納米SiO2對無機輕集料保溫砂漿性能的影響

胡玲霞，馬立濤，趙瀟武，趙忠強

（1.金華職業技術學院 制藥與材料工程學院，浙江 金華 321000；2.浙江大森建筑節能科技有限公司，浙江 金華 321000）

0 引言

近年來，由于納米材料的小尺寸效應、量子效應、表面效應和界面效應，使它在結構、物理和化學性質等方面具有許多傳統材料不具備的奇特特征[1]。在各種納米材料中，納米SiO2已成為眾多科研人員研究的熱點。其顆粒尺寸小、比表面積大、表面吸附性強、呈球形狀[2]。Rong等[3]發現納米SiO2具有較高的火山灰活性和較好的孔隙填充效應，摻3%納米SiO2可顯著提高水泥基材料的抗壓與抗折強度，促進水化，減小孔隙率。Shah等[4]發現，納米SiO2溶膠可以改善C-S-H凝膠的形貌，從而改善水泥基材料的性能。

無機輕集料保溫砂漿的優點有：防火性能優越、A級不燃材料、環保、耐老化年限遠遠高于有機材料、耐久性強、施工后與墻壁接觸面為99%以上，且砂漿類產品與現有各類墻體的親和力較好[5]。

方明暉等[6-7]研究了玻化微珠、防水劑對無機輕集料保溫砂漿性能的影響；蔡塵碲等[8-9]研究了膠凝材料、羥丙基甲基纖維素醚對無機輕集料保溫砂漿性能的影響。但納米SiO2對無機輕集料保溫砂漿影響的相關研究還不多見。本研究主要考察了納米SiO2摻量對無機輕集料保溫砂漿密度、抗壓強度、導熱系數、體積吸水率等性能的影響，以期在滿足導熱系數條件下，提高無機輕集料保溫砂漿的抗壓強度，降低體積吸水率。

1 試驗

1.1 原材料

玻化微珠：堆積密度100～110 kg/m3，筒壓強度110～130 kPa；水泥：42.5級普通硅酸鹽水泥；可再分散乳膠粉：乙烯-醋酸乙烯共聚型高分子聚合物，最低成膜溫度0℃；羥丙基甲基纖維素醚：2%溶液，20℃黏度為200 000 mPa·s；納米SiO2：氣相法白炭黑，白色粉末，含量99.5%，粒徑（50±5）nm，pH值為 5～7，比表面積（200±30）m2/g。

1.2 試驗配比

不同納米SiO2摻量試驗配比見表1。

表1 不同納米SiO2摻量試驗配比

1.3 試驗方法

試樣的制備：按GB/T 20473—2006《建筑保溫砂漿》中附錄B和附錄C進行。

稠度測試：按JGJ70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》中第3章的規定進行。

試樣的養護：試樣制作后，用聚乙烯薄膜覆蓋，養護（48±8）h后脫模，繼續用聚乙烯薄膜包裹養護至14 d，去掉薄膜養護至28 d。成型好的試件拆模后放置于溫度為（23±2）℃、相對濕度為60%～80%的養護室內至規定齡期，在（105±5）℃的鼓風干燥烘箱中烘至恒重，分別測試其干密度、抗壓強度、導熱系數、體積吸水率等。

導熱系數測試：按GB／T 10294—2008執行，其中試驗平均溫度為25℃，冷熱板溫差為20℃。

抗壓強度測試：按GB/T 5486—2008《無機硬質絕熱制品試驗方法》的規定進行。

體積吸水率測試：按DB33/T 1054—2016《無機輕集料砂漿保溫系統應用技術規程》附錄A的規定進行。

2 結果與討論

2.1 納米SiO2摻量對無機輕集料保溫砂漿密度的影響

采用標準規定的攪拌機，攪拌3 min，在其他條件不變的情況下，通過改變納米SiO2摻量，在保持保溫砂漿稠度為80 mm時，無機輕集料保溫砂漿密度變化見表2。

表2 納米SiO2摻量對無機輕集料保溫砂漿密度的影響

從表2可以看出，隨著納米SiO2摻量的增加，無機輕集料保溫砂漿堆積密度和干密度逐漸下降，這是因為納米SiO2為蓬松粉末，多孔性，比表面積較大，所以無機輕集料保溫砂漿的堆積密度和干密度逐漸下降。但是水灰比和濕密度逐漸上升。分析原因：納米SiO2粒子表面具有極強的活性，表現在Si—OH，—OH很容易與水發生親合作用，形成氫鍵結構，形成“吸附水”。再加上表面積大，空隙多，粒子表面也會以物理吸附的方式吸附部分水分，所以造成需水量的增大。但在實際施工中無機輕集料保溫砂漿水灰比不宜過大，因為保溫砂漿的水主要分為2部分，一部分與砂漿中的其他組分發生水化作用生成硬化砂漿，多余的水分則在硬化砂漿中形成空隙，隨著用水量的增加，參與水化作用后多余的水分也在增多，多余的水分在硬化砂漿中形成的孔隙增加，進而形成疏松多空的結構，將導致保溫砂漿的抗壓強度降低。

