不同憎水剂及骨粉比无机保温砂浆的耐冻融性能研究

汤立杰

[上海市建筑科学研究院（集团）有限公司，上海 200032]

0 前言

近年来，高层及超高层建筑急剧增多，建筑高度不断攀升，体量跨度越来越大。据不完全统计，我国有高层民用建筑36余万栋，呈现“数量多、体量大、情况复杂、隐患存量大、整改难度高”等特点。为吸取上海胶州路教师公寓和沈阳皇朝万鑫大厦大火教训，公安部消防局下发了《关于进一步明确民用建筑外保温材料消防监督管理有关要求的通知》（公消[2011]65号），对建筑外墙保温材料使用及管理提出了应急性要求，规定建筑外墙保温必须使用防火级别达到A级的材料。通知发布后各省市尤其上海一度在外墙大量推广使用无机保温砂浆系统，例如上海市有80%以上采用了无机保温砂浆外墙保温系统，2017年经不完全统计仍有60%以上的新建建筑采用无机保温砂浆外保温系统。事实上该系统仍存在不少争议，而近年来关于无机保温砂浆系统的脱落事故也频频见诸报道，系统耐久性劣化机理及相关修复技术仍然欠缺。

鉴于无机保温砂浆系统应用广泛以及大量既有无机保温砂浆外保温系统面临修复的现状，研究无机保温砂浆的劣化机理、耐久性影响因素及提升技术非常重要。目前关于无机保温砂浆的配方研制方面的研究较多[1-4]，但是耐久性相关的研究较少。张俊琦[5]研究了硫酸盐侵蚀下玻化微珠保温砂浆的耐久性，通过在室内模拟硫酸盐浸泡试验，揭示时间、溶液浓度对砂浆性能的影响规律，分析硫酸盐侵蚀环境下砂浆的强度及耐久性。乔稳超[6]对玻化微珠保温砂浆抗冻耐久性进行试验研究，揭示了冻融次数对保温砂浆耐久性的影响规律。吕丹丹[7]研究了碳化作用下玻化微珠保温砂浆耐久性能，结果表明，在合理的碳化龄期范围内，碳化时间越长，抗冻能力越强。施广鑫[8]研究了在热雨循环、冻融循环条件下玻化微珠保温砂浆的抗冻性，结果表明，通过憎水处理的玻化微珠保温砂浆的强度和质量损失相比普通保温砂浆有一定的降低，但效果不是特别明显。以上研究关注了耐腐蚀、碳化以及冻融次数等对无机保温砂浆的影响规律，但是对无机保温砂浆耐冻融的影响因素及提升技术缺乏深入研究。本文从宏观、微观角度研究在冻融条件下不同憎水剂及骨粉比的无机保温砂浆的性能变化规律，并深入分析其耐冻融的影响因素和提升技术。

1 试验

1.1 主要原材料

水泥：P·O42.5，上海万安，主要性能指标见表1；可溶性聚合物胶粉：聚乙烯醇（PVA）粉末，型号2488，由上海尚南贸易有限公司提供；纤维素醚：黏度为200 Pa·s，上海惠广生产；引气剂：上海市建筑科学研究院生产；憎水剂1：SEAL80，ELOTEX有机硅憎水剂；憎水剂2：P-2S，上海舜水化工。玻化微珠：河南信阳市昌达珍珠岩开发有限公司生产，主要性能指标见表2。

表1 水泥的主要性能指标

表2 玻化微珠的主要性能指标

1.2 试验方法

抗压强度、吸水率参照DG/TJ 08-2088—2011《无机保温砂浆应用技术规程》进行测试；抗冻性试验参照GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》进行。

1.3 试验配合比

一般认为，无机保温砂浆作为多孔轻质结构其吸水率大，尤其冬季环境下保温及力学性能由于冻融影响会不断劣化，导致该系统保温性能下降、粘结强度稳定性变低，尽管采取一定的防护措施，也难以从根本上解决这一问题[9]。为比较不同骨粉比及不同吸水率下的耐冻融效果，解析冻融机理及影响无机保温砂浆耐冻融的因素，设计配方如下：1#～4#配方设计为低密度低导热系数的无机保温砂浆，骨粉比为8∶1（8 L骨料比1 kg粉料），有机硅憎水剂1掺量分别为1%、2%，憎水剂2掺量为2%。5#、6#配方设计为高密度的无机保温砂浆，骨粉比为5∶1（5 L骨料比1kg粉料）。无机保温砂浆的配合比设计见表3。

