无泛碱高耐火硅彩泥的研究与应用

1 概述

目前，市场上常用的外墙装饰材料有：瓷砖、涂料、无机饰面材料（如饰面砂浆等）。受制于瓷砖本身的性质（自重、尺寸、吸水率、透气率等），外墙粘贴瓷砖较易出现粘结失效而造成瓷砖空鼓甚至脱落。目前，已有部分城市出台法令限制在一定高度以上的外墙粘贴瓷砖。涂料的粘结强度特别是与无机墙体之间的粘结强度较低，起皮、脱落现象时有发生，而透气性不佳也导致涂料产品的鼓泡现象屡屡出现，有机颜料在紫外线照射下发生黄变也会使涂料产品的保色周期较短（5~10 年）。相比瓷砖和涂料，饰面砂浆在粘结安全性（无机材料之间的粘结力较高）、呼吸性（透气不透水）、颜色保持性（无机颜料理化性能稳定）、装饰性（不仅颜色多变、造型也可以多样化）等性能方面具有优势，而以无机材料为主的材料组成特点更使得饰面砂浆完全可以实现与建筑同寿命。三种外墙装饰材料的性能比较详见表 1。

表 1 不同外墙装饰材料的性能比较

但是，作为水泥基产品的一大顽疾，泛碱问题始终困扰和限制着饰面砂浆产品的应用。本文研究了通过多元胶凝材料体系设计、硬化体结构孔径设计等方法抑制泛碱的出现。此外，针对外墙防火问题，我们研究了在材料设计中合理引入具有优异防火特性的材料以提升产品的耐火性能。

2 抗泛碱性和耐火性研究

2.1 抗泛碱性研究

泛碱产生的机理是硅酸盐水泥水化后会产生大量的氢氧化钙，氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙和碳酸氢钙，以白色分散的点状或小的片状析出在硬化体结构表面，这是砂浆泛碱的主要机理。砂浆的泛碱可以分为初次泛碱和二次泛碱，初次泛碱一般在成型后一天内便可发生完毕；二次泛碱通常在施工较长时间后发生。

目前，抑制泛碱的主要技术手段是降低硅酸盐水泥的配方用量。例如，采用高铝水泥部分替代硅酸盐水泥，主要基于有两方面的原因：一、高铝水泥在水化时不产生 Ca(OH)₂，可大幅度降低 Ca²⁺的含量，从源头抑制了泛碱；二、高铝水泥水化，其液相中的 CaO 浓度较低，Al₂O₃ 浓度较高，铝酸盐矿物能充分通过溶解、扩散和析晶来完成水化。另外，钙矾石析晶时的过饱和度较小，水化生成的钙矾石晶体能均匀分散于整个充水空间，而另一水化产物铝胶又具有自密实作用。因此，以高铝水泥作为主要胶凝材料的饰面砂浆硬化体孔隙率低、孔径小，Ca²⁺ 的迁移通道较少。然而，由于导致泛碱的碱性物质可能来源于墙体基层、饰面砂浆本身或外界环境，因此单纯依靠砂浆的胶凝材料设计以抑制和杜绝泛碱的做法似乎并不稳妥。

经过大量试验，本项目组研究出一种抗泛碱的饰面复合层，从内之外依次为第一饰面层、第二饰面层和第三疏水层，通过第一饰面层阻隔水分、第二饰面层阻断碱离子迁移的通道、第三疏水层阻隔外界水分的方式以实现多层次抗泛碱的效果。第一饰面层中采用硅酸盐水泥搭配憎水性胶粉，在提供足够强度的同时具备较好的柔韧性和憎水性。第二饰面层以普通硅酸盐水泥——高铝水泥——硬石膏按一定比例组成多元胶凝材料体系 ,通过反应生成以钙矾石为主的水化产物，同时消耗普通硅酸盐水泥水化产生的Ca(OH)₂,降低返碱发生的风险。此外，在第二饰面层中还掺加了纳米级的黏土矿物，降低硬化体结构的孔隙率，减少碱离子迁移的通道；掺入憎水性胶粉和无机憎水剂，极大地降低了材料的吸水量，使得材料具备良好的憎水功能；合理的聚灰比使材料柔韧性较好，抑制因温湿度交替变化和外应力作用而产生的开裂，并可承受墙体的细微裂缝。第三疏水层由有机硅憎水剂和硅丙乳液加水稀而组成，可形成嵌入硬化体表面一定深度的保护膜，发挥较为长效的疏水作用。本研究成果已申请发明专利——抗泛碱饰面砂浆复合层（公开号：CN107721310A）。图 1 为采用抗泛碱饰面复合层技术配制的新型无机饰面材料——硅彩泥批刮于室外耐候墙上的照片，由图 1 可见，采用抗泛碱饰面复合层技术有效抑制了泛碱。

图 1 硅彩泥的室外耐候情况

2.2 耐火性研究

目前，我国的外墙保温材料多为 EPS 板 ( 模塑聚苯板 )，其具有自重轻、体积稳定性好、保温性能优越、易粘结等诸多优点，但 EPS 板的耐火等级较低，一旦遇到高温，极易燃烧，对建筑物里的居民生命安全和财产安全造成严重威胁。因此，有必要针对外墙保温系统的配套材料进行耐火性能的研究。

经过多次试验，本项目组研究出耐火饰面复合层，通过在硅彩泥的三层材料中添加适量的具有优异耐火性的材料，使得硅彩泥获得较高的耐火性能。具体为在第一饰面层中添加低温煅烧石墨，利用石墨的高耐火性；在第二饰面层中添加白云母，因为白云母的耐火性能较为优越，有利于提升面层材料的耐火等级；在第三疏水层中添加纳米杂化树脂，该纳米杂化树脂添加了耐高温的纳米级的二氧化硅颗粒，可以很好地抵御高温的破坏性侵袭。本研究成果已申请发明专利——耐火饰面砂浆复合层 ( 公开号：CN108546039A)。图 2 为进行耐火性测试的照片，由图 2 可见，在经过高温喷枪的喷火试验后，硅彩泥依然具有较好的表面状况。