齊 華（北京中瑞博祥建筑工程有限公司，北京 102300）

在全球變暖和能源危機(jī)的背景下，開發(fā)高性能、低成本的保溫砂漿具有重要價值。目前，開發(fā)新型保溫砂漿的主要思路是利用外加劑來提高砂漿的性能。研究人員引入纖維、發(fā)泡劑、穩(wěn)定劑等新型外加劑，提高保溫砂漿的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，并取得了優(yōu)異的效果[1]。

目前，發(fā)泡劑是水泥基材料中常用的外加劑，眾多學(xué)者將獨(dú)立的孔隙結(jié)構(gòu)引入水泥基材料中，通過添加發(fā)泡劑來降低砂漿的干密度和導(dǎo)熱系數(shù)，然而，現(xiàn)有的保溫砂漿效果仍存在局限性[2]。許多學(xué)者在選擇外加劑時沒有考慮保溫砂漿的耐火性，而是引入了各種有機(jī)材料，如植物纖維、聚丙烯纖維、聚苯乙烯顆粒等。此外，由于建筑火災(zāi)事故的頻繁發(fā)生，建筑物的耐火性能也越來越嚴(yán)格，但絕大多數(shù)研制外墻真石漆保溫砂漿的學(xué)者都沒有測試過保溫砂漿的耐火性。由于有機(jī)保溫材料作為外保溫層不耐熱、不阻燃，對建筑物的火災(zāi)隱患不容忽視，且有機(jī)材料燃燒后產(chǎn)生的煙霧和有毒氣體對環(huán)境存在一定污染[3-5]。

但目前較少有學(xué)者利用納米二氧化鈦和輕質(zhì)空心聚合物微球（LHPM）對保溫涂料砂漿進(jìn)行改性。輕質(zhì)空心聚合物微球的生產(chǎn)工藝決定了在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生廢水、廢氣和固體廢棄物，是一種無公害綠色高性能材料?；诖?，本文提出利用納米二氧化鈦和輕質(zhì)空心聚合物微球（LHPM）對保溫涂料砂漿進(jìn)行改性，以提高砂漿與外墻真石漆保溫涂料的相容性。

1 材料制備

1.1 試驗(yàn)材料

輕質(zhì)空心聚合物微球直徑范圍為33nm～35nm，密度為25kg/m3，購自阿克佐諾貝爾。納米二氧化鈦（15nm～20nm，純度大于90%，二氧化鈦密度為1.2g/cm3），購自甘肅美地林納米材料開發(fā)有限公司。

1.2 樣品制備

外墻真石漆保溫涂料基準(zhǔn)配比為水泥：骨料：水：可再分散乳化粉：粉煤灰：輝綠巖粉：AOS發(fā)泡劑：明膠=1:1.67:2:0.045:0.15:0.225:0.035:0.02。在改性試驗(yàn)中，輕質(zhì)空心聚合物微球摻量不變，設(shè)定為10.5kg/m3。納米二氧化鈦摻入輕質(zhì)空心聚合物微球的摻入量（質(zhì)量占比）依次設(shè)定為0.50%、1.00%、1.50%、2.00%、2.50%。規(guī)定單試驗(yàn)組摻入的外加劑質(zhì)量為：設(shè)定外加劑（以百分比表示）×單試驗(yàn)組水泥、礦粉、粉煤灰（主要水化膠結(jié)材料）的總質(zhì)量，以不含納米二氧化鈦的試驗(yàn)組為參照組（即當(dāng)納米二氧化鈦摻合量為0時）。此外，以外墻真石漆保溫砂漿試塊的養(yǎng)護(hù)天數(shù)為試驗(yàn)變量，砂漿試塊的養(yǎng)護(hù)次數(shù)分別為3d、7d、14d、21d、28d。將原料按設(shè)定的比例混合到攪拌桶中，混合后保溫砂漿會變成粘稠的糊狀物。保溫砂漿試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的條件一般包括兩個關(guān)鍵方面：試件應(yīng)保持在20°C±2°C的溫度，試件應(yīng)保持在95%以上的相對濕度，以防止試件失去水分。

在砂漿攪拌過程中，有額外的輕質(zhì)空心聚合物微球和納米二氧化鈦粘附在風(fēng)機(jī)葉片上。用刮刀清洗后，攪拌機(jī)的扇葉上仍有少量聚合物微球粘附，可以反映出砂漿與納米二氧化鈦混合后粘結(jié)性能明顯提高，但在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)泡沫消泡速度明顯加快；當(dāng)漿料靜止時不添加納米二氧化鈦，完全消泡大約需要15min～20min，添加納米二氧化鈦后，完全消泡時間減少到7min～9min。