表3 无机保温砂浆的试验配合比

2 试验结果与分析

2.1 不同憎水剂及骨粉比对无机保温砂浆耐冻融抗压强度的影响（见图1）

图1 不同憎水剂及骨粉比对无机保温砂浆冻融前后抗压强度的影响

由图1可知，1#～6#无机保温砂浆的抗压强度均在冻融后都有所降低。相同骨粉比条件下，随着憎水剂1掺量的增加，抗压强度先提高后降低。原因在于有机硅憎水剂1的表层经过了亲水处理，其保护胶体外壳在加水搅拌后迅速溶解于水，并释放出包裹的硅烷使其再分散到拌和水中，在水泥水化后的高碱性环境下硅烷中亲水的有机官能团水解形成高反应活性的硅烷醇基团，之后继续同水泥水化产物中的羟基进行不可逆反应形成化学结合，从而使通过交联作用连接在一起的硅烷牢固地固定在水泥砂浆孔壁表面。憎水剂1在一定掺量下减少了用水量，提高了无机保温砂浆的密实度。但其掺量过高时，疏水作用不断加大，导致无机保温砂浆的水化受到抑制，影响了抗压强度。4#无机保温砂浆采用憎水剂2，该憎水剂是一种硅烷粉末，在其掺量为2%时抗压强度大幅下降，原因在于强疏水作用阻碍了水泥与水的接触，进而导致水化不充分引起强度降低。5#、6#砂浆降低了骨粉比，冻融前后的抗压强度较1#～4#高骨粉比砂浆的有了大幅提高。

2.2 不同憎水剂及骨粉比对无机保温砂浆吸水率的影响（见图2）

图2 不同憎水剂及骨粉比对无机保温砂浆吸水率的影响

由图2可知；

（1）在骨粉比为8∶1条件下，未掺憎水剂的1#无机保温砂浆的1 h吸水率即达160%，且1 h内的吸水率已经饱和。憎水剂1掺量为1%、2%的2#和3#无机保温砂浆吸水率接近，都较1#砂浆吸水率降低约40%。说明憎水剂1在掺量超过1%后并无明显的疏水作用，结合图1可知，提高憎水剂1掺量后强度明显降低。憎水剂2掺量为2%的4#无机保温砂浆吸水率大幅降低至低于10%，疏水作用非常明显。

（2）在骨粉比为5∶1条件下，未掺憎水剂的5#无机保温砂浆吸水率则较1#砂浆降低60%左右，且1 h时吸水已经接近饱和；与骨粉比为8∶1类似，采用2%的憎水剂1并未降低其1 h吸水率。

2.3 无机保温砂浆耐冻融影响因素研究

图3为1#～4#无机保温砂浆吸水量的变化。

图3 不同无机保温砂浆的吸水量

由图3可见，在骨粉比为8∶1条件下，随憎水剂种类和掺量变化，1#～4#无机保温砂浆的吸水量不断降低，1 h吸水量分别为 300、250、220、120 g。

由图1计算可得1#～4#无机保温砂浆冻融后的抗压强度损失率，结果见图4。

图4 1#～4#无机保温砂浆冻融后的抗压强度损失率

结合图4和图2可知，冻融后抗压强度损失率随吸水率降低呈现先降低后升高的趋势。分析原因可知，无机保温砂浆吸水率的降低原因有2点，一是憎水剂的掺入，二是密实度的提高。前者对无机保温砂浆的吸水率的降低有限且受掺量限制，随着憎水剂掺量的增大，疏水作用带来的水化障碍导致抗压强度降低的副作用明显；而后者减少孔隙含量提高砂浆本体吸水率，但受保温性能限制提高有限。一定限度下，无机保温砂浆在处于冻融环境时，吸水率降低使得水分结冰对孔壁等内部结构造成的膨胀压力减小，对抗压强度冻融损失率有正面效果。若憎水剂掺量过高时，即使无机保温砂浆的吸水率降低，但是由于抗压强度大幅下降的副作用明显，使得无机保温砂浆的抗压强度无法抵抗在反复冻融疲劳作用下的内部膨胀压力，仍然会产生较高的冻融损失率。

综上所述，无机保温砂浆的耐冻融性主要受初始强度与吸水率的影响。初始强度越高、无机保温砂浆越密实，吸水率越低，抵抗冻融压力的能力越大。通过掺入憎水剂降低吸水率的方式提高其耐冻融性效果有限，耐冻性能随吸水率降低呈现先提高后降低的趋势，因此需要严格控制憎水剂的掺量。

