王 慶 ， 劉 猛 ， 王文卓 ， 汪昭鵬 ， 劉 勇

（1.武漢源錦建材科技有限公司， 湖北 武漢430080；2.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司， 湖北 武漢430080）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展， 建筑行業(yè)突飛猛進(jìn)， 大量新建建筑物拔地而起。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 我國(guó)每年建筑能耗約占全國(guó)總能耗的1／4、 是一些發(fā)達(dá)國(guó)家的3～5 倍。 隨著建筑能耗的持續(xù)增加， 國(guó)內(nèi)能源緊缺形式日益嚴(yán)峻。 為此， 國(guó)家從政策上開始行動(dòng)， 頒布了很多建筑節(jié)能規(guī)范， 出臺(tái)了一系列建筑物能源消耗標(biāo)準(zhǔn)。 各省份也積極響應(yīng)， 其中河北、 山東、 江蘇等省份已經(jīng)全面實(shí)施建筑節(jié)能75%標(biāo)準(zhǔn)。 在我國(guó)建筑領(lǐng)域， 建筑行業(yè)的能源消耗主要是因建筑物的保溫隔熱效果差， 從而導(dǎo)致的大量能源損耗。 因此， 加強(qiáng)建筑領(lǐng)域新型節(jié)能環(huán)保材料的研發(fā)和推廣， 尤其是推廣應(yīng)用導(dǎo)熱系數(shù)較低的保溫節(jié)能墻體材料， 對(duì)增強(qiáng)能源使用率、改善生態(tài)環(huán)境、 減少資源的過度使用與浪費(fèi)、 使建筑領(lǐng)域走向可持續(xù)發(fā)展的道路， 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。 隨著國(guó)家對(duì)新型建筑節(jié)能保溫材料開發(fā)應(yīng)用的鼓勵(lì)與支持， 保溫砂漿已在我國(guó)黔、 蘇、浙等區(qū)逐漸得到應(yīng)用。 相較于傳統(tǒng)的水泥基保溫砂漿， 石膏基保溫砂漿具有更優(yōu)異的保溫和輕質(zhì)性能， 如能得到廣泛應(yīng)用， 將對(duì)我國(guó)建筑節(jié)能改革起到巨大推動(dòng)作用； 而且石膏基保溫砂漿在生產(chǎn)過程中的能源消耗量和碳排放量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類其他砂漿制品， 符合我國(guó)建材行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、推進(jìn)碳達(dá)峰與碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)要求； 此外， 石膏基保溫砂漿可采用工業(yè)副產(chǎn)石膏作為主要原料，這對(duì)推動(dòng)我國(guó)固廢綜合利用、 循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也具有重大意義。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用原材料

（1） 脫硫建筑石膏

安徽龍派建材脫硫建筑石膏， 其相組分及物理性能詳見表1。

表1 脫硫石膏相組分及物理性能Table 1 Desulfurized gypsum phase composition and physical properties

（2） 礦粉

S95 礦粉是采用武漢寶鋼礦渣經(jīng)實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一小磨粉磨制得， 比表面積426 m2／kg， 7 d 活性指數(shù)81%。

（3） 水泥

采用湖北亞東P·O 42.5 水泥和湖州SAC 42.5水泥。

（4） ?；⒅?/p>

江蘇新材玻化微珠， 粒徑50 目～70 目， 松散容重117 kg／m3， 體積漂浮率80%， 筒壓強(qiáng)度320 kPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.047 W／ （m·K）。

