相变储能脱硫石膏保温砂浆的制备

相变储能脱硫石膏保温砂浆是一种替代粉刷石膏打底料的内墙抹面材料，涂层兼具找平层、保温、调温、微调湿功能，是一种环保节能型新产品，由复合胶结材料、轻集料、相变储能定型材料及多种外加剂组成。

引 言

外墙外保温产品，尽管其在建筑表面整体上起到了良好的保温效果，但是面临供热分户计量改革的推进，却无法从根本上保障每户居民的切身利益，也不利于实现65%的节能目标。在采暖季节，由于分户墙的热传导散热，那些分户墙面临楼梯间、走廊、空房或较低控温住户的居民，不得不提高供热量，以维持室内舒适温度。如果对分户墙采用相变储能保温砂浆进行内保温隔热，不仅冬季可减少室内热量向外传递，夏季可减少室外热量向室内传导，可有效地节省能耗，而且又可利用相变材料的相变潜热，对热能进行储存或释放，从而减少室内温度的波动，提高居住环境的舒适度，同时也能有效地利用能源。用于内墙保温砂浆的无机胶凝材料有水泥和建筑石膏。建筑石膏保温材料因具有黏结性能好、硬化快、强度高、干缩小、不开裂、不脱落、养护期短、施工快捷方便，可调节室内干湿度等优点，被广泛应用于内墙抹灰材料。脱硫石膏是热电厂烟气脱硫产生的副产品，到2010年末，全国火电厂烟气脱硫机组总容量为4 500万～5 000万kW，年产脱硫石膏超过1 000万t，将脱硫石膏通过干燥、煅烧、粉碎等工艺处理，制成半水石膏，即脱硫建筑石膏。脱硫建筑石膏与天然建筑石膏的化学组成基本相同，两者的标准稠度亦相近，初凝时间脱硫建筑石膏较短（3～5 min）,但2h强度及绝干强度都高于天然建筑石膏。充分开发利用脱硫石膏，不但可提高石膏制品的质量、降低生产成本，而且符合国家循环经济的产业政策，不仅能产生良好的环境效益，而且能创造可观的经济效益和社会效益。

 试 验

 

1.1 原材料的选择及其性能

相变储能脱硫石膏保温砂浆由复合胶结材料、轻集料、相变储能材料和外加剂4大部分组成，各部分的原料构成及主要性能如下:

 

1.1.1 复合胶结材料

复合胶结料由脱硫建筑石膏、普硅水泥、灰钙粉和可再分散胶粉组成，其中脱硫建筑石膏是主要无机胶结材料。其化学组成与天然建筑石膏大致相同，详见表1，技术指标见表2。

由表2可知，脱硫建筑石膏的各项技术指标均符合GB9776-88《建筑石膏》的要求，其中抗折强度、抗压强度超过优等品标准，因此完全可作为优良保温砂浆的主要胶结材料。

1.1.2 轻集料

轻集料由玻化微珠、膨胀珍珠岩和硅铝基空心微珠组成，三者的质量比为1∶0.4∶0.55，原材料的基本性能见表3。

 

将3种轻质空心结构材料按比例混配，可在保持轻集料有较低导热系数的前提下，降低吸水率，提高抗压强度。

1.1.3 相变储能材料

相变储能材料为十八烷蜡，熔点温度22 ℃，相变潜热为200 J/g。

1.1.4 外加剂

外加剂包括:保水剂羟丙甲基纤维素（黏度40 000～60 000 mPa·s）;聚丙烯短纤维（5～8 mm）;木质纤维（500～800 μm）;缓凝剂SC（动物蛋白类）;萘系减水剂UNF-5;引气剂十二烷基硫酸钠;有机硅憎水剂SEAL80;复合激发剂。
1.2 基本配方

相变储能脱硫建筑石膏保温砂浆的基本配方，见表4。

1.3 制备工艺

（1）定型相变材料的制备[4]:将膨胀珍珠岩加入水浴加热反应釜中，在温度为80 ℃，真空负压在0.5～0.6 MPa下，抽真空20 min，然后加入已熔融的十八烷蜡，继续抽真空，负压为0.9～1.0 MPa，保温30min，使十八烷蜡液完全被膨胀珍珠岩的开口孔隙吸附，卸料、冷却，制成定型相变材料。
（2）按配方称量，将原材料加入砂浆混合机内搅拌混合均匀即可包装，需要注意的是，易碎的玻化微珠和膨胀珍珠岩定型相变材料应最后加入，不易长时间搅拌。

