建筑外墙保温系统负温砂浆研究.pdf
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1、Green Building Material 绿 色 建 材绿色建筑2023年 第3期101建筑外墙保温系统负温砂浆研究建筑外墙保温系统负温砂浆研究潘 伟(君旺节能科技股份有限公司,上海 201306)摘要:试验制备了掺加不同类型早强剂的黏结砂浆和抹面砂浆,研究了单掺早强剂、复掺早强剂和缓凝剂,复掺不同种类早强剂并掺入憎水剂对黏结砂浆和抹面砂浆的负温条件和正温条件力学性能及体积稳定性能的影响,得到了能够应用于负温条件(10 )下且耐久性能佳的建筑外墙保温系统黏结砂浆和抹面砂浆。关键词:负温;早强剂;缓凝剂;憎水剂;砂浆;保温系统中图分类号:TU57+8.13 文献标志码:A 文章编号:167
2、4-814X(2023)03-101-060 引 言建筑外墙保温系统起源于20世纪40年代的欧洲,在20世纪90年代初正式被引入中国。经过近三十年的发展,建筑外墙保温系统在我国已得到非常广泛的应用,尤其是在我国的严寒和寒冷地区,发挥了较为突出的节能保温作用。需要指出的是,严寒和寒冷地区,每年平均有35个月不等的冬季时间,在这段时间内,日均环境温度低于0,众所周知,当环境温度低于5 时,外墙保温系统中起黏结作用的黏结砂浆和起防护作用的抹面砂浆中强度及其他性能的水泥水化速率极低,并且由于所掺入的“有机胶凝材料可再分散乳胶粉”或聚合物乳液最低成膜温度一般均高于5,因此,建筑外墙保温系统的施工不适合在
3、冬季进行1。然而,在实际施工过程中,经常会遇到由于赶工期而不得不在05 环境温度,甚至低于0 环境温度下进行外墙保温系统施工的情况。基于冬季施工的现实需求,笔者的研究目的是配制可用于负温环境条件下(10 左右)的外墙保温系统用的黏结砂浆和抹面砂浆。1 研究技术路线黏结砂浆和抹面砂浆为聚合物改性水泥基材料,其最为重要的力学强度为与不同基材(黏结砂浆同时与混凝土墙体和保温板材进行黏结)之间的拉伸黏结强度。在黏结砂浆和抹面砂浆的材料组成中,水泥是拉伸黏结强度的主要来源,具体的影响因素既包括水泥自身的强度发展速率(同比对应于其水化速率)和强度完成度(同比对应于其水化程度),也包括水泥(砂浆)的体积变形
4、情况。在此,笔者假定墙体和保温板材已达到体积变形的稳定阶段(即体积变形很小以至于可以被忽略),因此砂浆与墙体、砂浆与保温板材之间的拉伸黏结强度不可避免地受到砂浆体积变形的冲击影响,具体影响程度取决于砂浆体积变形的发展速率(经时变化)及即时的体积变形数值(决定砂浆与墙体、砂浆与保温板材的即时体积变形应力值)。同时,当外墙外保温系统所处的室外环境的温度和(或)湿度发生明显变化时,墙体、砂浆和保温板材都会发生由各自弹性模量值决定的温度和(或)湿度变形。与前文所述的假定类似,笔者假定墙体和保温板材的弹性模量已处于稳定状态,仅黏结砂浆、抹面砂浆的弹性模量值随着其水化的不断进行而逐渐增大。基于这一前提,由
5、于混凝土墙体与保温板材的弹性模量值差别较大(可达1个数量级),相同的温度和(或)湿度应力作用于两者将产生巨大的变形差异,如果这种变形差异无法得到有效协调,很有可能导致黏结失效生。这种变性差异只能通过居于其中的黏结砂浆进行协调(吸收),客观上,要求黏结砂浆具有适当的柔韧性能以吸收变形差异所产生的能量。抹面砂浆位于保温板材的外侧,除提供保温板材与外饰面材料的相互黏结力外,还需要具备在多重应力条件下(温度应力、湿度应力、外应力单独作用或协调作用)对于保温系统,特别是内部保温板材进行充分防护的能力,因此,相比黏结砂浆,抹面砂浆的柔韧性能要求更高。而由于黏结砂浆和抹面砂浆材料组成中的水泥、砂等材料均为刚
