水灰比对玻化微珠外墙外保温砂浆性能的影响试验研究

，

(1.许昌学院 土木工程学院， 河南 许昌 461000;2.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045)

随着我国城镇化建设步伐的加快，建筑能耗量已占全国能耗量的四分之一左右[1]，建造绿色建筑，降低建筑能耗对实现我国可持续发展道路具有重要的现实意义.建筑外墙是建筑围护结构中传热耗热量最大的部位，提高外墙的保温与隔热性能是目前建筑节能的有效措施之一.我国最常用的建筑外墙外保温体系包括有机保温体系和无机保温体系.前者主要是以聚苯等有机材料组成，成本低廉，保温效果较好，但耐火性较差，21世纪初期及以前是我国北方寒冷地区最常用的外墙保温材料.但自2009年央视大楼和2010年上海浦东路教师公寓因外墙有机保温系统燃烧产生重大火灾事故后，公安部出台相关文件规定：“民用建筑外保温材料采用燃烧性能为A级的材料”，随后，以玻化微珠等无机材料为主的无机保温体系脱颖而出，并占据主要市场[1,2].然而，2018年，郑州某办公楼再一次发生因外墙有机保温材料燃烧引起重大火灾.经调查统计，以河南省为主，处于我国夏热冬冷地区的建筑外墙外保温体系仍采用耐火性较差的有机保温体系，不利于我国建筑行业的健康发展.

关于玻化微珠外墙外保温砂浆，国内学者已经进行了一系列研究.毛小红研究了以玻化微珠保温砂浆作为外墙外保温材料时影响其性能的主要因素[3].李珠等通过正交试验开展了玻化微珠保温砂浆的配合比研究[4].本研究通过比较不同水灰比条件下玻化微珠外墙外保温砂浆干密度、抗压强度、抗折强度以及导热性能方面的变化，为夏热冬冷地区建筑外墙使用无机保温体系提供借鉴.

1 试验方案

1.1 材料属性

试验中玻化微珠保温砂浆是以硅酸盐水泥为胶凝材料，玻化微珠颗粒为轻骨料，可分散乳胶粉、聚丙烯纤维、羟丙基甲基纤维素醚、发泡剂为外加剂，按照一定比例配制而成.试验中原材料都产自于河南地区，其中硅酸盐水泥为P·O 42.5水泥，其主要物理性能见表1；玻化微珠颗粒的主要物理性能见表2；可分散性乳胶粉为白色粉末，其主要物理性能见表3；聚丙烯纤维作为有机纤维其抗拉强度500 MPa，断裂伸长率10%～28%；羟丙基甲基纤维素醚为白色粉末，可保证砂浆的保水性和稠度；发泡剂发泡倍数为20.

表1 水泥的主要物理性能

表2 玻化微珠颗粒的物理性能

表3 可分散性乳胶粉物理性能

1.2 试验方法

1.2.1 干密度

干密度的测定方法参照《膨化玻化微珠保温隔热砂浆》(GB/T26000-2010).将在标准养护条件下养护28 d的70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块放在干燥箱里烘干至恒重，并按公式(1)计算，取 6 个试块测试结果的算术平均值为最终干密度值[5].

(1)

式中：ρ0—干密度(kg/m3)；m0—试块烘干质量(g)；V—试块体积(mm3).

1.2.2 抗压强度

取干密度测定后的4个试块，参照《无机硬质绝热制品试验方法》(GB/T5486-2008)中抗压强度测定方法进行试验，并按公式(2)计算，测试结果取4个试块抗压强度的算术平均值[6].

(2)

式中：σ—抗压强度(MPa)；P1—试块破坏荷载(N)；S—试块受荷面积(mm2).

1.2.3 抗折强度

抗折强度的测定方法依照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行，试块抗折强度按公式(3)计算，试验结果为三个试块抗折强度的算术平均值[7,8].

(3)

式中：Rf—抗折强度(MPa)；Ff—试块折断时施加于棱柱体中部的荷载(N)；L—抗折试验机支撑圆柱之间的距离(mm)；b—棱柱体正方形截面的边长(mm).

1.2.4 导热系数

将300 mm×300 mm×40 mm试块按照干密度测定方法中养护条件和烘干方法进行养护与烘干，采用JTRG-Ⅲ型建筑热流计式导热仪直接对试件进行导热系数测量，其单位为W/(m·K).

1.3 配合比确定

根据已有研究以及保温砂浆拌制时的工作性能,确定玻化微珠外墙外保温砂浆中各原材料的基本配合比，确保保温砂浆具有良好的流动性和保水性.通过改变水灰比来研究玻化微珠外墙外保温砂浆的力学性能变化.不同水灰比的玻化微珠外墙外保温砂浆各材料的质量分布见表4.

