不同憎水劑及骨粉比無(wú)機(jī)保溫砂漿的耐凍融性能研究

湯立杰

[上海市建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200032]

0 前言

近年來(lái)，高層及超高層建筑急劇增多，建筑高度不斷攀升，體量跨度越來(lái)越大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有高層民用建筑36余萬(wàn)棟，呈現(xiàn)“數(shù)量多、體量大、情況復(fù)雜、隱患存量大、整改難度高”等特點(diǎn)。為吸取上海膠州路教師公寓和沈陽(yáng)皇朝萬(wàn)鑫大廈大火教訓(xùn)，公安部消防局下發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步明確民用建筑外保溫材料消防監(jiān)督管理有關(guān)要求的通知》（公消[2011]65號(hào)），對(duì)建筑外墻保溫材料使用及管理提出了應(yīng)急性要求，規(guī)定建筑外墻保溫必須使用防火級(jí)別達(dá)到A級(jí)的材料。通知發(fā)布后各省市尤其上海一度在外墻大量推廣使用無(wú)機(jī)保溫砂漿系統(tǒng)，例如上海市有80%以上采用了無(wú)機(jī)保溫砂漿外墻保溫系統(tǒng)，2017年經(jīng)不完全統(tǒng)計(jì)仍有60%以上的新建建筑采用無(wú)機(jī)保溫砂漿外保溫系統(tǒng)。事實(shí)上該系統(tǒng)仍存在不少爭(zhēng)議，而近年來(lái)關(guān)于無(wú)機(jī)保溫砂漿系統(tǒng)的脫落事故也頻頻見(jiàn)諸報(bào)道，系統(tǒng)耐久性劣化機(jī)理及相關(guān)修復(fù)技術(shù)仍然欠缺。

鑒于無(wú)機(jī)保溫砂漿系統(tǒng)應(yīng)用廣泛以及大量既有無(wú)機(jī)保溫砂漿外保溫系統(tǒng)面臨修復(fù)的現(xiàn)狀，研究無(wú)機(jī)保溫砂漿的劣化機(jī)理、耐久性影響因素及提升技術(shù)非常重要。目前關(guān)于無(wú)機(jī)保溫砂漿的配方研制方面的研究較多[1-4]，但是耐久性相關(guān)的研究較少。張俊琦[5]研究了硫酸鹽侵蝕下?；⒅楸厣皾{的耐久性，通過(guò)在室內(nèi)模擬硫酸鹽浸泡試驗(yàn)，揭示時(shí)間、溶液濃度對(duì)砂漿性能的影響規(guī)律，分析硫酸鹽侵蝕環(huán)境下砂漿的強(qiáng)度及耐久性。喬穩(wěn)超[6]對(duì)?；⒅楸厣皾{抗凍耐久性進(jìn)行試驗(yàn)研究，揭示了凍融次數(shù)對(duì)保溫砂漿耐久性的影響規(guī)律。呂丹丹[7]研究了碳化作用下?；⒅楸厣皾{耐久性能，結(jié)果表明，在合理的碳化齡期范圍內(nèi)，碳化時(shí)間越長(zhǎng)，抗凍能力越強(qiáng)。施廣鑫[8]研究了在熱雨循環(huán)、凍融循環(huán)條件下玻化微珠保溫砂漿的抗凍性，結(jié)果表明，通過(guò)憎水處理的?；⒅楸厣皾{的強(qiáng)度和質(zhì)量損失相比普通保溫砂漿有一定的降低，但效果不是特別明顯。以上研究關(guān)注了耐腐蝕、碳化以及凍融次數(shù)等對(duì)無(wú)機(jī)保溫砂漿的影響規(guī)律，但是對(duì)無(wú)機(jī)保溫砂漿耐凍融的影響因素及提升技術(shù)缺乏深入研究。本文從宏觀、微觀角度研究在凍融條件下不同憎水劑及骨粉比的無(wú)機(jī)保溫砂漿的性能變化規(guī)律，并深入分析其耐凍融的影響因素和提升技術(shù)。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