1.4 性能测试

（1）常规性能指标测试方法按GB/T20473-2006《建筑保温砂浆》进行。

（2）吸水率测试按JGJ70-90中规定制备70.7mm×70.7 mm×70.7 mm试样2组，在自然条件养护7d，在（75±5） ℃条件下恒温烘干至恒重M0，连续2次称量之差小于0.1%，然后侵入水温为（20±5） ℃恒温水槽中，保持48 h取出试件，用湿布抹去表面水分，称重M1，计算吸水率X。

（3）调温控温效果测试:采用模拟试验方法，将不掺十八烷蜡的同配方保温砂浆（1#）对照和掺5%、7.5%、10%十八烷 蜡的3种保温砂浆（2#、3#、4#）分别批抹于室内同一分户墙面上，规格为2 m×2 m×2 mm，养护干燥后，关闭门窗，利用空调控制室内温度:16℃下保持6 h(第1时段)、22 ℃、25 ℃、28 ℃下各保持6 h(分别为第2、3、4时段)，然后再以同样的控温控时方法降温至16 ℃为一个循环，在每个时段的最后时刻测量每个试板的表面温度，通过同时段的表面温差值评价相变储能材料的调温控温效果，继而推算节能效率。

 

试验结果与分析

 

2.1 十八烷蜡对保温砂浆性能的影响

十八烷蜡是一种有机相变材料，其相变点可调、相变潜热高（200 J/g）、性能稳定、无毒无腐蚀性、价格便宜、无过冷或析出现象。在基本配方中其他因素不变的条件下，十八烷蜡掺量的变化对保温砂浆主要性能的影响，见表5。

 

由表5可知，随着十八烷蜡掺量的增加，保温砂浆的抗压强度、黏结强度、软化系数相应提高，而吸水率相应下降，导热系数小幅度上升。这是由于十八烷蜡具有一定的抗张强度、黏结性、柔韧性和防水密封性所致。当十八烷蜡用量较少时，由于膨胀珍珠岩的开口孔隙没有被十八烷蜡完全封闭，因而吸水率和导热系数相对较低，当开口孔隙完全被封闭甚至十八烷蜡过剩后，吸水率最低，但导热系数升高，抗压强度和黏结强度也有所下降。当十八烷蜡的掺量控制在7.5%～10%范围内时，能取得良好的效果。

2.2 十八烷蜡对保温砂浆调温效果的影响

在基本配方中其他因素不变的条件下，十八烷蜡的不同掺量对保温砂浆试验样板表面温度的影响，见表6。

 

由表6可见，当室内温度高于十八烷蜡的相变温度时（22 ℃），随着十八烷蜡掺量的增加，由于相变潜热总量的增加，吸收热量的增多而使样板表面温度下降;当室内温度低于22 ℃时，由于相变材料储能多、放热量大而使样板表面温度有所上升。当十八烷蜡掺量达到10%时，在室温28 ℃条件下，4#样板与1#样板相比，其表面最高温度（波峰温度）降低了4 ℃，而当室温降低到16 ℃时，二者的表面最低温度（波谷温度），4#比1#高2.8 ℃，峰谷之间的温差1#为11.8 ℃,4#为5 ℃，减少6.8 ℃。

相变材料的调温控温机理是:当相变储能保温砂浆应用于内墙时，在我国北方的夏秋季节，由于昼夜温差较大，白天太阳的辐射和对流传导热使室内温度上升，当室温高于相变材料的相变点时，相变材料由于相变而开始吸热，并将热能储存起来，从而减缓室温的上升速度、降低室内的波峰温度，减少空调耗电量;夜间在空调制冷或自然通风的条件下，当室温降低到相变材料的相变温度时，相变材料由于逆相变而开始放热，从而减缓室温的下降速度，并且波谷温度比对照略高，缩小了室内峰谷温差，提高了人体的舒适度。在冬季采暖季节，由于涂层具有保温和调控温双功能，可减少热量向外传导、减少室温的波动，尤其对于自采暖和分户计量供热的居民，可根据不同的温度需求自行调温和控温，节能效果显著。
2.3 复合胶结料的组成及用量对保温砂浆性能的影响

以脱硫建筑石膏为主，以碱性掺合料-水泥和灰钙粉为辅、以乳胶粉为改性黏结剂组成的有机-无机双黏体系复合胶结料，当其配合比为:m（脱硫建筑石膏）∶m（水泥）∶m（灰钙）∶m（乳胶粉）=88∶5∶4∶3时，其在保温砂浆体积（m3）中的用量（kg）对主要性能的影响见表7。

 