1.3 測試設(shè)備

本文涉及的主要試驗(yàn)設(shè)備或裝置如下：UJZ-15 立式15L全自動水泥攪拌試驗(yàn)機(jī)；SHT4305微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)；西安夏曦電子科技有限公司生產(chǎn)的TC3000E-導(dǎo)熱系數(shù)儀；長沙遠(yuǎn)東電爐有限公司生產(chǎn)的RX3-459大型箱式高溫煅燒爐。

本文以規(guī)范《建筑保溫砂漿》（GB/T 20473-2021）作為評價保溫砂漿性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。所有試驗(yàn)均進(jìn)行三次試驗(yàn)，三次數(shù)據(jù)取平均值，保溫砂漿的試驗(yàn)方法如下：

（1）導(dǎo)熱系數(shù)：參照《建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率的測定：瞬態(tài)平面熱源法》（GB/T 32064-2015），在105°C±5°C的烘箱中干燥至恒重后測量試塊的導(dǎo)熱系數(shù)。

（2）抗壓強(qiáng)度：按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》（JGJ 70-2009）中的相關(guān)步驟進(jìn)行，其中抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)需將試件制成尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm 的立方體塊。

（3）耐火試驗(yàn)：參照通用規(guī)范《建筑材料不燃性試驗(yàn)方法》（GB/T 5464-1999）推薦的高溫爐加熱模擬火災(zāi)燃燒條件的方法。樣品采用可控箱式電阻爐進(jìn)行高溫煅燒，每個配比設(shè)一個固化組，每個固化組設(shè)六個試塊。爐內(nèi)溫度參照ISO-834 的要求（2h 內(nèi)達(dá)到1010℃），由于設(shè)備預(yù)熱到1010℃需要約1h，因此每組高溫試驗(yàn)的時長定為3h。煅燒前，測量試樣的質(zhì)量mO和抗壓強(qiáng)度fO。燃燒試驗(yàn)3h后，測試試樣的殘余強(qiáng)度fS和mS。將高溫后的燒失率R和相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度作為耐火性指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 保溫砂漿干密度及導(dǎo)熱性能變化

為了研究納米二氧化鈦對改善外墻真石漆保溫涂料砂漿導(dǎo)熱性和力學(xué)性能的影響，進(jìn)行雙因素試驗(yàn)（包括固化時間和納米二氧化鈦外加劑用量）。砂漿的干密度不受固化時間的影響，因此不考慮固化時間因素。每組保溫砂漿試樣的干密度、導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 砂漿干密度的變化

表2 砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的變化/W/m·K

表1 為保溫砂漿試樣的干密度變化。砂漿干密度與納米二氧化鈦含量之間呈非線性增長趨勢。當(dāng)納米二氧化鈦含量從0%增加到2.5%時，砂漿干密度從319.2kg/m3增加到331.3kg/m3，干密度增加約3.8%，這表明納米二氧化鈦的加入會在一定程度上增加砂漿的干密度。造成這種現(xiàn)象的原因是在制備樣品的過程中，漿料中的封閉孔隙結(jié)構(gòu)形成之前會有額外的氣泡破裂，而干密度會隨著封閉孔隙結(jié)構(gòu)的減少而增加。微量的納米二氧化鈦可以支撐氣泡并使其附著或粘結(jié)，但在砂漿攪拌或其他過程中容易導(dǎo)致氣泡提前破裂，這也是試驗(yàn)樣品制備階段完全消泡時間大大提前的原因。此外，納米二氧化鈦和輕質(zhì)空心聚合物微球材料本身密度極高，約為2600kg/m3，會進(jìn)一步增加砂漿的平均密度。

表2 為砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的變化。導(dǎo)熱系數(shù)隨納米二氧化鈦摻量的增加而變化不大，且導(dǎo)熱系數(shù)與砂漿的固化時間總體呈正相關(guān)。各組砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)隨納米二氧化鈦摻量的增加呈先增大后減小的趨勢。由于納米二氧化鈦具有彈性模量高、抗拉強(qiáng)度大、分散性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，納米二氧化鈦摻量在0～1.5%范圍內(nèi)可提高砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)。與水泥基砂漿材料結(jié)合后，二氧化鈦在漿體中呈無序方向均勻分布，并膠結(jié)成網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，可有效提高砂漿的抗裂性、導(dǎo)熱性能。當(dāng)納米二氧化鈦摻量為1.5%時，28d 砂漿導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.0533W/m·K，比不摻納米二氧化鈦的28d砂漿導(dǎo)熱系數(shù)高出1.72%。當(dāng)納米二氧化鈦摻量超過臨界值1.5%時，各養(yǎng)護(hù)組砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)明顯降低，此時納米二氧化鈦對導(dǎo)熱系數(shù)表現(xiàn)出負(fù)作用，過量的納米二氧化鈦與輕質(zhì)空心聚合物微球會產(chǎn)生交錯團(tuán)聚現(xiàn)象，擴(kuò)大骨料之間的孔隙，不利于砂漿內(nèi)部空間骨架的形成。

