輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥闹苽渑c性能研究

郭鋒

（江蘇尼高科技有限公司，江蘇 常州 213141）

0 引言

隨著我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，各地方政府出臺(tái)了一系列政策支持低能耗建筑的發(fā)展，各省新版《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》已陸續(xù)實(shí)施，設(shè)計(jì)節(jié)能率要求達(dá)到75%，對(duì)建筑外護(hù)圍結(jié)構(gòu)保溫材料隔熱層的熱傳系數(shù)作出了強(qiáng)制要求。2021年7月1日起實(shí)施的江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)DB32/4066—2021《居住建筑熱環(huán)境和節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》與舊標(biāo)準(zhǔn)GJ32/J 71—2014相比，為了進(jìn)一步改善居住建筑物室內(nèi)熱環(huán)境和室內(nèi)空氣質(zhì)量，提高江蘇省居住建筑物供暖、空調(diào)降溫用能效率，節(jié)約能源，同時(shí)提升居住建筑的功能和品質(zhì)，建筑節(jié)能率由65%提高至75%。新標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)分散供暖建筑，當(dāng)熱惰性指標(biāo)D＞2.5時(shí)，外墻傳熱系數(shù)由K≤1.2 W/（m2·K）提升為K≤0.8 W/（m2·K）；當(dāng)1.6＜D≤2.5時(shí)，由K≤1.0 W/（m2·K）提升為K≤0.7 W/（m2·K）；對(duì)集中供暖建筑，當(dāng)D＞2.5時(shí)，外墻傳熱系數(shù)由K≤0.85 W/（m2·K）提升為K≤0.60 W/（m2·K）。

當(dāng)節(jié)能率從65%提高到75%，不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體、門窗等的變化，保溫層材料的熱阻需增加60%以上，這意味著原來(lái)30 mm厚左右的保溫層將增加到50 mm厚左右，保溫層厚度的大幅增加，除了造價(jià)大幅提高外還會(huì)帶來(lái)一定的安全隱患，增大保溫系統(tǒng)開(kāi)裂、滲漏、脫落的風(fēng)險(xiǎn)。本文主要研究制備一種薄層施工的輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)?，其除具有較好的粘結(jié)性能和柔韌性能外，同時(shí)兼具一定的保溫隔熱功能，與常見(jiàn)的各種保溫系統(tǒng)有良好的匹配性和協(xié)調(diào)增效性。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

（1）乳液：苯丙乳液，陶氏公司，物理性能見(jiàn)表1。

表1 乳液的物理性能

（2）空心微珠：HL20，鄭州圣萊特空心微珠新材料有限公司產(chǎn)，主要物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 空心微珠的物理力學(xué)性能

（3）氣凝膠：進(jìn)口氣凝膠顆粒A、B，國(guó)產(chǎn)氣凝膠顆粒C，主要物理性能見(jiàn)表3。

表3 氣凝膠的顆粒物理性能

（4）填料：200目方解石粉。

（5）纖維素醚：羥乙基甲基纖維素，黏度15 000 mPa·s，陶氏公司。

（6）其它助劑：選用常見(jiàn)的成膜助劑、分散劑、潤(rùn)濕劑、硅烷偶聯(lián)劑等其它助劑，以改善輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥氖┕ば院彤a(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 基礎(chǔ)配方及制備方法

（1）輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)踊A(chǔ)配方。乳液：12%～27%，氣凝膠：3%～12%，空心微珠：0～20%，方解石粉：10%，纖維素醚：總量的1%，成膜助劑：乳液量的4%，分散劑：總量的0.2%，潤(rùn)濕劑：總量的0.2%，硅烷偶聯(lián)劑：總量的2%。

（2）輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)又苽浞椒?。將氣凝膠顆粒加入水中，加入適量分散劑、潤(rùn)濕劑等助劑，在密閉容器中用磁力攪拌器攪拌，制備出氣凝膠漿料，隨后在氣凝膠漿料中依次加入乳液、凝膠狀纖維素醚（在水中分散制得）及其它助劑，低速攪拌均勻，最后加入填料和空心微珠繼續(xù)攪拌均勻后得到輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)印?/p>

