新型室内保温调湿砂浆的性能研究

甘翠萍 湖南农业大学水利与土木工程学院

陈 炜 湖南农业大学水利与土木工程学院

岳振潇 湖南农业大学水利与土木工程学院

彭玉珍 湖南农业大学水利与土木工程学院

向秀月 湖南农业大学水利与土木工程学院

吴 懿 （通信作者） 湖南农业大学水利与土木工程学院讲师

目前，我国农村住宅由于建筑技术及建筑材料的落后，会出现由室内温湿度这一物理因素引起的病态建筑和病态建筑综合症等问题[1]。室内温湿度是影响室内环境舒适度的重要因素，现在最主要的调节方法包括主动调节和被动调节两种[2]。其中，主动调节即使用空调等设备，通过加湿或除湿将室内的相对湿度维持在有利范围内；被动调节依靠建筑调湿材料的特性，控制和调节室内的相对湿度和温度。主动调节耗费资源会造成环境污染，相关统计显示建筑行业空调能耗占建筑能耗的35%以上，因此需减少使用空调去调节室内相对湿度[3]。研究表明，建筑调湿材料既可以降低建筑物的能耗，也符合农村的经济发展水平。

1 试验过程

1.1 砂浆原材料及设备

试验采用湖南湘坪建材科技有限公司生产的普通硅酸盐水泥、膨胀珍珠岩、海泡石、硅藻土、聚丙烯纤维、木质纤维等调湿骨料以及可再分散乳胶粉和发泡剂AOS。此外还采用水泥胶砂搅拌机、万能试验机、PDR—II—3030平板导热仪、NY—881—＞2 型电热鼓风干燥箱、HBY—40A 型水泥混凝土恒温恒湿标准养护箱、JM.B5003 电子天平、扫瞄电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、ASAP 2460 3.01型全自动快速比表面积与孔隙度分析仪、量筒、烧杯、捣棒、秒表等其他器具。

1.2 试块配比设计

实验采用木质纤维、硅藻土、膨胀珍珠岩以及海泡石作为调湿骨料，其中硅藻土独特的多孔结构使其拥有较强的吸附能力和化学稳定性[4]。水泥和调湿材料按照8 ∶15 的体积比进行混合，分别设计5 组100 mm×100 mm×100 mm 和300 mm×300 mm×30 mm的复合保温调湿砂浆试块，每组各3个，用来测定28 d 抗压强度和28 d 绝干状态下的导热系数，并进行分析。试块配合比如表1所示。

表1 砂浆试块配合比

1.3 试块制备及养护

聚丙烯纤维与木纤维混合可一定程度上提高复合材料的抗拉强度[5]。可再生乳胶粉具有提高材料内聚强度和耐磨强度等能力，因此在试块制备过程中，将聚丙烯纤维和可再生乳胶粉按规范标准掺入每组砂浆试块。制备砂浆时，为了将各调湿材料搅拌均匀并避免膨胀珍珠岩因自身强度较低而破碎，按照上述配合比，先将木质纤维、硅藻土以及海泡石手动搅拌均匀后加入膨胀珍珠岩继续搅拌至混合均匀，再与掺合物、胶凝材料水泥等一同放入搅拌机中搅拌1 min 左右，接着缓慢加入适量水拌和，搅拌完成后分层倒入模具中并充分振捣，最后用塑料薄膜覆盖放入养护箱中进行养护。

1.4 试验方法

养护28 d 后，用万能试验机测定抗压强度。将300 mm×300 mm×30 mm 试块置于105 ℃烘箱中烘干至恒重后，自然冷却至室温，利用导热系数测试仪测定砂浆试块在绝干状态下的导热系数。完成上述试验后，利用扫描电镜、ASAP24603.01 型全自动快速比表面积与孔隙度分析仪对上述试块的一部分进行微观形貌的观测以及试块内部孔结构和吸附曲线的测试。

2 试验数据与分析

2.1 抗压强度

上述5 组砂浆试块抗压强度测试结果如表2 所示。

表2 砂浆的抗压强度

调湿骨料的密度小于水泥密度，砂浆加入调湿骨料后，因为轻质调湿骨料的加入，砂浆的密度和抗压强度减小。试验过程中观测到，随着膨胀珍珠岩比例的增大砂浆表面的粗糙程度也有明显的增加，主要表现为试块表面的微小孔洞增加导致试块拆模时较为困难，内部孔结构的增多，砂浆的密度和抗压强度减小。