2.2 耐火測試及抗壓強(qiáng)度

為了更準(zhǔn)確地探討不同納米二氧化鈦摻合料耐火性能的變化，3d和7d試樣在耐火試驗(yàn)過程中不考慮砂漿固化時間，分別進(jìn)行14d、21d 和28d 試驗(yàn)。圖1和圖2分別為高溫煅燒后砂漿的燒失率和相對抗壓強(qiáng)度。

圖1 高溫下試塊質(zhì)量損失率

圖2 砂漿在高溫條件下的相對抗壓強(qiáng)度

在煅燒過程中，試塊內(nèi)部發(fā)生了復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，游離水全部蒸發(fā)，結(jié)合水逐漸散失，導(dǎo)致其質(zhì)量損失。當(dāng)納米二氧化鈦摻量從0增加到2.5%時，21d和28d 固化組的砂漿燃燒損失率均有所下降，其中21d固化組的砂漿燃燒損失率下降了約13.55%，28d固化組的砂漿質(zhì)量損失率下降了約12.25%。隨著納米二氧化鈦摻量的增加，高溫后的質(zhì)量損失率降低，這是因?yàn)榧{米二氧化鈦具有良好的固結(jié)和增強(qiáng)作用，而且納米二氧化鈦本身具有優(yōu)異的耐高溫性能，砂漿中摻入納米二氧化鈦后，膠結(jié)材料和納米二氧化鈦共同形成的內(nèi)聚力可顯著減少因摻入納米二氧化鈦而引起的開裂、剝落甚至爆炸性分離。14d養(yǎng)護(hù)組的砂漿質(zhì)量損失率在添加納米二氧化鈦后基本保持在10%以上，原因是養(yǎng)護(hù)時間不夠長，砂漿內(nèi)部的水化產(chǎn)物反應(yīng)還不徹底，納米二氧化鈦和膠結(jié)固定的效果還沒有充分體現(xiàn)出來。各組砂漿的固化時間從14d增加到28d，與質(zhì)量損失率的下降趨勢相對應(yīng)，但21d和28d組砂漿固化時間的數(shù)據(jù)差異較小。

納米二氧化鈦具有優(yōu)異的耐火性和耐高溫性，能充分發(fā)揮膠凝材料中的高拉伸模量和拉伸強(qiáng)度。根據(jù)相對抗壓強(qiáng)度的變化，納米二氧化鈦對保溫砂漿的殘余強(qiáng)度有積極影響，當(dāng)納米二氧化鈦摻量為0～2.5%時，各養(yǎng)護(hù)組砂漿在14d、21d和28d時的相對抗壓強(qiáng)度分別提高10.56%、11.75%和10.29%，納米二氧化鈦摻量大于1.5%后，提高速度減慢。摻納米二氧化鈦砂漿高溫煅燒后水泥基材料殘余強(qiáng)度的提高，主要由于均勻分布的納米二氧化鈦與水泥基砂漿材料相容的無序組合所形成的空間體系，對外墻真石漆起到了 “支撐” 作用，而微裂縫之間的納米二氧化鈦則起到了 “橋梁” 作用，提高了整個試樣的整體性和內(nèi)聚力，從而減少了煅燒過程中裂縫的產(chǎn)生。砂漿基體與納米二氧化鈦之間的界面吸附附著力可使砂漿內(nèi)部膠結(jié)成網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，這也有助于提高殘余抗壓強(qiáng)度。所有固化組砂漿的相對抗壓強(qiáng)度都隨著固化天數(shù)的增加而增加，這表明水泥水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行對膠結(jié)砂漿的耐火性能有積極影響。

3 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)納米二氧化鈦含量從0%增加到2.5%時，砂漿干密度從319.2kg/m3增加到331.3kg/m3，干密度增加約3.8%。納米二氧化鈦具有優(yōu)異的耐火性和耐高溫性，能充分發(fā)揮膠凝材料中的高拉伸模量和拉伸強(qiáng)度。當(dāng)納米二氧化鈦摻量為0～2.5%時，各養(yǎng)護(hù)組砂漿在14d、21d 和28d 時的相對抗壓強(qiáng)度分別提高10.56%、11.75%和10.29%，納米二氧化鈦摻量大于1.5%后，提高速度減慢。