水泥：P·O42.5，上海萬(wàn)安，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1；可溶性聚合物膠粉：聚乙烯醇（PVA）粉末，型號(hào)2488，由上海尚南貿(mào)易有限公司提供；纖維素醚：黏度為200 Pa·s，上?；輳V生產(chǎn)；引氣劑：上海市建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)；憎水劑1：SEAL80，ELOTEX有機(jī)硅憎水劑；憎水劑2：P-2S，上海舜水化工。?；⒅椋汉幽闲抨?yáng)市昌達(dá)珍珠巖開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

表2 玻化微珠的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度、吸水率參照DG/TJ 08-2088—2011《無(wú)機(jī)保溫砂漿應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試；抗凍性試驗(yàn)參照GB/T 20473—2006《建筑保溫砂漿》進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)配合比

一般認(rèn)為，無(wú)機(jī)保溫砂漿作為多孔輕質(zhì)結(jié)構(gòu)其吸水率大，尤其冬季環(huán)境下保溫及力學(xué)性能由于凍融影響會(huì)不斷劣化，導(dǎo)致該系統(tǒng)保溫性能下降、粘結(jié)強(qiáng)度穩(wěn)定性變低，盡管采取一定的防護(hù)措施，也難以從根本上解決這一問(wèn)題[9]。為比較不同骨粉比及不同吸水率下的耐凍融效果，解析凍融機(jī)理及影響無(wú)機(jī)保溫砂漿耐凍融的因素，設(shè)計(jì)配方如下：1#～4#配方設(shè)計(jì)為低密度低導(dǎo)熱系數(shù)的無(wú)機(jī)保溫砂漿，骨粉比為8∶1（8 L骨料比1 kg粉料），有機(jī)硅憎水劑1摻量分別為1%、2%，憎水劑2摻量為2%。5#、6#配方設(shè)計(jì)為高密度的無(wú)機(jī)保溫砂漿，骨粉比為5∶1（5 L骨料比1kg粉料）。無(wú)機(jī)保溫砂漿的配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 無(wú)機(jī)保溫砂漿的試驗(yàn)配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同憎水劑及骨粉比對(duì)無(wú)機(jī)保溫砂漿耐凍融抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖1）

圖1 不同憎水劑及骨粉比對(duì)無(wú)機(jī)保溫砂漿凍融前后抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1可知，1#～6#無(wú)機(jī)保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度均在凍融后都有所降低。相同骨粉比條件下，隨著憎水劑1摻量的增加，抗壓強(qiáng)度先提高后降低。原因在于有機(jī)硅憎水劑1的表層經(jīng)過(guò)了親水處理，其保護(hù)膠體外殼在加水?dāng)嚢韬笱杆偃芙庥谒⑨尫懦霭墓柰槭蛊湓俜稚⒌桨韬退?，在水泥水化后的高堿性環(huán)境下硅烷中親水的有機(jī)官能團(tuán)水解形成高反應(yīng)活性的硅烷醇基團(tuán)，之后繼續(xù)同水泥水化產(chǎn)物中的羥基進(jìn)行不可逆反應(yīng)形成化學(xué)結(jié)合，從而使通過(guò)交聯(lián)作用連接在一起的硅烷牢固地固定在水泥砂漿孔壁表面。憎水劑1在一定摻量下減少了用水量，提高了無(wú)機(jī)保溫砂漿的密實(shí)度。但其摻量過(guò)高時(shí)，疏水作用不斷加大，導(dǎo)致無(wú)機(jī)保溫砂漿的水化受到抑制，影響了抗壓強(qiáng)度。4#無(wú)機(jī)保溫砂漿采用憎水劑2，該憎水劑是一種硅烷粉末，在其摻量為2%時(shí)抗壓強(qiáng)度大幅下降，原因在于強(qiáng)疏水作用阻礙了水泥與水的接觸，進(jìn)而導(dǎo)致水化不充分引起強(qiáng)度降低。5#、6#砂漿降低了骨粉比，凍融前后的抗壓強(qiáng)度較1#～4#高骨粉比砂漿的有了大幅提高。

