CN110395946B - 一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆的制备方法 - Google Patents
一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于外墙保温的气凝胶‑玻化微珠复合砂浆的制备方法，采用本发明的二次分散混合法，可以使硅气凝胶和玻化微珠在砂浆内部合理分布，并形成无数细小又致密的空隙、孔洞，有利于导热系数的降低，提高整个墙体的保温功效，同时，本发明方法能使硅气凝胶和玻化微珠在砂浆体系内保存完整，不会被传统制备砂浆工艺破坏，硅气凝胶可充分发挥其纳米级孔隙的优异绝热性能，限制了气体的热传导并基本控制了对流的产生，又进一步保障了砂浆的保温性能。本发明的复合砂浆具有较好的和易性，易于施工操作，保温性能优异，吸水率低，可克服传统保温砂浆开裂、空鼓、轻骨料上浮的问题。
Description
技术领域
本发明涉及建筑节能环保材料技术领域，具体涉及一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆的制备方法。
背景技术
为贯彻国家技术经济政策，节约资源，保护环境，推进可持续发展，2016年住建部发布了GB/T 50378-2016《绿色建筑评价标准》修订版。其中评分加分项中指出，围护结构热工性能比国家现行有关建筑节能设计标准的规定高20％，或者供暖空调全年计算负荷降低幅度达到15％，可获取加分分值2分。由此可见，维护结构的节能是绿色建筑评价中不可忽视的重要考虑项。
一般来说，建筑围护结构采用节能方法主要有两种：一是直接选用保温墙体结构；二是选用在墙体外层涂刷一层保温砂浆。比较而言，采用墙体外层涂刷保温砂浆施工简单，尤其是对于已有的建筑结构，其优势更加明显。因此，建筑外墙采用粉刷保温砂浆以保证建筑物节能性能的方法得到越来越多的应用。
保温砂浆是以各种轻质材料为骨料，以水泥为胶凝材料，掺和一些改性添加剂，经搅拌混合而制成的一种预拌干粉砂浆，具有节能利废、保温隔热、耐老化的优异性能以及价格低廉、施工方便等特点，有着广泛的市场需求。目前市场上的保温砂浆种类繁多，较常见的有膨胀珍珠岩保温砂浆、玻化微珠保温砂浆等。但是，膨胀珍珠岩吸水率大、易粉化，砂浆后期易空鼓开裂。玻化微珠粒径较小，表面积大，级配范围窄，单一使用玻化微珠作保温骨料，需要较多的胶凝材料来包裹，造成砂浆的干密度较大，保温性能差。
硅气凝胶是近年出现的新型的轻质纳米多孔性材料，是目前已知固体物质中最轻并且性能最好的隔热体，具有憎水性，其体积的90％以上都是由极微小的纳米孔洞。利用硅气凝胶与玻化微珠进行复合，可以形成较合理的颗粒级配，实现砂浆综合性能的优化。由此可研发出满足相关力学和耐久性方面性能要求，又满足低导热系数要求的新型复合骨料保温砂浆。
发明内容
为了解决现有技术中气凝胶-玻化微珠的保温砂浆的保温效果不理想的技术问题，本发明从制备方法上优化，而提供一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆的制备方法。
本发明通过以下技术方案实现：
一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆的制备方法，采用二次分散混合法，包括如下步骤：
(1)先称取可再分散乳胶粉和50％重量份的水泥和50％重量份的水，混合均匀形成浆料后，将硅气凝胶和玻化微珠通过第一次搅拌使其均匀分散在所述浆料中得到母料；
(2)将步骤(1)的母料陈化24h，加入粉煤灰、抗裂纤维、甲基纤维素醚和剩余的水泥、水，形成水泥浆，加入聚羧酸减水剂使流动性达到要求，通过第二次搅拌后使所述母料和水泥浆混合均匀，得到一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆；