1.3 性能測(cè)試方法

輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥某Ｒ?guī)性能參照J(rèn)G/T 157—2009《建筑外墻用膩?zhàn)印愤M(jìn)行測(cè)試，導(dǎo)熱系數(shù)參照GB/T 10295—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定 熱流計(jì)法》進(jìn)行測(cè)試，涂層附加熱阻參照J(rèn)G/T 517—2017《工程用中空玻璃微珠保溫隔熱材料》附錄A進(jìn)行測(cè)試，見(jiàn)圖1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氣凝膠顆粒對(duì)輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)颖馗魺嵝阅艿挠绊?/h3>

氣凝膠是目前最輕的固體，具有高孔隙率，25℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.013 W/（m·K），具有極好的保溫隔熱性能，并且防火性能好，燃燒性能為A級(jí)[1]。氣凝膠的保溫隔熱性能遠(yuǎn)優(yōu)于?；⒅?、膨脹珍珠巖等常見(jiàn)的輕骨料。有研究表明[1]，在保溫砂漿中用氣凝膠部分替代其它輕骨料可以使導(dǎo)熱系數(shù)降低到0.036 W/（m·K）；但由于氣凝膠價(jià)格遠(yuǎn)高于其它常用的輕骨料，而保溫砂漿又是厚層施工，因此保溫砂漿中使用氣凝膠會(huì)導(dǎo)致成本顯著提高，所以在國(guó)內(nèi)的實(shí)際工程中幾乎沒(méi)有應(yīng)用。

本文對(duì)比了不同種類、不同摻量（占總量3%～12%）的氣凝膠顆粒對(duì)輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)訜峁ば阅艿挠绊?，?dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖2所示，3 mm厚涂層附加熱阻測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖2、圖3可見(jiàn)，輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥膶?dǎo)熱系數(shù)隨著氣凝膠顆粒摻量的增加而減小，附加熱阻隨著氣凝膠顆粒摻量的增加而增大；氣凝膠顆粒A的效果要優(yōu)于B和C，當(dāng)其摻量達(dá)到12%時(shí)，輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥膶?dǎo)熱系數(shù)為0.034 W/（m·K），3 mm厚輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)油繉拥母郊訜嶙杩蛇_(dá)0.303（m2·K）/W，約相當(dāng)于16 mm厚巖棉板的保溫隔熱效果。材料內(nèi)部熱量一般以固體熱傳導(dǎo)、空氣熱對(duì)流和熱輻射3種形式傳遞，其中固體熱傳導(dǎo)和熱輻射占了很大比例，當(dāng)輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)又袚饺霘饽z顆粒以后，氣凝膠會(huì)組成納米級(jí)開(kāi)孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，空隙率較高，孔徑＜70 nm（分子平均運(yùn)動(dòng)自由程），因而可有效阻隔空氣熱對(duì)流傳導(dǎo)。此外，氣凝膠中含量極少的固體骨架也是由納米顆粒組成，其接觸面積非常小，使得氣凝膠同樣具有極小的固態(tài)熱導(dǎo)率[2]。但是氣凝膠顆粒摻量超過(guò)6%時(shí)，輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)訉?dǎo)熱系數(shù)的降幅和涂層附加熱阻的增幅均變小。綜合考慮，氣凝膠顆粒A摻量為6%時(shí)，性價(jià)比最優(yōu)。

2.2 空心微珠對(duì)輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)颖馗魺嵝阅艿挠绊?/h3>

空心微珠簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是薄壁、密封的球殼體，其內(nèi)部填充氣體或真空，具有密度小、易均勻分散、抗壓能力強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.03～0.10 W/（m·K）[3]。試驗(yàn)在摻6%氣凝膠顆粒A的基礎(chǔ)上，對(duì)比了不同摻量（占總量0～20%）空心微珠對(duì)輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)訜峁ば阅艿挠绊?，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，空心微珠摻量對(duì)輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)訜峁ば阅艿挠绊懶∮跉饽z顆粒，當(dāng)空心微珠摻量為10%，輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥膶?dǎo)熱系數(shù)為0.035 W/（m·K），3 mm厚輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)油繉拥母郊訜嶙杩蛇_(dá)0.288 m2·K/W，當(dāng)以空心微珠摻量超過(guò)10%以后，輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥膶?dǎo)熱系數(shù)和附加熱阻趨于穩(wěn)定，且當(dāng)空心微珠的摻量超過(guò)20%時(shí)，會(huì)影響乳液的成膜性。綜合考慮，空心微珠的最佳摻量為10%。