2.2 不同憎水劑及骨粉比對(duì)無(wú)機(jī)保溫砂漿吸水率的影響（見(jiàn)圖2）

圖2 不同憎水劑及骨粉比對(duì)無(wú)機(jī)保溫砂漿吸水率的影響

由圖2可知；

（1）在骨粉比為8∶1條件下，未摻憎水劑的1#無(wú)機(jī)保溫砂漿的1 h吸水率即達(dá)160%，且1 h內(nèi)的吸水率已經(jīng)飽和。憎水劑1摻量為1%、2%的2#和3#無(wú)機(jī)保溫砂漿吸水率接近，都較1#砂漿吸水率降低約40%。說(shuō)明憎水劑1在摻量超過(guò)1%后并無(wú)明顯的疏水作用，結(jié)合圖1可知，提高憎水劑1摻量后強(qiáng)度明顯降低。憎水劑2摻量為2%的4#無(wú)機(jī)保溫砂漿吸水率大幅降低至低于10%，疏水作用非常明顯。

（2）在骨粉比為5∶1條件下，未摻憎水劑的5#無(wú)機(jī)保溫砂漿吸水率則較1#砂漿降低60%左右，且1 h時(shí)吸水已經(jīng)接近飽和；與骨粉比為8∶1類似，采用2%的憎水劑1并未降低其1 h吸水率。

2.3 無(wú)機(jī)保溫砂漿耐凍融影響因素研究

圖3為1#～4#無(wú)機(jī)保溫砂漿吸水量的變化。

圖3 不同無(wú)機(jī)保溫砂漿的吸水量

由圖3可見(jiàn)，在骨粉比為8∶1條件下，隨憎水劑種類和摻量變化，1#～4#無(wú)機(jī)保溫砂漿的吸水量不斷降低，1 h吸水量分別為 300、250、220、120 g。

由圖1計(jì)算可得1#～4#無(wú)機(jī)保溫砂漿凍融后的抗壓強(qiáng)度損失率，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 1#～4#無(wú)機(jī)保溫砂漿凍融后的抗壓強(qiáng)度損失率

結(jié)合圖4和圖2可知，凍融后抗壓強(qiáng)度損失率隨吸水率降低呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。分析原因可知，無(wú)機(jī)保溫砂漿吸水率的降低原因有2點(diǎn)，一是憎水劑的摻入，二是密實(shí)度的提高。前者對(duì)無(wú)機(jī)保溫砂漿的吸水率的降低有限且受摻量限制，隨著憎水劑摻量的增大，疏水作用帶來(lái)的水化障礙導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低的副作用明顯；而后者減少孔隙含量提高砂漿本體吸水率，但受保溫性能限制提高有限。一定限度下，無(wú)機(jī)保溫砂漿在處于凍融環(huán)境時(shí)，吸水率降低使得水分結(jié)冰對(duì)孔壁等內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的膨脹壓力減小，對(duì)抗壓強(qiáng)度凍融損失率有正面效果。若憎水劑摻量過(guò)高時(shí)，即使無(wú)機(jī)保溫砂漿的吸水率降低，但是由于抗壓強(qiáng)度大幅下降的副作用明顯，使得無(wú)機(jī)保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度無(wú)法抵抗在反復(fù)凍融疲勞作用下的內(nèi)部膨脹壓力，仍然會(huì)產(chǎn)生較高的凍融損失率。

綜上所述，無(wú)機(jī)保溫砂漿的耐凍融性主要受初始強(qiáng)度與吸水率的影響。初始強(qiáng)度越高、無(wú)機(jī)保溫砂漿越密實(shí)，吸水率越低，抵抗凍融壓力的能力越大。通過(guò)摻入憎水劑降低吸水率的方式提高其耐凍融性效果有限，耐凍性能隨吸水率降低呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)，因此需要嚴(yán)格控制憎水劑的摻量。