所述气凝胶-玻化微珠复合砂浆包括如下重量份的组分：水泥260～440，粉煤灰52～90，可再分散乳胶粉6～12，抗裂纤维0.8～1.6，甲基纤维素醚1.8～3.2，水125～210，聚羧酸减水剂14～16；还包括保温复合骨料，所述保温复合骨料占所述复合砂浆总体积的50％～70％；所述保温复合骨料由硅气凝胶和玻化微珠组成，所述硅气凝胶占所述保温复合骨料总体积的32％-38％，其余为玻化微珠。
在母料制备阶段，水泥和乳胶粉溶于水形成胶液，可将各个骨料硅气凝胶、玻化微珠颗粒均匀分散，并牢牢地被固定在砂浆内部，随后用余下部分组分组成的水泥浆将母料进行包裹，尽可能减轻搅拌对硅气凝胶、玻化微珠这两者骨料造成的破损。
进一步地，所述第一次搅拌的条件为手动搅拌或低于50转/min的机械搅拌；所述第二次搅拌的条件为在125转/min的机械搅拌下搅拌180s。
进一步地，所述保温复合骨料占所述复合砂浆总体积的60％，所述硅气凝胶占所述保温复合骨料总体积的35％。
进一步地，所述硅气凝胶粒径范围为0.5～4mm，密度为40～100kg/m3；所述的玻化微珠粒径范围为0.5～1.5mm。作为保温骨料之一的硅气凝胶密度极低，在40～100kg/m3范围内，能够减轻建筑荷载；同时对硅气凝胶颗粒的粒径和玻化微珠的粒径都做了筛分控制，使充当骨料的这两种材料间可以达到一个良好的级配，拌制砂浆具有较好的和易性，易于施工操作。
进一步地，所述可再分散乳胶粉为聚乙烯醇胶粉；所述的抗裂纤维为聚丙烯纤维，其长度为5～12mm；所述的甲基纤维素醚为甲基羟乙基纤维素醚。可再分散乳胶粉能增强砂浆的柔韧性，提高砂浆的内聚力和粘结性，此外，在与砂浆进行拌和时，由于乳胶粉颗粒溶于水后形成乳胶液，在颗粒间存在润滑效应，使得各种颗粒可以在水泥浆体中均匀分散，改善砂浆工作性。
进一步地，所述聚羧酸减水剂的用量以使所述砂浆的维勃稠度达到70～85mm的流动性。所述复合砂浆最终用于建筑外墙，稠度反映了砂浆的和易性，施工中进行涂抹砂浆，如果砂浆稠度低则流动性差，施工过程中根本无法将其在墙上均匀推抹开，导致施工性能较差。
有益技术效果：本发明涉及一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆的制备方法，通过对硅气凝胶及玻化微珠的粒径进行筛分控制，使充当骨料的这两种材料间可以达到一个良好的级配，使所制得的复合砂浆保温性能优异，吸水率低，可克服传统保温砂浆开裂、空鼓问题。
采用本发明的二次分散混合法，通过将硅气凝胶和玻化微珠低速搅拌均匀分散在部分水泥、水和可再分散乳胶粉形成的浆料中得到母料，再将余下的组分与母料混合，得到所述复合砂浆，本发明方法可以使硅气凝胶和玻化微珠在砂浆内部合理分布，并形成无数细小又致密的空隙、孔洞，有利于导热系数的降低，提高整个墙体的保温功效，同时，硅气凝胶和玻化微珠在砂浆体系内保存完整，不会被传统制备砂浆工艺破坏，硅气凝胶可充分发挥其纳米级孔隙的优异绝热性能，限制了气体的热传导并基本控制了对流的产生，又进一步保障了砂浆的保温性能。本发明方法还克服了传统方法制备过程中气凝胶和玻化微珠由于极轻会“上浮”的问题，使轻骨料始终均匀的分散并固结于砂浆体系中，进而使砂浆拌合物的均匀性得到保障，满足规范中砂浆的和易性和施工性的要求。
附图说明
图1为本发明实施例2制得的保温砂浆放大500倍的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步描述本发明，但不限制本发明范围。
实施例1
一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆，包括如下组分：
