石膏基保温砂浆的制备与性能研究

王 庆 ， 刘 猛 ， 王文卓 ， 汪昭鹏 ， 刘 勇

（1.武汉源锦建材科技有限公司， 湖北 武汉430080；2.武汉三源特种建材有限责任公司， 湖北 武汉430080）

0 前言

随着经济建设的快速发展， 建筑行业突飞猛进， 大量新建建筑物拔地而起。 据统计， 我国每年建筑能耗约占全国总能耗的1／4、 是一些发达国家的3～5 倍。 随着建筑能耗的持续增加， 国内能源紧缺形式日益严峻。 为此， 国家从政策上开始行动， 颁布了很多建筑节能规范， 出台了一系列建筑物能源消耗标准。 各省份也积极响应， 其中河北、 山东、 江苏等省份已经全面实施建筑节能75%标准。 在我国建筑领域， 建筑行业的能源消耗主要是因建筑物的保温隔热效果差， 从而导致的大量能源损耗。 因此， 加强建筑领域新型节能环保材料的研发和推广， 尤其是推广应用导热系数较低的保温节能墙体材料， 对增强能源使用率、改善生态环境、 减少资源的过度使用与浪费、 使建筑领域走向可持续发展的道路， 具有重要的现实意义［1］。 随着国家对新型建筑节能保温材料开发应用的鼓励与支持， 保温砂浆已在我国黔、 苏、浙等区逐渐得到应用。 相较于传统的水泥基保温砂浆， 石膏基保温砂浆具有更优异的保温和轻质性能， 如能得到广泛应用， 将对我国建筑节能改革起到巨大推动作用； 而且石膏基保温砂浆在生产过程中的能源消耗量和碳排放量也远远低于同类其他砂浆制品， 符合我国建材行业高质量发展、推进碳达峰与碳中和战略目标要求； 此外， 石膏基保温砂浆可采用工业副产石膏作为主要原料，这对推动我国固废综合利用、 循环经济发展也具有重大意义。

1 原材料及试验方法

1.1 试验用原材料

（1） 脱硫建筑石膏

安徽龙派建材脱硫建筑石膏， 其相组分及物理性能详见表1。

表1 脱硫石膏相组分及物理性能Table 1 Desulfurized gypsum phase composition and physical properties

（2） 矿粉

S95 矿粉是采用武汉宝钢矿渣经实验室统一小磨粉磨制得， 比表面积426 m2／kg， 7 d 活性指数81%。

（3） 水泥

采用湖北亚东P·O 42.5 水泥和湖州SAC 42.5水泥。

（4） 玻化微珠

江苏新材玻化微珠， 粒径50 目～70 目， 松散容重117 kg／m3， 体积漂浮率80%， 筒压强度320 kPa，导热系数0.047 W／ （m·K）。

（5） 功能组分

功能组分主要由保水剂、 增稠剂、 引气剂和缓凝剂， 其中缓凝剂取自上海英杉建材， 保水剂和增稠剂取自江苏兆佳建材， 引气剂取自南京棋成。

1.2 试验方法

根据设计配方将精确称量的功能组分与建筑石膏粉预混， 再与称量好的玻化微珠用V 型混料机混合30 min， 取出后加水搅拌， 进行湿浆性能测试， 并成型强度试块和导热系数测试用保温板。 脱模后， 试件养护至第7 d， 然后在（40±2） ℃电热鼓风干燥箱中干燥至恒重。 石膏基保温砂浆的标稠用水量、 凝结时间、 体积密度参照GB／T 28627-2012 《抹灰石膏》 进行，抗折强度、 抗压强度参照GB／T 5486-2008 《无机硬质绝热制品试验方法》 进行、 导热系数参照GB／T 10294-2008 《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》 进行。