2.2 納米SiO2摻量對無機輕集料保溫砂漿導熱系數的影響

將成型好的試件拆模后放置于溫度為（23±2）℃、相對濕度為60%～80%的養護室內至齡期，在（105±5）℃的鼓風干燥箱中烘干至恒重，測試其導熱系數，結果見圖1。2

圖1 SiO摻量對無機輕集料保溫砂漿導熱系數的影響

由圖1可知，隨著SiO2摻量增大，無機輕集料保溫砂漿導熱系數逐漸下降。SiO2摻量在0～6%時，導熱系數從0.109 W/（m·K）下降至0.084 W/（m·K），說明納米SiO2有明顯改善無機輕集料保溫砂漿保溫性能的作用。這與納米SiO2具有高氣孔率和納米級空隙結構有關。又因納米SiO2比表面積較大，隨著摻量的增加，無機輕集料保溫砂漿的堆積密度和干密度逐漸下降，而保溫砂漿導熱系數與干密度有著線性關系，也說明了保溫砂漿導熱系數下降的原因。但隨著納米SiO2摻量的進一步增加，導熱系數下降趨勢變緩。這與無機輕集料保溫砂漿需水量加大有一定的關系。為配制導熱系數小于0.085 W（/m·K）、抗壓強度大于1.0 MPa的保溫砂漿，建議SiO2摻量選擇在3%～6%。

2.3 納米SiO2摻量對無機輕集料保溫砂漿抗壓強度的影響（見圖2）

圖2 SiO2摻量對無機輕集料保溫砂漿抗壓強度的影響

從圖2可見，納米SiO2摻量為0～3%時，無機輕集料保溫砂漿的3 d、7 d、28 d抗壓強度有微微上升趨勢；納米SiO2摻量為3%～6%時，3 d、7 d抗壓強度又緩慢下降；納米SiO2摻量大于3%時，28 d抗壓強度急劇下降。分析原因：納米SiO2顆粒較細，對無機輕集料保溫砂漿起填充作用，減小了無機輕集料中大、中孔及間隙孔孔徑尺寸，進而使總孔隙度降低，增加了保溫砂漿的密實度，從而對抗壓強度有所提高。因納米SiO2顆粒較細、反應活性較高，容易在水泥水化過程中發生團聚作用，隨著納米SiO2摻量的進一步增大，對無機輕集料保溫砂漿抗壓強度又產生不良的影響，導致急劇下降。

2.4 納米SiO2摻量對無機輕集料保溫砂漿體積吸水率的影響

無機輕集料保溫砂漿如果體積吸水率太高，將嚴重影響其保溫隔熱性能和強度，并且上墻后易產生空鼓、脫落現象。納米SiO2對無機輕集料保溫砂漿體積吸水率的影響見圖3。

圖3 SiO2摻量對保溫砂漿體積吸水率的影響

從圖3可以看出，納米SiO2摻量在0～3%時，無機輕集料保溫砂漿硬化后的體積吸水率明顯下降，納米SiO2摻量為3%的體積吸水率達最低值，小于20%。但隨著納米SiO2摻量的繼續增加，無機輕集料保溫砂漿的體積吸水率又逐漸上升。分析原因：適量的納米SiO2可以填充水泥基材料的毛細管空隙、凝膠孔隙和水化硅酸鈣層結晶空隙，降低了孔隙率，提高了無機輕集料保溫砂漿的密實度，從而降低了體積吸水率，這與抗壓強度測試結果相吻合。但隨著納米SiO2摻量的進一步增加，體積吸水率也上升，說明過量的納米SiO2發生團聚，孔隙度上升。從體積吸水率指標來看，納米SiO2摻量以3.0%較為適宜。

2.5 納米SiO2摻量對無機輕集料保溫砂漿外觀的影響

將不同SiO2摻量的無機輕集料保溫砂漿上墻施工，基層墻體提前1 d澆水濕潤。保溫砂漿按自上而下的順序分層進行施工，底層和面層厚度均為10 mm時，2層之間間隔24 h，且底層保溫砂漿凝結后，再粉刷面層，每塊試樣面積1 m2，總厚度為20 mm。10 d后觀察保溫層外觀狀況，結果見表3。

表3 SiO2摻量對無機輕集料保溫砂漿外觀狀況的影響

從表3可以看出，隨著SiO2摻量的增加，過量的納米SiO2發生團聚形成的SiO2膠凝塊體脆性較大，導致無機輕集料保溫砂漿易開裂現象，這勢必影響工程質量，因此無機輕集料保溫砂漿中SiO2的摻量不宜過大。

3 結論

（1）隨著納米SiO2摻量的增加，無機輕集料保溫砂漿的堆積密度、干密度逐漸下降，水灰比和濕密度逐漸增大。

（2）為配制導熱系數小于0.085 W/（m·K）、抗壓強度大于1.0 MPa的保溫砂漿，建議SiO2摻量控制在3%～6%。

（3）納米SiO2摻量在0～3%時，無機輕集料保溫砂漿的抗壓強度隨摻量的增加略有提高，但當納米SiO2摻量大于6%時，28 d抗壓強度急劇下降。

（4）從體積吸水率指標來看，納米SiO2摻量以3%較為適宜。