（5） 功能組分

功能組分主要由保水劑、 增稠劑、 引氣劑和緩凝劑， 其中緩凝劑取自上海英杉建材， 保水劑和增稠劑取自江蘇兆佳建材， 引氣劑取自南京棋成。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)設(shè)計(jì)配方將精確稱量的功能組分與建筑石膏粉預(yù)混， 再與稱量好的?；⒅橛肰 型混料機(jī)混合30 min， 取出后加水?dāng)嚢瑁?進(jìn)行濕漿性能測(cè)試， 并成型強(qiáng)度試塊和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試用保溫板。 脫模后， 試件養(yǎng)護(hù)至第7 d， 然后在（40±2） ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒重。 石膏基保溫砂漿的標(biāo)稠用水量、 凝結(jié)時(shí)間、 體積密度參照GB／T 28627-2012 《抹灰石膏》 進(jìn)行，抗折強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度參照GB／T 5486-2008 《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》 進(jìn)行、 導(dǎo)熱系數(shù)參照GB／T 10294-2008 《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定 防護(hù)熱板法》 進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同膠凝材料對(duì)石膏基保溫砂漿凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的影響

玻化微珠內(nèi)摻30%保持不變， 用礦粉、 普通硅酸鹽水泥（以下簡(jiǎn)稱普硅水泥）、 硫鋁酸鹽水泥（以下簡(jiǎn)稱硫鋁水泥） 分別按5%、 10%、 15%、20%等質(zhì)量取代石膏粉， 結(jié)果如圖1 所示。 從圖中可以看出， 隨取代量的增加， 摻入普硅水泥時(shí)，石膏基保溫砂漿的凝結(jié)時(shí)間平均縮短了11 min，抗壓強(qiáng)度整體提高了57%； 摻入硫鋁水泥時(shí)， 凝結(jié)時(shí)間平均縮短了8 min， 抗壓強(qiáng)度整體提高了50%； 摻入礦粉時(shí)， 凝結(jié)時(shí)間平均延長(zhǎng)了10 min，抗壓強(qiáng)度整體降低了40%。 取代量20%時(shí)， 摻硫鋁水泥的砂漿強(qiáng)度最大， 是摻普硅水泥的1.2 倍，摻礦粉的3.7 倍， 凝結(jié)時(shí)間適中， 比摻普硅水泥的長(zhǎng)20 min， 比摻礦粉的短51 min。 這主要是因?yàn)槟z凝材料礦物組成不同， 水化速率和水化產(chǎn)物不同導(dǎo)致。 研究表明： 建筑石膏水化成板狀二水硫酸鈣， 水泥中的鋁酸三鈣在飽和的石膏漿體中水化生成針狀水化硫鋁酸鈣-鈣礬石， 同時(shí)水泥中的硅酸二鈣和硅酸三鈣水化生成C-S-H 凝膠， 針狀的鈣礬石晶體和板狀的二水硫酸鈣晶體相互搭接，C-S-H 凝膠填充在晶體結(jié)構(gòu)中， 形成較為密實(shí)的結(jié)構(gòu)［2］， 從而提高了保溫砂漿的力學(xué)性能。 礦粉主要以硅酸鹽與硅鋁酸鹽的熔融物為主， 水化反應(yīng)慢， 所以摻礦粉時(shí)， 石膏基保溫砂漿的強(qiáng)度降低、 凝結(jié)時(shí)間變長(zhǎng)。 而且用脫硫建筑石膏粉制備保溫砂漿強(qiáng)度本身較低， 再摻入保溫骨料?；⒅楹桶l(fā)泡劑， 其力學(xué)性能會(huì)顯著降低［3］。 為了提高石膏基保溫砂漿的力學(xué)強(qiáng)度， 在砂漿中摻入硫鋁水泥和普硅水泥， 均可以提高力學(xué)性能。 當(dāng)硫鋁水泥摻20%時(shí)， 保溫砂漿的強(qiáng)度可達(dá)1.1 MPa，因此石膏基保溫砂漿中摻入硫鋁水泥， 其力學(xué)性能更優(yōu)。

圖1 不同膠凝材料對(duì)砂漿凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的影響Fig.1 Effects of different cementitious materials on setting time and strength of mortar