水泥435.08g，粉煤灰87.02g，聚乙烯醇胶粉10.44g，聚丙烯纤维1.57g，甲基羟乙基纤维素醚3.13g，水208.84g，聚羧酸减水剂15.67g；
还包括保温复合骨料，所述保温复合骨料占所述复合砂浆总体积的50％；所述保温复合骨料由硅气凝胶和玻化微珠组成，所述硅气凝胶占所述保温复合骨料总体积的35％，硅气凝胶用量134mL，玻化微珠占所述保温复合骨料总体积的65％，玻化微珠用量250mL。
实施例2
一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆，包括如下组分：
水泥384.06g，粉煤灰69.61g，聚乙烯醇胶粉8.35g，聚丙烯纤维1.25g，甲基羟乙基纤维素醚2.51g，水167.07g，聚羧酸减水剂12.53g；
还包括保温复合骨料，所述保温复合骨料占所述复合砂浆总体积的60％；所述保温复合骨料由硅气凝胶和玻化微珠组成，所述硅气凝胶占所述保温复合骨料总体积的35％，硅气凝胶用量161mL，玻化微珠占所述保温复合骨料总体积的65％，玻化微珠用量300mL。
该硅气凝胶比例的堆积密度和颗粒级配见表3，空隙率见表4。
实施例3
一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆，包括如下组分：
水泥261.04g，粉煤灰52.21g，聚乙烯醇胶粉6.27g，聚丙烯纤维0.94g，甲基羟乙基纤维素醚1.88g，水125.3g，聚羧酸减水剂14.1g；
还包括保温复合骨料，所述保温复合骨料占所述复合砂浆总体积的70％；所述保温复合骨料由硅气凝胶和玻化微珠组成，所述硅气凝胶占所述保温复合骨料总体积的35％，硅气凝胶用量188mL，玻化微珠占所述保温复合骨料总体积的65％，玻化微珠用量350mL。
实施例4
一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆，包括如下组分：
水泥384.06g，粉煤灰69.61g，聚乙烯醇胶粉8.35g，聚丙烯纤维1.25g，甲基羟乙基纤维素醚2.51g，水167.07g，聚羧酸减水剂12.53g；
还包括保温复合骨料，所述保温复合骨料占所述复合砂浆总体积的60％；所述保温复合骨料由硅气凝胶和玻化微珠组成，所述硅气凝胶占所述保温复合骨料总体积的32％，硅气凝胶用量147mL，玻化微珠占所述保温复合骨料总体积的68％，玻化微珠用量314mL。
实施例5
一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆，包括如下组分：
水泥384.06g，粉煤灰69.61g，聚乙烯醇胶粉8.35g，聚丙烯纤维1.25g，甲基羟乙基纤维素醚2.51g，水167.07g，聚羧酸减水剂14.62g；
还包括保温复合骨料，所述保温复合骨料占所述复合砂浆总体积的60％；所述保温复合骨料由硅气凝胶和玻化微珠组成，所述硅气凝胶占所述保温复合骨料总体积的38％，硅气凝胶用量175mL，玻化微珠占所述保温复合骨料总体积的62％，玻化微珠用量286mL。
实施例1～实施例5的组成及用量见表1。
表1实施例1～实施例5的组成及用量
(注：以上实施例计算时按照保温复合骨料占复合砂浆总体积的比例为50％、60％和70％，各原材料之间还具有如下重量关系：水占粉煤灰和水泥总重量的40％，聚羧酸减水剂占粉煤灰和水泥总重量的3％，聚乙烯醇胶粉占粉煤灰和水泥总重量的2％，聚丙烯纤维占粉煤灰和水泥总重量的0.3％，甲基羟乙基纤维素醚占粉煤灰和水泥总重量的0.6％，粉煤灰占水泥重量的20％。)
以上实施例的一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆的制备方法，采用二次分散混合法，具体步骤如下：
