不同比重玻化微珠制备的保温砂浆性能对比＊

包得祥

（甘肃新发展城市开发建设运营集团有限公司，甘肃 兰州 730030）

随着化石能源的逐渐枯竭和全球环境的持续恶化，各国都开始关注能源的节约与环境的保护[1]。在此背景下，中国提出了“碳达峰”和“碳中和”的标志性目标[2]。目前，建筑行业成为国内高耗能领域之一[3]，实现“双碳”目标必须严格控制建筑能耗，因此寻找既能降低能源消耗又具有良好保温隔热性能的墙体材料，成为当前建筑节能方向新的关注点。有机保温材料虽然保温效果良好，但存在防火性能差、耐老化时间短、强度低等明显缺陷[4]；无机保温材料具有良好的耐久性能和防火性能，但在导热性能方面不及有机保温材料。因此，寻找既能够满足保温隔热要求，又不影响建筑安全性能和耐久性能的墙体保温材料，成为土木工程技术人员广泛关注的焦点。作为一种新型的外墙保温材料，保温砂浆与传统的有机保温材料相比具有保温隔热性能较好、耐久性良好等显著优势。作为一种墙体的无机保温材料，玻化微珠保温砂浆具有导热系数低、成本低廉的特点，同时兼备耐久性、强度高、不燃等优点，逐渐成为市场上建筑保温的首选材料[5]。

以普通的硅酸盐水泥为胶凝材料，玻化微珠为保温骨料，添加纤维素醚、可分散性乳胶粉、玄武岩纤维、憎水剂等辅助材料来制备玻化微珠保温砂浆。砂浆中的玻化微珠作为骨料具有质轻、性脆、吸水及内部多孔等特点[6]。玻化微珠体积占整个砂浆体积的70%以上，所以玻化微珠是决定保温砂浆性能的关键因素之一[7]。但是，市面上的玻化微珠质量参差不齐、品种复杂多样，如果选择玻化微珠不当就会导致保温砂浆的性能达不到预想。以3种不同比重的玻化微珠为骨料，制备了3 种不同骨料的保温砂浆，研究了玻化微珠比重和掺量对保温砂浆物理和力学性能的影响规律。最终确定了最优比重的玻化微珠，为保温砂浆骨料的选择提供参考。

1 原材料及试验介绍

本次试验中玻化微珠保温砂浆的制备选择以普通硅酸盐水泥为胶凝材料，玻化微珠为骨料，添加纤维素醚、玄武岩纤维、憎水剂作为辅助材料，在此基础上对不同比重玻化微珠制备保温砂浆的物理和力学性能开展试验研究。

1.1 试验材料

本试验选用了3 种购自不同公司、不同比重的玻化微珠。玻化微珠A购自河北某材料有限责任公司，玻化微珠B购自河南某材料厂，玻化微珠C购自上海某材料公司，3 类玻化微珠具体的参数见表1。添加的纤维素醚、玄武岩纤维、憎水剂及可分散性乳胶粉的基本参数分别见表2—表5。

表1 玻化微珠的参数

表2 纤维素醚的基本参数

表3 玄武岩纤维的基本参数

表4 憎水剂的基本参数

表5 可分散性乳胶粉的基本参数

1.2 配合比拟定

当玻化微珠掺量在55%～95%时制备的玻化微珠保温砂浆各项性能处于最佳区间，玻化微珠保温砂浆的水胶比直接影响保温砂浆的物理性能和力学性能，借鉴文献8—10 的研究成果，玻化微珠A、玻化微珠B、玻化微珠C 制备保温砂浆时的水胶比分别取1.2、2.1、3.1，纤维素醚掺量为0.5%，玄武岩纤维的掺量为1%，憎水剂的掺量为0.5%，最终确定的玻化微珠保温砂浆的配合比见表6。

表6 保温砂浆的配合比

1.3 试验方法

1.3.1 干密度测试

参照《无机硬质绝热制品试验方法密度、含水率及吸水率》（GB/T 5486.3—2001），将试件置于干燥箱中，在（105±5）℃下烘干至恒重，然后放入干燥器中冷却至室温。称量烘干后的试件重量，再测量试样的几何尺寸、计算试件的体积，最后计算试件的密度精确至1 kg/m3。

1.3.2 抗压强度测试

参照《无机硬质绝热制品试验方法力学性能》（GB/T 5486.2—2001），以10 mm/min 的速率对试件加荷，直至试件破坏为止，同时记录压缩变形，当试件在压缩变形5%时若试件没有破坏，则试件压缩变形以5%时的荷载为破坏荷载，精确到10 N，然后计算试件的抗压强度。

1.3.3 抗折强度测试

参照《无机硬质绝热制品试验方法力学性能》（GB/T 5486.2—2001）进行测定，试样的长度为240 mm、宽度为75～150 mm、厚度为25 mm，将试样放在2 个辊轴之间，调整辊轴的下降速率为10 mm/min，加压至试样破坏，记录试样破坏时的荷载，计算抗折强度。