2.2 ?；⒅閾搅繉?duì)石膏基保溫砂漿性能的影響

建筑石膏粉摻80%、 硫鋁水泥摻20%， 并保持膠凝材料總量100%不變， ?；⒅榕c膠凝材料的質(zhì) 量 比 按1 ∶ 10、 2 ∶ 10、 3 ∶ 10、 4 ∶ 10、5 ∶10、6 ∶10、 7 ∶10、 8 ∶10、 9 ∶10、 10 ∶10 進(jìn)行外摻， 其保溫砂漿性能如表2 所示。 從表中可知， 當(dāng)玻化微珠和膠凝材料質(zhì)量比≤2 ∶10 時(shí)， 保溫砂漿狀態(tài)太黏， 和易性差， 主要是因?yàn)槟z凝材料對(duì)保溫骨料包裹嚴(yán)重， 砂漿不具有良好的施工性； 當(dāng)質(zhì)量比≥7 ∶10 時(shí)， 保溫砂漿黏聚性差， 較分散， 這是因?yàn)槟z凝材料對(duì)骨料包裹不均勻不充分， 也不具有良好的施工性； 當(dāng)質(zhì)量比在4 ∶10 ～6 ∶10 范圍內(nèi)時(shí)， 保溫砂漿的和易性好， 易批刮，可施工性強(qiáng)， 而且抗壓強(qiáng)度≥0.7 MPa， 導(dǎo)熱系數(shù)≤0.10 W／ （m·K）， 均滿足GB／T 28627-2012中的指標(biāo)要求， 綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)， 當(dāng)質(zhì)量比為5 ∶10時(shí)， 砂漿綜合性能最優(yōu)。 另外， 隨著?；⒅閾搅康脑黾?， 石膏基保溫砂漿的用水量急劇增加， 增至2.7 倍后不再增大； 濕密度則呈先減小后增大的趨勢(shì)。 由于輕質(zhì)保溫骨料玻化微珠的摻入，石膏基保溫砂漿的強(qiáng)度、 體積密度、 導(dǎo)熱系數(shù)等性能也都隨之減小。 據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載， 在封閉狀態(tài)下， 空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.023 W／ （m·k）， 因此在石膏基保溫砂漿中摻入多孔結(jié)構(gòu)且表面玻化封閉的?；⒅?， 砂漿孔隙率會(huì)隨之增大， 從而提高了砂漿的保溫性能。 也因?；⒅閾搅康脑黾樱?減少了砂漿中膠凝材料的比例， 從而砂漿的強(qiáng)度也明顯降低。

表2 ?；⒅椴煌瑩搅繉?duì)石膏基保溫砂漿性能的影響Table 2 Effects of different contents of vitrified microbeads on properties of gypsum-based thermal insulation mortar

2.3 纖維素醚摻量對(duì)石膏基保溫砂漿性能的影響

選擇玻化微珠與膠凝材料質(zhì)量比5 ∶10 的配方， 研究10 萬(wàn)Pa·s 纖維素醚不同摻量對(duì)石膏基保溫砂漿性能的影響， 結(jié)果如表3 所示。 隨著纖維素醚摻量的增加， 保溫砂漿的保水率由61%增至91%， 體積密度降低了37%， 抗壓強(qiáng)度降低了64%。 主要是因?yàn)槔w維素醚在石膏基保溫砂漿中除用作增稠保水劑外， 還可以在料漿制備過程中引入了大量微密氣泡， 氣泡在漿體硬化后形成孔洞，提高了保溫砂漿的孔隙率， 同時(shí)也使硬化后的保溫砂漿結(jié)構(gòu)疏松［4］， 從而提高了砂漿的保溫性能。但因氣孔增多， 孔隙率增大， 導(dǎo)致強(qiáng)度降低。 因此， 纖維素醚應(yīng)在保證保溫砂漿保水率的前提下，盡量控制其的摻量， 適宜摻量為0.20%。

表3 纖維素醚不同摻量對(duì)石膏基保溫砂漿性能的影響Table 3 Effects of different contents of cellulose ether on properties of gypsum-based thermal insulation mortar