6、性材料,所以,需要通过掺入一定量(确保合适的聚灰比)的可再分散乳胶粉(乳液),通过胶粉(乳液)的成膜作用对砂浆进行聚合物改性以降低其弹性模量,从而为砂浆硬化体提供所需的柔韧性能。当然,需要指出的是,由于砂浆的材料组成以无机材料为主,反应活性材料基本为水泥基材料,因此,砂浆与混凝土墙体的黏结良好,但与有机保温板材(常用的岩棉板虽然是由玄武岩纤维组成,但材料的弹性模量更类似于绿 色 建 材 Green Building Materials绿色建筑2023年 第3期102有机材料)的黏结性不佳,胶粉(乳液)的聚合物改性对于砂浆弹性模量的降低有助于砂浆与有机保温板材之间的黏结。由上文的分析可得,水泥的
7、水化速率及即时水化程度、胶粉(乳液)的成膜情况既影响黏结砂浆、抹面砂浆的拉伸黏结强度,同时也影响黏结砂浆、抹面砂浆的柔韧性能。针对低温对胶粉(乳液)成膜的影响,笔者在之前发表的文章中已提及:从市场上现有的胶粉(乳液)品类来看,最低成膜温度基本在5 左右,极少数可以达到0,当砂浆所处的温度低于该胶粉(乳液)的最低成膜温度时,胶粉就不能成膜,也就起不到相应的增韧和增强作用。相比之下,由于水泥的成分和水化反应均较为复杂,受到的影响因素也较多,客观上赋予了更多的通过对于水泥水化反应进行改性以获得预期性能的可能性。针对冬季条件或负温条件下的砂浆产品,现有的水泥改性技术主要包括:(1)改变水泥的类型,如选
8、择高标号等级的水泥、早强型水泥等;(2)加入能够增强水泥在负温环境下的反应活性及对于水泥水化体系处于负温条件下的性能进行增强,如加入防冻剂降低水泥水化体系中的水结冰的冰点温度值,加入引气剂引入不连续、微小并且封闭的气泡降低水泥水化体系中的水结冰产生的体积膨胀并进而减小所导致的对于体系的膨胀应力;(3)加入能够促进水泥水化的矿物型或化学型外加剂,如加入分散剂(减水剂)促进水泥颗粒与水分的充分接触以提升水化速率,并且减少拌合用水量以降低水分结冰产生的负面影响,加入碳酸盐消耗水泥水化的产物氢氧化钙Ca(OH)2从而促进化学平衡向生成反应产物的方向移动(促进水泥水化)。在未采取特殊的补偿收缩改性条件下
9、,高标号水泥的收缩值高于低标号水泥的收缩值,因此,通过使用高标号水泥在加速水泥(砂浆)负温条件下的早期和长期强度的同时,将不可避免地加剧直接导致砂浆开裂风险增加的收缩。已有大量的工程实践和研究表明,早强型水泥如硫铝酸盐水泥或铝酸盐水泥在水化后期都存在不同程度的强度倒缩问题,究其原因,在于已水化产物在水化后期的晶型转变,在未采取对应性的措施,如复合使用多元胶凝材料以协调平衡早期和后期强度发展及体积变形的条件下,掺用早强型水泥将导致产品的后期性能降低。相比之下,掺入各类外加剂(矿物型和化学型)对于水泥水化的改性,由于主要是对水泥水化的进程施加影响,基本不影响水泥水化的最终结果,因此得到了广泛的应用
10、。基于笔者前期的研究结果,在此次试验研究中,主要选择了无水氯化钙、甲酸钙、碳酸锂三种化学性外加剂,和水化硅酸钙晶种、非晶态铝酸钙两种矿物型外加剂,研究这些外加剂的单掺、复掺等对于负温条件下的黏结砂浆和抹面砂浆性能的影响。3 试验结果分析3.1 早强剂对正负温交替条件下黏胶拉伸黏结强度的影响试验地点:吉林省吉林市。试验日期:2020年12月22日2021年1月20日,在此期间,最高温度为8,最低温度为17;1 d龄期最高温度为6,最低温度为2。早强剂(无机型或矿物型)对于黏结砂浆处于室外正负温条件下强度的影响如表1所示。表 1 早强剂对黏胶拉伸黏结强度的影响基础原材料黏结砂浆1#2#3#4#5#