(1)先称取可再分散乳胶粉(聚乙烯醇胶粉)和50％重量份的水泥和50％重量份的水，混合均匀形成浆料后，将硅气凝胶和玻化微珠通过手工搅拌使其均匀分散在所述浆料中得到母料；
(2)将母料陈化24h，加入粉煤灰、抗裂纤维、甲基纤维素醚和剩余的水泥、水形成水泥浆，加入聚羧酸减水剂使所述水泥浆的维勃稠度达到80～90mm的流动性，通过125转/min机械搅拌180s后使所述母料和水泥浆混合均匀，得到一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆。
其中机械搅拌的机器型号为NJ-160A型水泥净浆搅拌机。
观察实施例2所制得的复合砂浆在扫描电子显微镜下放大500倍的形貌，如图1所示，从图1中能清晰的看到空隙、孔洞，以及能观察到胶粉溶于水后形成的片状胶膜，图中以圆形圈出的小颗粒是硅气凝胶，以方形框出的较大颗粒是玻化微珠，可见两者经过本发明的二次分散混合法能够较为完整的保存下来。
对比例1
本对比例讨论硅气凝胶占不同比例总体积的保温复合骨料对空隙率的影响，硅气凝胶占保温复合骨料总体积的0％、20％、30％、40％、50％，对应玻化微珠占比100％、80％、70％、60％、50％时，样品标号为0#、1#、2#、3#、4#。硅气凝胶和玻化微珠颗粒级配的累计筛余率见表2，不同体积比例的硅气凝胶其堆积密度及颗粒级配见表3，不同比例硅气凝胶和玻化微珠复配的空隙率见表4。
堆积密度和表观密度按照JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》测试。
空隙率按照公式：计算，式中：P为孔隙率，ρ为堆积密度(kg/m3)，ρa为表观密度(kg/m3)。
表2硅气凝胶和玻化微珠颗粒级配的累计筛余率
表3不同体积比例的硅气凝胶其堆积密度及颗粒级配
市面上的玻化微珠颗粒存在着粒径范围分布较窄的问题，如表2所示，样品中大约80％的玻化微珠颗粒粒径集中在0.3mm～0.6mm的区间范围内。无法满足良好的颗粒级配，也凸显了玻化微珠作为单一保温骨料的弊端。相比而言，硅气凝胶颗粒的粒径范围跨度就显得比较大。而且硅气凝胶在0～0.3mm区间范围内较大部分为硅气凝胶粉体，颗粒极其细密且体积量大。在进行两种保温骨料混合时，这些细密的硅气凝胶粉体可以将颗粒间的已经极小的空隙再进行进一步填充，从而形成更为致密的孔洞。如表3所示，两种骨料复合后，级配范围跨度变大、颗粒级配更合理。
表4不同体积比例硅气凝胶和玻化微珠复配的空隙率
实施例1～3中当硅气凝胶占保温复合骨料总体积比达到35％时，保温复合骨料的空隙率最小为19.8％。保温复合骨料的低空隙率的意义在于保证良好的颗粒级配，在保证和易性的前提下减少砂浆中水泥的用量，降低砂浆的导热系数。因此，硅气凝胶占复合骨料比例为35％，玻化微珠占复合骨料比例为65％时，复配得到的砂浆具有最有颗粒级配最小空隙率。
对比例2
本对比例的复合砂浆制备方法与本发明不同，采用传统的制备方法，传统的制备方法叫直接分散混合法。直接分散混合是目前建筑施工中最广泛采取的方法，简便快捷，即将拌合物中各配料一次性混合搅拌。具体的操作方式为：按实施例2设计的配合比，将所有的组分倒入搅拌锅中搅拌，搅拌均匀后得到传统制法的复合砂浆。
将实施例1～5以及对比例2得到的复合砂浆倒入试模，制成试块，自然养护后测试性能，性能数据见表5。
导热系数按照GB/T 10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》，采用瞬态热线法进行测试；抗压强度、软化系数按照GB/T 20473-2006《建筑保温砂浆》进行测试；稠度、密度、粘结强度、吸水率按照JGJ 70-2009《建筑砂浆基本性能实验方法》进行测试。
表5施例1～5的性能数据