表4 不同水灰比玻化微珠外墙外保温砂浆中各原材料的质量/g

2 结果与分析

2.1 水灰比对玻化微珠外墙外保温砂浆干密度的影响

图1显示不同水灰比条件下玻化微珠外墙外保温砂浆干密度的试验值及分布情况.从试验数值来看，4种水灰比条件下，玻化微珠保温砂浆干密度数值基本符合Ⅱ型无机轻集料保温砂浆干密度性能指标，适用于外墙外保温体系[9].另外，从试验数值分布来看，随着水灰比的增大，玻化微珠外墙外保温砂浆干密度随之下降.这主要是由于水泥含量一定，其凝结硬化时消耗的水分基本不变，水灰比越大，玻化微珠外墙外保温砂浆中水分蒸发的越多，其干密度越小.

2.2 水灰比对玻化微珠外墙外保温砂浆抗压强度的影响

图2显示，随着水灰比的依次增大，玻化微珠外墙外保温砂浆抗压强度分别为2.12、1.89、1.61和0.82 MPa.与编号1试验组相比，其它编号试验组抗压强度分别降低了10.8%、24.1%和61.3%，抗压强度呈现明显的下降趋势.试验结果表明，水灰比的改变对玻化微珠外墙外保温砂浆抗压强度影响较大，主要由于随着水灰比的增大，玻化微珠外墙外保温砂浆凝结硬化过程中散失水分越多，孔隙率不断增大，导致抗压强度降低[10].根据JGJT253-2011技术规程规定，本试验中水灰比为1.4时，玻化微珠保温砂浆抗压强度小于1.0 MPa，不宜用于外墙外保温.

图1 水灰比对干密度的影响

图2 水灰比对抗压强度的影响

2.3 水灰比对玻化微珠外墙外保温砂浆抗折强度的影响

图3为水灰比与玻化微珠外墙外保温砂浆抗折强度试验值的变化关系图.不同水灰比条件下，抗折强度试验值依次为1.21、0.95、0.7和0.28 MPa，与水灰比为1.1试验组相比，其它水灰比条件下试验组抗折强度分别下降了21.5%、42.1%和76.9%.结合图2和图3，水灰比的变化对玻化微珠外墙外保温砂浆抗折强度的影响趋势与抗压强度基本一致，但对抗折强度的影响更为明显.两图显示，水灰比的增大会明显降低保温砂浆强度，特别是水灰比为1.4时，试块强度下降超过50%，因此，在实际工程应用中应严格控制玻化微珠外墙外保温砂浆的水灰比.

2.4 水灰比对玻化微珠外墙外保温砂浆导热系数的影响

图4中当水灰比分别为1.1、1.2、1.3、1.4时，玻化微珠外墙外保温砂浆导热系数分别为0.085 7、0.079 4、0.071 2、0.069 3 W/(m·K).根据文献[9]中无机轻集料砂浆导热系数性能指标规定，编号1～4试验组玻化微珠保温砂浆都适用于外墙外保温体系.图中显示，导热系数随水灰比的增大而减小，主要是由于水灰比越大的玻化微珠外墙外保温砂浆在凝结硬化后的孔隙率越大，而气体的导热系数低于固体的导热系数[2].另外，水灰比1.2试验组与1.1试验组相比，导热系数下降了7.3%，水灰比1.3试验组与1.2试验组相比，导热系数下降了10.3%，而水灰比1.4试验组与1.3试验组相比，导热系数下降了2.6%，导热系数下降趋势明显减小.表明水灰比一定程度的增大可有效降低玻化微珠外墙外保温砂浆导热系数，超出一定范围，水灰比的改变对玻化微珠外墙外保温砂浆导热系数的影响降低.

图3 水灰比对抗折强度的影响

图4 水灰比对导热系数的影响

3 结论

(1)随着水灰比的增大，玻化微珠外墙外保温砂浆的干密度、抗压强度、抗折强度以及导热系数都随之下降，受其影响较大.

(2)水灰比的增大，对玻化微珠外墙外保温砂浆抗压强度与抗折强度的折减尤其明显，水灰比1.4试验组与1.1试验组相比，两个强度值分别下降61.3%与76.9%.而对于导热系数，水灰比一定程度的增大可有效降低其值，超出一定范围，水灰比的增大对玻化微珠外墙外保温砂浆导热系数的影响降低.

(3)水灰比为1.4试验组由于强度降低较多，强度不够，建议不要用于玻化微珠外墙外保温砂浆或通过改变原材料配合比来提高其强度.