2.3 輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)油繉雍穸葘?duì)附加熱阻的影響

一般來(lái)說(shuō)保溫材料涂層越厚，其保溫隔熱功能越好，保溫層附加熱阻也越高。測(cè)試了輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)樱饽z摻量6%，空心微珠摻量10%）涂層在不同厚度下的附加熱阻，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥母郊訜嶙桦S著其涂層厚度的增加而增大，實(shí)際工程應(yīng)用中，輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)訂未问┩康暮穸纫话阍? mm左右，若涂層厚度過(guò)厚則需要多次分層施工，會(huì)造成材料和施工成本的大幅提升，因此實(shí)際工程應(yīng)用中，3～5 mm厚的輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)有詢r(jià)比最優(yōu)，5 mm厚輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)油繉拥母郊訜嶙杩蛇_(dá)0.346 m2·K/W。。

2.4 乳液摻量對(duì)輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)有阅艿挠绊?/h3>

聚合物乳液是輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥闹饕赡の?，乳液的類型及用量直接決定了輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥恼辰Y(jié)性、柔韌性和抗裂性能等。試驗(yàn)采用陶氏公司的苯丙乳液，測(cè)試不同乳液摻量對(duì)輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)诱辰Y(jié)強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥恼辰Y(jié)強(qiáng)度隨著乳液摻量的增加而提高，當(dāng)乳液摻量大于15%時(shí)，輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥恼辰Y(jié)強(qiáng)度（原）大于0.7 MPa。并且乳液摻量的提高也能顯著改善輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥娜犴g性，當(dāng)乳液摻量為18%時(shí)，其粘結(jié)強(qiáng)度（原）為0.81 MPa，粘結(jié)強(qiáng)度（凍融）為0.70 MPa，輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)幽軡M足直徑50 mm卷曲無(wú)裂紋，如圖7所示。

2.5 輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)討?yīng)用評(píng)價(jià)

考慮到輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)釉趯?shí)際工程應(yīng)用中會(huì)作為保溫系統(tǒng)的一個(gè)組成材料使用，試驗(yàn)對(duì)比了在輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)颖砻媾慰沽焉皾{和涂刷淺色涂料后復(fù)合涂層的附加熱阻，結(jié)果如表4所示。

由表4可見(jiàn)，當(dāng)輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)颖砻媾慰沽焉皾{時(shí)，復(fù)合涂層的附加熱阻會(huì)降低，但是當(dāng)其表面涂刷淺色涂料時(shí)，復(fù)合涂層的附加熱阻會(huì)略有增大。因此，在實(shí)際節(jié)能保溫工程應(yīng)用中，可以在涂料飾面的保溫系統(tǒng)中用輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)犹娲胀ㄍ鈮δ佔(zhàn)?，與原有的保溫系統(tǒng)組合使用。以一個(gè)75%節(jié)能設(shè)計(jì)要求的項(xiàng)目驗(yàn)算，原設(shè)計(jì)需要做50 mm厚勻質(zhì)保溫板外墻外保溫系統(tǒng)，當(dāng)采用輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)犹娲鈮ζ胀佔(zhàn)訒r(shí)，僅需30 mm厚勻質(zhì)保溫板+（3～5）mm厚輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)蛹纯蓾M足節(jié)能設(shè)計(jì)要求，大大降低了保溫層厚度，提升了整個(gè)保溫系統(tǒng)的安全性。

表4 不同復(fù)合涂層的附加熱阻

3 結(jié)論

（1）以6%氣凝膠顆粒A和10%空心微珠為主要超輕骨料制備的輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)泳哂辛己玫谋馗魺峁δ?，其?dǎo)熱系數(shù)為0.035 W/（m·K），5 mm厚涂層附加熱阻可達(dá)0.346 m2·K/W。

（2）乳液摻量為18%時(shí)，輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)拥恼辰Y(jié)強(qiáng)度（原）為0.81 MPa，柔韌性滿足直徑50 mm卷曲無(wú)裂紋，可以達(dá)到JG/T 157—2009中相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求。

（3）輕質(zhì)膏狀膩?zhàn)优c其它涂料飾面的保溫系統(tǒng)組合使用，能大大降低原保溫層厚度，可以有效降低保溫層過(guò)厚帶來(lái)的開(kāi)裂、脫落風(fēng)險(xiǎn)。