2.4 无机保温砂浆冻融前后微观形貌变化

选取1#、3#、4#、6#无机保温砂浆，对冻融前样品的微观形貌进行观测，结果见图5。

由图5可见，1#无机保温砂浆在放大1000倍时表面明显看到有大量块状晶体，坑洞较多表面未形成连续整体。3#无机保温砂浆在掺2%憎水剂1后表面形貌与1#相比变化明显，针状晶体增多块状晶体减少，表面空隙多且疏松。4#无机保温砂浆掺加2%憎水剂2，放大1000倍的形貌与3#无机保温砂浆类似。6#无机保温砂浆放大1000倍时的块状晶体较其它配方数量明显增多,尺寸明显增大，表面比较连续。在放大2000倍时，4#无机保温砂浆表面看起来更为疏松且不连续，而6#无机保温砂浆则更为密实，这与其未冻融强度相互验证，骨粉比减小后强度提高。

图5 冻融前无机保温砂浆的微观形貌

图6为冻融前后1#、4#、6#无机保温砂浆的微观形貌对比。

图6 冻融前后无机保温砂浆的微观形貌

由图6可见：（1）4#无机保温砂浆在放大50倍时可以明显看到冻融之后的样品孔隙内微裂纹密布，数量较冻融前明显增多，原因部分在于冻融时样品内部孔隙中的水结冰膨胀产生的膨胀应力大于孔壁强度引起。（2）1#无机保温砂浆在放大1000倍后的形貌可明显看出，孔隙附近针状晶体明显增多尺寸增大（孔隙难以确定是由冻融引起）。（3）6#无机保温砂浆在放大5000倍时也可明显看出针状晶体的增长，原因可能在于由于样品疏松孔隙和空隙率高，晶体在冻融反复浸水过程中结合水中的离子引起的晶体不规则大量生长。

3 结论

（1）无机保温砂浆的骨粉比越大，抗压强度越低。1 h内无机保温砂浆吸水量基本可达到饱和，不同憎水剂的憎水效果差异较大。冻融循环后采用不同骨粉比和憎水剂的无机保温砂浆的抗压强度都有所降低。

（2）无机保温砂浆的耐冻融性主要受初始强度与吸水率的影响。初始强度越高无机保温砂浆越密实，吸水率越低，抵抗冻融压力的能力越大。通过掺入憎水剂降低吸水率的方式提高其耐冻融性有一定作用，憎水剂掺量会影响无机保温砂浆的抗压强度，耐冻融性能随吸水率的降低呈现先提高后降低的趋势。要保证无机保温砂浆上墙后的耐冻融性，不能只重视其导热系数忽视了其初始强度，降低其吸水率具有一定保障作用，但需严格控制憎水剂掺量。

（3）扫描电镜分析表明，冻融后孔隙内微裂纹数量增多，孔隙附近针状晶体明显增多、尺寸增大，原因可能由于样品疏松孔隙和空隙率高，多次冻融循环下样品内部孔隙中的水结冰膨胀产生的膨胀应力大于孔壁强度引起了孔隙内微裂纹的增加，同时晶体在冻融反复浸水过程中结合水中的离子引起晶体不规则大量生长，可间接表明其冻融劣化原因。

[1] 陈晓莉.玻化微珠保温砂浆基本性能的试验研究与应用[D].淮南：安徽理工大学，2012.

[2] 李珠，李赟婷.玻化微珠保温砂浆配合比研究及机理分析[J].新型建筑材料，2011（2）：46-48.

[3] 邵滨，韩文祥.玻化微珠无机保温砂浆的研制及在外墙外保温系统中应用[J].建筑节能，2012，40（8）：39-41.

[4] 吴文杰，余以明.基于单因素分析玻化微珠保温砂浆的配合比研究[J].材料导报，2014，28（24）：387-390.

[5] 张俊琦.硫酸盐侵蚀下玻化微珠保温砂浆的耐久性研究[D].太原：太原理工大学，2012.

[6] 吕丹丹.碳化作用下玻化微珠保温砂浆耐久性能试验研究[D].太原：太原理工大学，2015.

[7] 施广鑫.玻化微珠保温砂浆力学性能及耐久性研究[D].长沙：湖南科技大学，2015.

[8] 乔稳超.玻化微珠保温砂浆抗冻耐久性试验研究[D].太原：太原理工大学，2014.

[9] 李青，李玉平，杨雪蛟.无机聚合保温砂浆憎水性能研究[J].新型建筑材料，2008（7）：57-59.