（50±5）nm，pH值为 5～7，比表面积（200±30）m2/g。

1.2 试验配比

不同纳米SiO2掺量试验配比见表1。

表1 不同纳米SiO2掺量试验配比

1.3 试验方法

试样的制备：按GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》中附录B和附录C进行。

稠度测试：按JGJ70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》中第3章的规定进行。

试样的养护：试样制作后，用聚乙烯薄膜覆盖，养护（48±8）h后脱模，继续用聚乙烯薄膜包裹养护至14 d，去掉薄膜养护至28 d。成型好的试件拆模后放置于温度为（23±2）℃、相对湿度为60%～80%的养护室内至规定龄期，在（105±5）℃的鼓风干燥烘箱中烘至恒重，分别测试其干密度、抗压强度、导热系数、体积吸水率等。

导热系数测试：按GB／T 10294—2008执行，其中试验平均温度为25℃，冷热板温差为20℃。

抗压强度测试：按GB/T 5486—2008《无机硬质绝热制品试验方法》的规定进行。

体积吸水率测试：按DB33/T 1054—2016《无机轻集料砂浆保温系统应用技术规程》附录A的规定进行。

2 结果与讨论

2.1 纳米SiO2掺量对无机轻集料保温砂浆密度的影响

采用标准规定的搅拌机，搅拌3 min，在其他条件不变的情况下，通过改变纳米SiO2掺量，在保持保温砂浆稠度为80 mm时，无机轻集料保温砂浆密度变化见表2。

表2 纳米SiO2掺量对无机轻集料保温砂浆密度的影响

从表2可以看出，随着纳米SiO2掺量的增加，无机轻集料保温砂浆堆积密度和干密度逐渐下降，这是因为纳米SiO2为蓬松粉末，多孔性，比表面积较大，所以无机轻集料保温砂浆的堆积密度和干密度逐渐下降。但是水灰比和湿密度逐渐上升。分析原因：纳米SiO2粒子表面具有极强的活性，表现在Si—OH，—OH很容易与水发生亲合作用，形成氢键结构，形成“吸附水”。再加上表面积大，空隙多，粒子表面也会以物理吸附的方式吸附部分水分，所以造成需水量的增大。但在实际施工中无机轻集料保温砂浆水灰比不宜过大，因为保温砂浆的水主要分为2部分，一部分与砂浆中的其他组分发生水化作用生成硬化砂浆，多余的水分则在硬化砂浆中形成空隙，随着用水量的增加，参与水化作用后多余的水分也在增多，多余的水分在硬化砂浆中形成的孔隙增加，进而形成疏松多空的结构，将导致保温砂浆的抗压强度降低。

2.2 纳米SiO2掺量对无机轻集料保温砂浆导热系数的影响

将成型好的试件拆模后放置于温度为（23±2）℃、相对湿度为60%～80%的养护室内至龄期，在（105±5）℃的鼓风干燥箱中烘干至恒重，测试其导热系数，结果见图1。2

图1 SiO掺量对无机轻集料保温砂浆导热系数的影响

由图1可知，随着SiO2掺量增大，无机轻集料保温砂浆导热系数逐渐下降。SiO2掺量在0～6%时，导热系数从0.109 W/（m·K）下降至0.084 W/（m·K），说明纳米SiO2有明显改善无机轻集料保温砂浆保温性能的作用。这与纳米SiO2具有高气孔率和纳米级空隙结构有关。又因纳米SiO2比表面积较大，随着掺量的增加，无机轻集料保温砂浆的堆积密度和干密度逐渐下降，而保温砂浆导热系数与干密度有着线性关系，也说明了保温砂浆导热系数下降的原因。但随着纳米SiO2掺量的进一步增加，导热系数下降趋势变缓。这与无机轻集料保温砂浆需水量加大有一定的关系。为配制导热系数小于0.085 W（/m·K）、抗压强度大于1.0 MPa的保温砂浆，建议SiO2掺量选择在3%～6%。

2.3 纳米SiO2掺量对无机轻集料保温砂浆抗压强度的影响（见图2）

图2 SiO2掺量对无机轻集料保温砂浆抗压强度的影响

从图2可见，纳米SiO2掺量为0～3%时，无机轻集料保温砂浆的3 d、7 d、28 d抗压强度有微微上升趋势；纳米SiO2掺量为3%～6%时，3 d、7 d抗压强度又缓慢下降；纳米SiO2掺量大于3%时，28 d抗压强度急剧下降。分析原因：纳米SiO2颗粒较细，对无机轻集料保温砂浆起填充作用，减小了无机轻集料中大、中孔及间隙孔孔径尺寸，进而使总孔隙度降低，增加了保温砂浆的密实度，从而对抗压强度有所提高。因纳米SiO2颗粒较细、反应活性较高，容易在水泥水化过程中发生团聚作用，随着纳米SiO2掺量的进一步增大，对无机轻集料保温砂浆抗压强度又产生不良的影响，导致急剧下降。

2.4 纳米SiO2掺量对无机轻集料保温砂浆体积吸水率的影响

无机轻集料保温砂浆如果体积吸水率太高，将严重影响其保温隔热性能和强度，并且上墙后易产生空鼓、脱落现象。纳米SiO2对无机轻集料保温砂浆体积吸水率的影响见图3。

图3 SiO2掺量对保温砂浆体积吸水率的影响

从图3可以看出，纳米SiO2掺量在0～3%时，无机轻集料保温砂浆硬化后的体积吸水率明显下降，纳米SiO2掺量为3%的体积吸水率达最低值，小于20%。但随着纳米SiO2掺量的继续增加，无机轻集料保温砂浆的体积吸水率又逐渐上升。分析原因：适量的纳米SiO2可以填充水泥基材料的毛细管空隙、凝胶孔隙和水化硅酸钙层结晶空隙，降低了孔隙率，提高了无机轻集料保温砂浆的密实度，从而降低了体积吸水率，这与抗压强度测试结果相吻合。但随着纳米SiO2掺量的进一步增加，体积吸水率也上升，说明过量的纳米SiO2发生团聚，孔隙度上升。从体积吸水率指标来看，纳米SiO2掺量以3.0%较为适宜。