2.2 导热系数

上述5 组砂浆试块的导热系数测试结果如表3 所示。

表3 砂浆的导热系数

实验结果显示，试块B 和D 的导热系数均小于0.12 W/m.K，故达到了保温材料的相关要求。试验数据表明，随着硅藻土比例增大，导热系数降低，提高了砂浆的保温性能。硅藻土掺量的增加，硅藻土与水泥的水化物进行二次水化反应，使砂浆内部结构变得紧密，孔隙率下降，孔径减小，弥补了孔隙率减少带来的热工损失，因此导热系数下降[6]。试块D 和E 中膨胀珍珠岩的比例增大，但是同时加入了具有比表面大、优良的吸放湿特性的海泡石，利用其表面的分子作用能够约束其他的调湿材料，从而保证砂浆的储热功能，使其导热系数减小[7]。当硅藻土、海泡石以及膨胀珍珠岩的比例为1 ∶1 ∶5 时，砂浆的导热系数最小，此时砂浆的保温性能最好。

2.3 微观形貌

取上述成型试块的一部分用于SEM 电镜试验观测，观察砂浆内部自然状态下的结构。试块内部不同放大倍率的电镜照片如图1 所示，可以观察到试块内部在不同倍率下的微观形态。可以看出，材料内部为镂空状，内壁呈片状，图（b）为膨胀珍珠岩与周围材料的交界处，未见空鼓，结合完整。

图1 扫描电镜图

2.4 内部孔结构

由导热系数的结果可知，C 试块的导热系数最大，D 试块的导热系数最小，故通过BET法测试C、D 试块的比表面积、孔容积及平均孔径等内部孔结构进行分析，结果如表4所示。试块D 的比表面积与总的孔容积大于试块C，比表面积与总的孔容积越大可提供的吸附面积与吸附空间也越大，砂浆的吸附性能也更强[8]。

表4 比表面积、孔容积及孔径分布

根据各孔径对氮的吸附情况可以得到试块C 和D 的孔径分布情况如图2 所示，在孔径为10 ～50 nm 时，砂浆对氮的吸附量急剧增大，表明试块C、D 的中孔占总孔容积的比例均最大。另外，其中试块D 的曲线斜率更大表明其中孔含量比试块C 的多，对氮的吸附能力也更强，保温性能更好，使其导热系数相比试块C 有所下降。

图2 孔径分布图

2.5 吸附性能

图3 为试块C 和D 的等温吸附曲线，相对压力在0.8 以内时，试块C 和D 的氮吸附量基本一致。当相对压力增大时，试块D 氮吸附量的增长速度大于试块C，表明试块D 的吸附性能优于试块C，且最大吸附量也比试块C 大。砂浆的比表面积、孔容积以及孔径分布等内部孔结构作为影响砂浆吸附性能的主要因素，对比试块C、D 可知，试块D 的比表面积、孔容积以及中孔含量都比试块C 的大，因而导致其氮的最大吸附量和吸附速率比C 大，并且具有更好的吸附性能。

图3 等温吸附曲线

3 发泡保温调湿砂浆

综合上述的实验数据可知，砂浆D 综合性能相对较好，故选择D 砂浆配比，加入水泥用量0.2%、0.4%、0.6%和0.8%的发泡剂AOS，并依次编号为D—1、D—2、D—3、D—4，所有试块按照第1.3 章节和第1.4 章节的试块制备、养护和测试方法进行试验，测试其导热系数如表5 所示。选择发泡剂用量最小和最大的D—1 和D—4 测试其内部孔结构与吸附曲线分别如表6 和图4 所示。

表5 发泡保温调湿砂浆的导热系数

根据表6 可知，发泡剂的掺入使得砂浆在拌合过程中产生了大量气泡，气泡的产生使得砂浆试块比表面积、内部孔容积和平均孔径均有所增加。随着发泡剂用量的增加，试验过程中的用水量也不断减少，砂浆干密度和抗压强度大幅度下降，达到了减小砂浆自重和胶凝材料用量的目的[9]。由表6 看出，加入发泡剂后的砂浆比表面积、孔容积以及内部中孔数量增加，砂浆导热系数减小，保温性能大幅度提高。

表6 D-1 和D-4 比表面积、孔容积及孔径分布

从图4 中D—1 和D—4 的等温吸附曲线可以看出，发泡剂的掺入并没有改变砂浆吸附曲线的整体趋势，但其吸附速率和最大吸附量有了很明显的提高。当发泡剂掺入量为0.2%和0.8%时，最大吸附量比未掺发泡剂时高26%和40%，砂浆的吸附性能得到优化。

图4 等温吸附曲线

4 结语

（1）普通砂浆加入硅藻土、木质纤维以及膨胀珍珠岩等调湿材料后，其抗压强度和导热系数发生了变化。随着硅藻土掺量的增加，砂浆的导热系数减小，保温调湿性能提高。砂浆的吸附性能与其内部孔结构有着密切关系。

（2）通过上述试验结果，综合性能最优的砂浆中调湿材料配比为木质纤维∶海泡石∶硅藻土∶膨胀珍珠岩=1 ∶1 ∶1 ∶5。

（3）在保温调湿砂浆的基础上加入发泡剂后，砂浆比表面积、孔容积以及中孔数量都有明显的增加，砂浆干密度和导热系数减小，吸附性能和保温性能提高，在一定程度上减少了材料的用量，达到了节能环保与节省材料的目的。