11、6#甲酸钙8碳酸锂3无水氯化钙9水化硅酸钙晶种4非晶态铝酸钙17总重1 0001 0001 0001 0001 0001 000与EPS板1 d龄期拉伸强度/MPa0.0380.0350.0290.0320.0250.0453 d龄期拉伸强度/MPa0.0890.0810.1000.0890.0680.0957 d龄期拉伸强度/MPa0.1270.1170.1290.1320.1310.10528 d龄期拉伸强度/MPa0.1160.1080.1090.1100.1030.092与混凝土板1 d龄期拉伸强度/MPa0.170.230.170.240.200.293 d龄期拉伸强度/MPa0.3
12、50.480.200.480.390.437 d龄期拉伸强度/MPa0.640.510.550.630.600.5828 d龄期拉伸强度/MPa0.670.710.660.570.400.55Green Building Material 绿 色 建 材绿色建筑2023年 第3期103由表1可见,与1#基准黏结砂浆相比,单掺不同类型的早强剂对于各个龄期的黏结砂浆与不同基材的拉伸黏结强度表现出不同的影响:在1 d和3 d龄期,仅单掺非晶态铝酸钙使得黏结砂浆与EPS板的拉伸黏结强度增加,单掺其他早强剂基本都使得黏结砂浆与EPS板的拉伸黏结强度降低,而除单掺碳酸锂外,单掺其他早强剂都使得黏结砂浆与混
13、凝土板的拉伸黏结强度增加;在7 d和28 d龄期,单掺各种早强剂,无论是与EPS板,还是与混凝土板,拉伸黏结强度除约1/3保持不变外,大部分都有不同程度的降低。需要指出的是,单掺碳酸锂,除了使得黏结砂浆与EPS板的3 d拉伸强度有所增加外,对于其他龄期的与EPS板的拉伸强度及全部龄期的与混凝土板的拉伸黏结强度均不起提升作用。甲酸钙(C2H2O4Ca)中的甲酸根(HCOO-)能够形成高硫型水化硫铝酸钙(AFt)和单硫型水化硫铝酸钙(AFm)的相似物,缩短水泥的凝结时间2此外,C2H2O4Ca能加速Ca(OH)2的沉淀以及硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)的分解而促进其水化HCOO-还能够通过
14、化学作用束缚硅原子进一步与氢氧根(OH-)反应,交联相邻的硅酸盐群体,促进水化硅酸钙(C-S-H)凝胶的形成随着C2H2O4Ca掺量的增加,砂浆强度有所下降,这可能是因为C2H2O4Ca掺量较大时,其促凝作用非常显著,砂浆在成型过程中即开始凝结,试件内部难以密实成型。随着C2H2O4Ca掺量的增大,更多的游离水与盐缔合,影响砂浆的和易性,也会使砂浆在早期成型时内部缺陷较多,降低了砂浆的强度。掺入C2H2O4Ca后,砂浆中盐溶液的浓度增大,溶液的表面张力增大,砂浆的收缩应力也随之增大3。掺入少量的碳酸锂(Li2CO3),由于锂离子(Li+)半径较小,具有较强的极化作用,可加速水泥颗粒表面水化保护