1.3.4 线性收缩率测试

参照《膨胀玻化微珠保温隔热砂浆》（GB/T 26000—2010）测定砂浆试样的线性收缩率，试模采用40 mm×40 mm×160 mm 钢制有底三连试模，线性收缩率试验结果为3个试样的算术平均值，并精确至0.1%。

1.3.5 导热系数测试

将试样覆膜养护7 d 后拆模，继续自然养护至28 d 后放入电热鼓风干燥箱中烘干待用，具体测试过程按照《绝热材料稳态热阻及有关热性的测定防护热板法》（GB/T 10294—2008）进行。

1.3.6 耐火性能测试

参照《建筑材料不然性能试验方法》（GB/T 5464—2010）进行测定。

2 结果与讨论

2.1 玻化微珠保温砂浆的性能测试结果汇总

根据前述测试方法开展玻化微珠保温砂浆的物理和力学性能测试，测得3 类不同比重玻化微珠制备保温砂浆的耐火性能均达到A 级，其余物理性能、力学性能的测试结果见表7。

表7 保温砂浆的物理、力学性能测试结果

2.2 玻化微珠保温砂浆的物理、力学性能分析

2.2.1 保温砂浆的干密度

图1给出了3类不同比重玻化微珠制备保温砂浆的干密度变化情况。从图1可知，3种不同比重玻化微珠制备温砂浆的干密度随着玻化微珠掺量的增加而逐渐减小。玻化微珠A制备的保温砂浆干密度最高，干密度为583.7～649.7 kg/m3；其次是玻化微珠B 制备的玻化微珠保温砂浆干密度较高，干密度为469.4～556.9 kg/m3、平均值为516.04 kg/m3；玻化微珠C 制备玻化微珠保温砂浆的干密度最低，平均值为213.1 kg/m3，干密度为188.1～242.8 kg/m3。玻化微珠C 所制备保温砂浆的干密度比玻化微珠A、玻化微珠B制备的保温砂浆分别降低了65.0%和58.7%，主要原因是当相同数量的玻化微珠骨料添加到保温砂浆中，比重较小的玻化微珠占据与重量相等但体积更大的空间，因此，比重较小的玻化微珠制备保温砂浆的干密度相对较小。随着玻化微珠掺量的增加，保温砂浆中的空间会增加，而胶凝材料所占据的空间则会减少，这使得玻化微珠在保温砂浆中的占比越来越大，但它们的密度远小于水泥，因此，随着玻化微珠掺量的提高，玻化微珠保温砂浆的干密度将会逐渐降低。

图1 不同种类玻化微珠制备保温砂浆的干密度

2.2.2 保温砂浆的抗压强度

图2给出了不同种类玻化微珠制备保温砂浆的抗压强度。由图2 可知，不同比重玻化微珠制备的保温砂浆抗压强度随着玻化微珠掺量的增加而下降。玻化微珠掺量为55%和65%时随玻化微珠掺量的增加砂浆抗压强度降幅不明显，但当玻化微珠掺量达到75%时，明显出现下降趋势；这是因为随玻化微珠掺量的增加水泥在保温砂浆中所占比例快速减少，因此砂浆的强度急剧下降。对于玻化微珠A、玻化微珠B及玻璃微珠C制备的保温砂浆而言，其抗压强度区间分别为4.59～4.91 MPa、3.20～4.29 MPa及0.18 ～0.32 MPa。这是因为玻化微珠C 的筒压强度明显低于玻化微珠A和玻化微珠B，玻化微珠在保温砂浆中所占比例相对较大，玻化微珠C 的筒压强度低导致制备保温砂浆的抗压强度大幅下降。此外，比重较小的玻化微珠在相同掺量下会占据更大体积，使得保温砂浆中水泥掺量相对较少，进一步降低了保温砂浆的抗压强度。

图2 不同种类玻化微珠制备保温砂浆的抗压强度

2.2.3 保温砂浆的抗折强度

图3给出了不同种类玻化微珠保温砂浆的抗折强度变化情况。从图3 中可以得到，增加玻化微珠掺量会显著降低保温砂浆的抗折强度，各类比重玻化微珠制备保温砂浆的抗折强度呈现出相似的趋势，随着玻化微珠掺量的增加抗折强度逐渐下降。当玻化微珠掺量达到75%时，各类比重玻化微珠制备保温砂浆的抗折强度均出现较大程度的降低，这与抗压强度下降的原因类似。由于玻化微珠掺量的增加，保温砂浆中水泥的数量减少，水泥水化产物减少，导致保温砂浆的强度下降。玻化微珠A 和玻化微珠B所制备保温砂浆的抗折强度变化区间分别为0.99～1.59 MPa、0.98～1.56MPa，而玻化微珠C制备保温砂浆的抗折强度仅为0.12～0.18 MPa，这主要与玻化微珠C筒压强度较低有关。