2 试验结果及讨论

2.1 不同胶凝材料对石膏基保温砂浆凝结时间和强度的影响

玻化微珠内掺30%保持不变， 用矿粉、 普通硅酸盐水泥（以下简称普硅水泥）、 硫铝酸盐水泥（以下简称硫铝水泥） 分别按5%、 10%、 15%、20%等质量取代石膏粉， 结果如图1 所示。 从图中可以看出， 随取代量的增加， 掺入普硅水泥时，石膏基保温砂浆的凝结时间平均缩短了11 min，抗压强度整体提高了57%； 掺入硫铝水泥时， 凝结时间平均缩短了8 min， 抗压强度整体提高了50%； 掺入矿粉时， 凝结时间平均延长了10 min，抗压强度整体降低了40%。 取代量20%时， 掺硫铝水泥的砂浆强度最大， 是掺普硅水泥的1.2 倍，掺矿粉的3.7 倍， 凝结时间适中， 比掺普硅水泥的长20 min， 比掺矿粉的短51 min。 这主要是因为胶凝材料矿物组成不同， 水化速率和水化产物不同导致。 研究表明： 建筑石膏水化成板状二水硫酸钙， 水泥中的铝酸三钙在饱和的石膏浆体中水化生成针状水化硫铝酸钙-钙矾石， 同时水泥中的硅酸二钙和硅酸三钙水化生成C-S-H 凝胶， 针状的钙矾石晶体和板状的二水硫酸钙晶体相互搭接，C-S-H 凝胶填充在晶体结构中， 形成较为密实的结构［2］， 从而提高了保温砂浆的力学性能。 矿粉主要以硅酸盐与硅铝酸盐的熔融物为主， 水化反应慢， 所以掺矿粉时， 石膏基保温砂浆的强度降低、 凝结时间变长。 而且用脱硫建筑石膏粉制备保温砂浆强度本身较低， 再掺入保温骨料玻化微珠和发泡剂， 其力学性能会显著降低［3］。 为了提高石膏基保温砂浆的力学强度， 在砂浆中掺入硫铝水泥和普硅水泥， 均可以提高力学性能。 当硫铝水泥掺20%时， 保温砂浆的强度可达1.1 MPa，因此石膏基保温砂浆中掺入硫铝水泥， 其力学性能更优。

图1 不同胶凝材料对砂浆凝结时间和强度的影响Fig.1 Effects of different cementitious materials on setting time and strength of mortar

2.2 玻化微珠掺量对石膏基保温砂浆性能的影响

建筑石膏粉掺80%、 硫铝水泥掺20%， 并保持胶凝材料总量100%不变， 玻化微珠与胶凝材料的质 量 比 按1 ∶ 10、 2 ∶ 10、 3 ∶ 10、 4 ∶ 10、5 ∶10、6 ∶10、 7 ∶10、 8 ∶10、 9 ∶10、 10 ∶10 进行外掺， 其保温砂浆性能如表2 所示。 从表中可知， 当玻化微珠和胶凝材料质量比≤2 ∶10 时， 保温砂浆状态太黏， 和易性差， 主要是因为胶凝材料对保温骨料包裹严重， 砂浆不具有良好的施工性； 当质量比≥7 ∶10 时， 保温砂浆黏聚性差， 较分散， 这是因为胶凝材料对骨料包裹不均匀不充分， 也不具有良好的施工性； 当质量比在4 ∶10 ～6 ∶10 范围内时， 保温砂浆的和易性好， 易批刮，可施工性强， 而且抗压强度≥0.7 MPa， 导热系数≤0.10 W／ （m·K）， 均满足GB／T 28627-2012中的指标要求， 综合考虑各项指标， 当质量比为5 ∶10时， 砂浆综合性能最优。 另外， 随着玻化微珠掺量的增加， 石膏基保温砂浆的用水量急剧增加， 增至2.7 倍后不再增大； 湿密度则呈先减小后增大的趋势。 由于轻质保温骨料玻化微珠的掺入，石膏基保温砂浆的强度、 体积密度、 导热系数等性能也都随之减小。 据相关文献记载， 在封闭状态下， 空气的导热系数为0.023 W／ （m·k）， 因此在石膏基保温砂浆中掺入多孔结构且表面玻化封闭的玻化微珠， 砂浆孔隙率会随之增大， 从而提高了砂浆的保温性能。 也因玻化微珠掺量的增加， 减少了砂浆中胶凝材料的比例， 从而砂浆的强度也明显降低。

表2 玻化微珠不同掺量对石膏基保温砂浆性能的影响Table 2 Effects of different contents of vitrified microbeads on properties of gypsum-based thermal insulation mortar