由表7可知，在每立方米保温砂浆中，随着复合胶结料用量的提高，保温砂浆的抗压强度、黏结强度、干密度和导热系数相应提高，吸水率逐渐降低，当复合胶结料为140 kg时，其抗压强度、黏结强度太低，而吸水率偏高，当用量超过180 kg时，虽然抗压强度和黏结强度偏高、吸水率较低，但导热系数偏高，保温效果不良，当用量控制在160～180 kg范围内时，综合性能较佳。

2.4 外加剂对保温砂浆性能影响

2.4.1 缓凝剂的影响

脱硫建筑石膏与水泥相比，其初凝和终凝时间短得多，不利于抹灰操作。只有将脱硫建筑石膏的初凝时间调节到≥60 min、终凝时间达到2～3 h时，才能满足施工要求，常用缓凝剂调节石膏的凝结时间。一般缓凝剂如柠檬酸、多聚磷酸盐等的加入会不同程度地降低石膏强度，且随加入量的增多强度损失越大，试验结果证明，动物蛋白类缓凝剂（SC）的缓凝效果较好，当掺量变化时其缓凝时间变化平稳，不会发生突变现象，且对石膏强度的影响较小，SC适宜的添加量为0.2%～0.3%。

2.4.2 保水剂的影响

由于脱硫建筑石膏保温砂浆中掺入了缓凝剂，抑制了半水石膏的水化过程，保温砂浆在墙体上需要保持1～2 h不凝结，而墙体大多吸水性强，特别是加气混凝土墙、多孔保温砌块墙等吸水性较强，如果保温砂浆的保水性太低，会造成浆料中的水分过快地转移到墙体上，使界面黏结不牢。因此，掺入保水剂可保持石膏浆体中所含的水分，保证界面处石膏浆体的水化反应，从而保证黏结强度。试验证明，羟丙甲基纤维素适宜作脱硫建筑石膏保温砂浆的保水剂，其掺量超过0.2%时，虽然保水率上升，但强度下降明显，因此以0.2%为宜。

2.4.3 复合激发剂的影响

复合激发剂中含有早强成分，复合激发剂的加入可大大促进脱硫石膏早期的水化速度，使水化硅酸钙C—S—H凝胶含量增加，同时也增加Ca(OH)2的含量，促进了脱硫石膏的反应。随着水化反应的进一步进行，纤维状C—S—H和针状Aft明显增加，石膏晶体与表面水化产物接触连接而黏结在一起，有助于强度的增长。复合激发剂掺量对保温砂浆抗压强度的影响见表8。

 

由表8可知，在试验条件下，当复合激发剂掺量为2%时，保温砂浆的抗压强度最高。

2.4.4 减水剂和憎水剂的影响

减水剂的加入可减少保温砂浆的拌合用水量，提高保温砂浆的软化系数、流动度，降低坍落度和线收缩率;憎水剂的加入是为了提高保温砂浆的耐水性。保温砂浆一个明显的缺点就是吸水率过大，这样即使导热系数很低，一接触到水就会吸收大量的水，保温效果也就丧失，而且往往干密度越低，体积吸水率越大。掺加0.2%的粉状有机硅憎水剂，可使保温砂浆的体积吸水率由26%降低到10%以下，符合DGJ32/J22-2006标准中低于10%的要求。

2.4.5 纤维的影响

聚丙烯纤维和木质纤维长短搭配，可以在保温砂浆中形成三维结构，具有显著的交联作用，能够将水锁住，并有增稠作用。纤维的加入改善了保温砂浆的力学性能，提高了抗压强度、拉拔强度、内聚力和抗裂性能，同时也提高了封闭孔隙率，对降低保温砂浆的导热系数、提高保温效果有一定贡献。
2.5 性能指标

相变储能脱硫石膏保温砂浆的性能指标，见表9。

 

 

结 语

相变储能脱硫石膏保温砂浆，是一种替代粉刷石膏打底料的内墙抹面材料，涂层兼具找平层、保温、调温、微调湿功能，是一种环保节能型新产品。由复合胶结材料、轻集料、相变储能材料、外加剂组成。

（1）复合胶结剂的组成:m（脱硫建筑石膏）∶m（水泥）∶m（灰钙）∶m（乳胶粉）=88∶5∶4∶3。

（2）轻集料的组成：m(玻化微珠)∶m(膨胀珍珠岩) ∶m(空心微珠)=1∶0.4∶0.55。

（3）定型相变材料组成：m（十八烷蜡）∶m（膨胀珍珠岩）=1∶1,在 80 ℃温度、负压条件下吸附而成。

（4）外加剂由保水剂、缓凝剂、减水剂、复合激发剂、憎水剂及纤维等组成。

（5）制备的相变储能保温砂浆，强度高、吸水率低、导热系数小、调温控温性优良、节能效果明显。