图3 不同种类玻化微珠制备保温砂浆的抗折强度

2.2.4 保温砂浆的线性收缩率

图4给出了不同种类玻化微珠保温砂浆的线性收缩率。从图4 可以看出，随着玻化微珠掺量的增加，各类保温砂浆的线性收缩率都呈现出逐渐下降趋势。具体而言，玻化微珠A 制备保温砂浆的线性收缩率最小为0.25%；玻化微珠B 制备保温砂浆的线性收缩率在0.34%到0.46%之间波动，平均为0.39%；玻化微珠C 制备保温砂浆的线性收缩率从0.64%下降到0.45%。与A、B 两类玻化微珠制备的保温砂浆相比，玻化微珠C 制备保温砂浆平均线性收缩率分别增加了64%和26.7%；这主要与玻化微珠保温砂浆的干缩和玻化微珠自身的收缩有关。同时，控制玻化微珠掺量可以实现保温砂浆中线性收缩率的下降，二者之间呈现出明显的线性关系[11]，这主要是因为随着玻化微珠掺量的增加胶凝材料数量减少，胶凝材料的干缩和自缩现象也相应减少，导致玻化微珠保温砂浆的线性收缩率逐渐减小。当玻化微珠A、B、C的掺量相同时，由于玻化微珠C 的粒径最小，其在保温砂浆骨料中的约束相比玻化微珠A 和玻化微珠B 更小，因此玻化微珠C 制备保温砂浆的线性收缩率较玻化微珠A和玻化微珠B制备的保温砂浆更大。

图4 不同种类玻化微珠制备保温砂浆的线性收缩率

2.2.5 保温砂浆的导热性能

图5给出了不同种类玻化微珠保温砂浆的导热系数变化情况。从图5 可以看出，不同比重玻化微珠制备的保温砂浆导热系数均随玻化微珠掺量的增加而逐渐降低，这主要与玻化微珠所占体积的不断增大导致保温砂浆内部的空隙增多有关[12]，在不同类型玻化微珠制备的保温砂浆中，导热系数存在着明显差异；其中，玻化微珠A 制备保温砂浆的导热系数最大，为0.082～0.131 W/m·K，平均值为0.103 W/m·K；玻化微珠B制备保温砂浆的导热系数居中，约为0.052～0.065 W/m·K；玻化微珠C 制备保温砂浆的导热系数最小，平均值为0.041 4 W/m·K。相对于前两种玻化微珠制备的保温砂浆，玻化微珠C 制备的保温砂浆平均导热系数分别降低了59.8%和29.6%，这主要与玻化微珠C的比重较小有关，当玻化微珠掺量相同时，比重较小玻化微珠占据的体积更多，相应地增加了保温砂浆中的空隙，进而导致玻化微珠保温砂浆的导热系数优于另外两者。

图5 不同种类玻化微珠制备保温砂浆的导热系数

3种不同比重的玻化微珠保温砂浆在明火试验中均表现出了极佳的耐火性能，即明火时间均为0，质量损耗率也都小于50%。这说明3类玻化微珠保温砂浆已达到A级耐火标准。

2.3 最佳比重玻化微珠的推荐

根据玻化微珠保温砂浆性能的基本要求，通过比较3种不同比重玻化微珠制备保温砂浆的各项性能，发现只有玻化微珠C 制备的保温砂浆在干密度方面能够达到规范要求。在抗压强度方面，玻化微珠A、玻化微珠B、玻化微珠C 制备保温砂浆都能够满足规范要求，而玻化微珠A 和玻化微珠B 制备保温砂浆的抗压强度远超规范的要求。3种比重玻化微珠制备保温砂浆的线性收缩率都达到规范性能指标的要求。规范中没有强制要求抗折强度的具体指标，考虑到实际工程中外墙保温砂浆通常不会承受抗折力，因此抗折强度仅仅是附加性能。3 种玻化微珠制备保温砂浆均可达到A级耐火标准。导热系数是外墙保温砂浆的最重要指标，试验结果表明，玻化微珠C 制备的保温砂浆具有最佳的导热系数，其次是玻化微珠B制备的保温砂浆，而玻化微珠A制备的保温砂浆排名第三。综合上述各项性能，选择使用玻化微珠C制备保温砂浆是骨料的最佳选择。

3 结论

通过3 种不同比重玻化微珠保温砂浆的物理、力学性能试验，所得结论主要有：

（1）比重最小的玻化微珠C 制备保温砂浆的干密度、抗压强度、抗折强度、导热系数最小，而线性收缩率最大。比重最大的玻化微珠A制备保温砂浆的干密度、抗压强度、抗折强度、导热系数均最大，而线性收缩率最小。

（2）3 种不同比重玻化微珠所制备的保温砂浆均可达到A级耐火标准。玻化微珠C制备的保温砂浆导热系数最低、其余各项性能指标均符合要求，推荐比重最小的玻化微珠C为制备保温砂浆的最佳骨料。