15、膜的破坏,显著缩短水泥水化诱导期。然而,Li2CO3会促进钙矾石晶体的形成,当这种促进作用达到一定程度时,就会生成致密的水化产物层,包裹未水化的水泥颗粒,从而在一定程度上延缓了中后期的水泥水化反应,使得水泥的中后期强度降低4。此外,伴随水泥水化的进行,水泥硬化体将产生不同程度的收缩,在水化早期阶段,Li2CO3的掺入所导致的水泥过快水化将形成较为明显的收缩,由于此时硬化体结构尚未充分形成并充分密实,收缩应力对于硬化体结构会产生破坏性作用,也可能导致强度降低。氯化钙(CaCl2)能够和水泥熟料中的铝酸三钙(C3A)反应,生成难溶的高氯铝酸复盐,促进液相中的大部分CaCl2进入固相,增加了水泥石中
16、的固相比率,有利于提高早期强度。此外,CaCl2电离产生的氯离子容易吸附在水泥熟料C3S和C2S颗粒的表面,加大了它们和水分子的亲和力而容易湿润,同时提供较高的Zeta电位以保持颗粒的分散度,加快了早期水化速度,再加上钙离子的同离子效应,提高了Ca(OH)2的溶解度,进一步促进了C3S和C2S的水化反应,达到早强的目的5,然而氯盐的掺入会产生增大收缩的副作用。水化硅酸钙晶种掺入水泥浆体并形成晶核,可降低水化过程中水化硅酸钙的成核能垒6-7,促进水化速度的加快并生成更多水化产物,最终使得水泥凝结硬化速度加快,早期强度提高。水化硅酸钙晶种主要对1 d和3 d龄期的水泥基材料力学性能增强效果较为明显
17、,而对7 d龄期的力学性能影响不明显8。张江涛等9认为,非晶态铝酸钙体系能够促进C3S和C2S的水化,生成C-S-H凝胶相互交织搭接形成网络结构而促进凝结;同时也促使普通硅酸盐水泥水化早期产生大量短柱状与细晶状晶体钙矾石,这些钙矾石独立生长,无任何取向性,数量较多,随机分布,形成了空间网络结构,晶体之间搭接紧密,大量生成的C-S-H凝胶填充其缝隙,使水泥石更加密实,提高了早期强度。水泥的水化反应可以分为溶解、水化产物形成及水化产物沉淀这三个阶段10。铝酸钙矿物的活性较高,水化和凝结硬化速度较快,由于玻璃相的原子相比结晶相的原子通常具有更高的潜在化学能量和相对较低的稳定性,因此与晶态铝酸钙相比,
18、非晶态铝酸钙溶解于水的速度更快,由此导致水化反应的起始速率较快,进而导致其所形成的水化产物的过饱和程度较高。在均一溶液中,水化沉淀物的粒径取决于溶液的过饱和程度11。Richards和Helmuth于1975年指出,在较高的过饱和度条件下将形成较厚的铝酸钙水化产物包裹层,而这种包裹层作为水泥颗粒水化反应的阻隔层将降低后续的水泥水化反应速率,这也使得相比晶态铝酸钙,非晶态铝酸钙后期的水化反应速率较低。徐琳玲等12指出,由于浆体的凝结极为迅速,水化产物根本来不及分散,孔隙填充率低,且大量片状水化铝酸钙及铝胶等水化产物包裹在未水化颗粒表面,对继续水化不利。钟白茜等13研究证明,水化7 d后,由于六方
19、晶型的水化铝酸钙转化为立方晶型的六水铝三钙(C3AH6),致使强度严重倒缩。笔者对上述行业学者研究结论进行总结后得出,非晶态铝酸钙在水泥水化反应的初始阶段起到了有效的强度促进作用,但对于后期的水泥水化反应贡献比较有限,甚至可能导致后期强度的降低。笔者的试验数据也充分支持了这一结论:正负温交替条件下,单掺非晶态铝酸钙使得黏结砂浆与EPS板和混凝土板的1 d和3 d龄期拉伸黏结强度提升,但导致7 d和28 d龄期拉伸黏结强度降低。基于单掺非晶态铝酸钙的增强效果相比其他早强剂更佳(使得1 d和3 d龄期的黏结砂浆与EPS板和混凝土板的拉伸黏绿 色 建 材 Green Building Materia
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