2.4 引氣劑對(duì)石膏基保溫砂漿性能的影響

為了更進(jìn)一步降低石膏基保溫砂漿的體積密度， 研究了引氣劑種類及摻量對(duì)石膏基保溫砂漿性能的影響。 從圖2 中可以看出， 相同摻量時(shí)，OSB、 AOS、 三萜皂苷對(duì)石膏基保溫砂漿性能的影響不同。 摻入OSB 的石膏基保溫砂漿在保證強(qiáng)度滿足指標(biāo)要求的前提下， 可以獲得更低的體積密度， 即保溫性能也更好。 從圖3 中可以看出， 隨OSB 摻量的增加， 保溫砂漿30 min 的濕密度損失增大， 抗壓強(qiáng)度減小。 主要是因?yàn)橐龤鈩┰谏皾{攪拌時(shí)， 能顯著降低水的表面張力和界面能， 使?jié){體在攪拌的過程中產(chǎn)生大量的微小氣泡， 從而降低了石膏基保溫砂漿的濕密度， 提高了施工性能和出漿量。 封閉在漿體中的氣孔也使保溫砂漿的保溫隔熱性能更優(yōu)， 但同時(shí)也降低了強(qiáng)度。 當(dāng)OSB 摻量超過0.005%時(shí)， 由于HPMC 和OSB 的雙重引氣作用， 石膏基保溫砂漿中的氣泡增大，30 min后無(wú)法保持穩(wěn)定而破裂， 從而導(dǎo)致保溫砂漿的30 min 濕密度損失變大， 施工性能降低。 因此綜合考慮力學(xué)性能和保溫性能， OSB 最佳摻量為0.005%。

圖2 不同引氣劑對(duì)保溫砂漿性能的影響Fig.2 Effects of different air-entraining agents on the properties of thermal insulation mortar

圖3 OSB 不同摻量對(duì)保溫砂漿性能的影響Fig.3 Effects of different dosages of OSB on the properties of thermal insulation mortar

3 結(jié)論

（1） 在石膏基保溫砂漿中， 摻入普硅水泥、硫鋁水泥對(duì)脫硫建筑石膏制品具有增強(qiáng)改性的效果， 摻入硫鋁水泥的增強(qiáng)效果優(yōu)于普硅水泥的。當(dāng)硫鋁水泥摻量為20%時(shí)， 石膏基保溫砂漿的強(qiáng)度可達(dá)1.1 MPa。

（2） 玻化微珠是表面?；忾]的多孔結(jié)構(gòu)，隨著玻化微珠摻量的增加， 石膏基保溫砂漿的孔隙率增大， 體積密度減小， 從而提高了石膏基保溫砂漿的保溫隔熱性能。 但因?；⒅閾搅康脑黾?， 減少了砂漿中膠凝材料的比例， 從而降低了砂漿的強(qiáng)度。 當(dāng)?；⒅榕c膠凝材料的質(zhì)量比為5 ∶10時(shí)， 石膏基保溫砂漿的和易性好、 批刮性好， 其抗壓強(qiáng)度1.0 MPa、 體積密度370 kg／m3、 導(dǎo)熱系數(shù)0.08 W／ （m·K）， 均滿足GB／T 28627-2012中的指標(biāo)要求。

（3） 纖維素醚在石膏基保溫砂漿中主要用作增稠保水劑。 隨著纖維素醚摻量的增加， 漿體的黏性增大， 攪拌時(shí)引入的大量氣體難以排出， 從而降低了石膏基保溫砂漿的體積密度和抗壓強(qiáng)度，提高了保溫性能。 當(dāng)纖維素醚摻0.2%時(shí)， 石膏基保溫砂漿具有良好的保水性能和力學(xué)性能。

（4） 在建筑石膏和硫鋁水泥組成的膠凝體系中， OSB 的引氣效果優(yōu)于AOS 和三萜皂苷。 當(dāng)OSB 摻入0.005%時(shí)， 既可以保證漿體30 min 濕密度損失量滿足施工要求， 又不會(huì)因引氣過量而導(dǎo)致強(qiáng)度過低。