2.4 無(wú)機(jī)保溫砂漿凍融前后微觀形貌變化

選取1#、3#、4#、6#無(wú)機(jī)保溫砂漿，對(duì)凍融前樣品的微觀形貌進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可見(jiàn)，1#無(wú)機(jī)保溫砂漿在放大1000倍時(shí)表面明顯看到有大量塊狀晶體，坑洞較多表面未形成連續(xù)整體。3#無(wú)機(jī)保溫砂漿在摻2%憎水劑1后表面形貌與1#相比變化明顯，針狀晶體增多塊狀晶體減少，表面空隙多且疏松。4#無(wú)機(jī)保溫砂漿摻加2%憎水劑2，放大1000倍的形貌與3#無(wú)機(jī)保溫砂漿類似。6#無(wú)機(jī)保溫砂漿放大1000倍時(shí)的塊狀晶體較其它配方數(shù)量明顯增多,尺寸明顯增大，表面比較連續(xù)。在放大2000倍時(shí)，4#無(wú)機(jī)保溫砂漿表面看起來(lái)更為疏松且不連續(xù)，而6#無(wú)機(jī)保溫砂漿則更為密實(shí)，這與其未凍融強(qiáng)度相互驗(yàn)證，骨粉比減小后強(qiáng)度提高。

圖5 凍融前無(wú)機(jī)保溫砂漿的微觀形貌

圖6為凍融前后1#、4#、6#無(wú)機(jī)保溫砂漿的微觀形貌對(duì)比。

圖6 凍融前后無(wú)機(jī)保溫砂漿的微觀形貌

由圖6可見(jiàn)：（1）4#無(wú)機(jī)保溫砂漿在放大50倍時(shí)可以明顯看到凍融之后的樣品孔隙內(nèi)微裂紋密布，數(shù)量較凍融前明顯增多，原因部分在于凍融時(shí)樣品內(nèi)部孔隙中的水結(jié)冰膨脹產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力大于孔壁強(qiáng)度引起。（2）1#無(wú)機(jī)保溫砂漿在放大1000倍后的形貌可明顯看出，孔隙附近針狀晶體明顯增多尺寸增大（孔隙難以確定是由凍融引起）。（3）6#無(wú)機(jī)保溫砂漿在放大5000倍時(shí)也可明顯看出針狀晶體的增長(zhǎng)，原因可能在于由于樣品疏松孔隙和空隙率高，晶體在凍融反復(fù)浸水過(guò)程中結(jié)合水中的離子引起的晶體不規(guī)則大量生長(zhǎng)。

3 結(jié)論

（1）無(wú)機(jī)保溫砂漿的骨粉比越大，抗壓強(qiáng)度越低。1 h內(nèi)無(wú)機(jī)保溫砂漿吸水量基本可達(dá)到飽和，不同憎水劑的憎水效果差異較大。凍融循環(huán)后采用不同骨粉比和憎水劑的無(wú)機(jī)保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度都有所降低。

（2）無(wú)機(jī)保溫砂漿的耐凍融性主要受初始強(qiáng)度與吸水率的影響。初始強(qiáng)度越高無(wú)機(jī)保溫砂漿越密實(shí)，吸水率越低，抵抗凍融壓力的能力越大。通過(guò)摻入憎水劑降低吸水率的方式提高其耐凍融性有一定作用，憎水劑摻量會(huì)影響無(wú)機(jī)保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度，耐凍融性能隨吸水率的降低呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)。要保證無(wú)機(jī)保溫砂漿上墻后的耐凍融性，不能只重視其導(dǎo)熱系數(shù)忽視了其初始強(qiáng)度，降低其吸水率具有一定保障作用，但需嚴(yán)格控制憎水劑摻量。

（3）掃描電鏡分析表明，凍融后孔隙內(nèi)微裂紋數(shù)量增多，孔隙附近針狀晶體明顯增多、尺寸增大，原因可能由于樣品疏松孔隙和空隙率高，多次凍融循環(huán)下樣品內(nèi)部孔隙中的水結(jié)冰膨脹產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力大于孔壁強(qiáng)度引起了孔隙內(nèi)微裂紋的增加，同時(shí)晶體在凍融反復(fù)浸水過(guò)程中結(jié)合水中的離子引起晶體不規(guī)則大量生長(zhǎng)，可間接表明其凍融劣化原因。

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