将实施例2与对比例2对比，传统方法制备得到的复合砂浆密度大、导热系数高。因为气凝胶和玻化微珠的脆性大、力学性能较差，当采用直接分散法进行砂浆制备时，气凝胶与玻化微珠不可避免地遭到挤压而破碎，大部分被打碎、粉化，直接使得砂浆的密实度增加，进而导致砂浆的导热系数偏高，保温隔热性能下降，这对于保温材料而言是最为严重的损失。而本发明采用的二次分散法在很大程度上保护了气凝胶和玻化微珠的完整性，制得了保温性能优异的砂浆。同时，得益于气凝胶颗粒的完整保存，气凝胶可充分发挥其憎水性的优势，使砂浆的吸水率降低、软化系数提高，有效解决传统保温砂浆在潮湿环境下吸水、空鼓和开裂等问题。最后，二次分散法克服了传统方法制备过程中气凝胶和玻化微珠由于极轻会“上浮”的问题，使轻骨料始终均匀的分散并固结于砂浆体系中，进而使砂浆拌合物的均匀性得到保障，满足规范中砂浆的和易性和施工性的要求。
本发明的保温砂浆吸水率低，耐水性能好，可克服保温砂浆开裂、空鼓等问题；还具有良好的粘结强度、和易性及施工性，易于掌控施工厚度；容重轻，导热系数低，保温隔热性能优异。
Claims (5)
1.一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆的制备方法，其特征在于，所述制备方法为二次分散混合法，包括如下步骤：
(1)先称取可再分散乳胶粉和50％重量份的水泥和50％重量份的水，混合均匀形成浆料后，将硅气凝胶和玻化微珠通过第一次搅拌使其均匀分散在所述浆料中得到母料；
(2)将步骤(1)的母料陈化24h，加入粉煤灰、抗裂纤维、甲基纤维素醚和剩余的水泥、水，形成水泥浆，加入聚羧酸减水剂使流动性达到要求，通过第二次搅拌后使所述母料和水泥浆混合均匀，得到一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆；
所述气凝胶-玻化微珠复合砂浆包括如下重量份的组分：水泥260～440，粉煤灰52～90，可再分散乳胶粉6～12，抗裂纤维0.8～1.6，甲基纤维素醚1.8～3.2，水125～210，聚羧酸减水剂14～16；还包括保温复合骨料，所述保温复合骨料占所述复合砂浆总体积的50％～70％；所述保温复合骨料由硅气凝胶和玻化微珠组成，所述硅气凝胶占所述保温复合骨料总体积的32％-38％，其余为玻化微珠；
所述硅气凝胶粒径范围为0.5～4mm，密度为40～100kg/m3；所述的玻化微珠粒径范围为0.5～1.5mm。
2.根据权利要求1所述的一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆的制备方法，其特征在于，所述第一次搅拌的条件为手动搅拌或低于50转/min的机械搅拌；所述第二次搅拌的条件为在125转/min的机械搅拌下搅拌180s。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆的制备方法，其特征在于，所述保温复合骨料占所述复合砂浆总体积的60％，所述硅气凝胶占所述保温复合骨料总体积的35％。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆的制备方法，其特征在于，所述可再分散乳胶粉为聚乙烯醇胶粉；所述的抗裂纤维为聚丙烯纤维，其长度为5～12mm；所述的甲基纤维素醚为甲基羟乙基纤维素醚。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于外墙保温的气凝胶-玻化微珠复合砂浆的制备方法，其特征在于，所述聚羧酸减水剂的用量以使所述砂浆的维勃稠度达到70～85mm的流动性。
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