2.3 纤维素醚掺量对石膏基保温砂浆性能的影响

选择玻化微珠与胶凝材料质量比5 ∶10 的配方， 研究10 万Pa·s 纤维素醚不同掺量对石膏基保温砂浆性能的影响， 结果如表3 所示。 随着纤维素醚掺量的增加， 保温砂浆的保水率由61%增至91%， 体积密度降低了37%， 抗压强度降低了64%。 主要是因为纤维素醚在石膏基保温砂浆中除用作增稠保水剂外， 还可以在料浆制备过程中引入了大量微密气泡， 气泡在浆体硬化后形成孔洞，提高了保温砂浆的孔隙率， 同时也使硬化后的保温砂浆结构疏松［4］， 从而提高了砂浆的保温性能。但因气孔增多， 孔隙率增大， 导致强度降低。 因此， 纤维素醚应在保证保温砂浆保水率的前提下，尽量控制其的掺量， 适宜掺量为0.20%。

表3 纤维素醚不同掺量对石膏基保温砂浆性能的影响Table 3 Effects of different contents of cellulose ether on properties of gypsum-based thermal insulation mortar

2.4 引气剂对石膏基保温砂浆性能的影响

为了更进一步降低石膏基保温砂浆的体积密度， 研究了引气剂种类及掺量对石膏基保温砂浆性能的影响。 从图2 中可以看出， 相同掺量时，OSB、 AOS、 三萜皂苷对石膏基保温砂浆性能的影响不同。 掺入OSB 的石膏基保温砂浆在保证强度满足指标要求的前提下， 可以获得更低的体积密度， 即保温性能也更好。 从图3 中可以看出， 随OSB 掺量的增加， 保温砂浆30 min 的湿密度损失增大， 抗压强度减小。 主要是因为引气剂在砂浆搅拌时， 能显著降低水的表面张力和界面能， 使浆体在搅拌的过程中产生大量的微小气泡， 从而降低了石膏基保温砂浆的湿密度， 提高了施工性能和出浆量。 封闭在浆体中的气孔也使保温砂浆的保温隔热性能更优， 但同时也降低了强度。 当OSB 掺量超过0.005%时， 由于HPMC 和OSB 的双重引气作用， 石膏基保温砂浆中的气泡增大，30 min后无法保持稳定而破裂， 从而导致保温砂浆的30 min 湿密度损失变大， 施工性能降低。 因此综合考虑力学性能和保温性能， OSB 最佳掺量为0.005%。

图2 不同引气剂对保温砂浆性能的影响Fig.2 Effects of different air-entraining agents on the properties of thermal insulation mortar

图3 OSB 不同掺量对保温砂浆性能的影响Fig.3 Effects of different dosages of OSB on the properties of thermal insulation mortar

3 结论

（1） 在石膏基保温砂浆中， 掺入普硅水泥、硫铝水泥对脱硫建筑石膏制品具有增强改性的效果， 掺入硫铝水泥的增强效果优于普硅水泥的。当硫铝水泥掺量为20%时， 石膏基保温砂浆的强度可达1.1 MPa。

（2） 玻化微珠是表面玻化封闭的多孔结构，随着玻化微珠掺量的增加， 石膏基保温砂浆的孔隙率增大， 体积密度减小， 从而提高了石膏基保温砂浆的保温隔热性能。 但因玻化微珠掺量的增加， 减少了砂浆中胶凝材料的比例， 从而降低了砂浆的强度。 当玻化微珠与胶凝材料的质量比为5 ∶10时， 石膏基保温砂浆的和易性好、 批刮性好， 其抗压强度1.0 MPa、 体积密度370 kg／m3、 导热系数0.08 W／ （m·K）， 均满足GB／T 28627-2012中的指标要求。

（3） 纤维素醚在石膏基保温砂浆中主要用作增稠保水剂。 随着纤维素醚掺量的增加， 浆体的黏性增大， 搅拌时引入的大量气体难以排出， 从而降低了石膏基保温砂浆的体积密度和抗压强度，提高了保温性能。 当纤维素醚掺0.2%时， 石膏基保温砂浆具有良好的保水性能和力学性能。

（4） 在建筑石膏和硫铝水泥组成的胶凝体系中， OSB 的引气效果优于AOS 和三萜皂苷。 当OSB 掺入0.005%时， 既可以保证浆体30 min 湿密度损失量满足施工要求， 又不会因引气过量而导致强度过低。