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1 概述
我们在建筑外墙外保温系统中选择使用膨润土, 基于以下几个方面考虑。
①膨润土的化学成份和化学结构:膨润土( Bentonite) 又称斑脱岩、膨土岩等, 是以蒙脱石为主要成分的粘土岩- 蒙脱石粘土岩。蒙脱石( Montmorillonite) 亦称微晶高岭石或胶岭石, 是含少量碱及碱土金属的含水铝硅酸盐矿物, 其化学通式为: Nax(H2O)4{( Al2- xMgX) [Si4O10](OH)2}蒙脱石是三层结构硅酸盐矿物, 每个晶层的两端都是硅氧四面体层, 中间夹着一个铝氧八面体。八面体层中的Al3+ 常被Mg2+、Fe3+、Zn2+、Li+ 等置换, 这样使晶格中电价不平衡, 促使晶层之间吸附阳离子, 如Ca2+、Na+ 等。由于吸附离子, 晶层之间的距离增加, 更易吸收水分子而膨胀, 这些离子被置换时, 又增强了蒙脱石的阳离子交换能力, 蒙脱石是一种含水的层状铝硅酸矿物。晶体结构特点是二层硅氧四面体晶片与其间的铝氧八面体晶片相结合形成晶层, 构成2: 1 型结构。晶层具有水分子和可交换性阳离子。八面体空隙中的阳离子为Al3+ 离子, 剩下两个空位, 为二八面体型。蒙脱石晶体化学特点是类质同象种类多,使之化学成分复杂, 变化大。八面体空隙中的Al3+ 常被低价的Mg2+、Fe2+ 置换; 四面体空隙中的Si4+ 被Al3+ 置换, 由于低价阳离子替代高价阳离子, 使结构层产生多余的负电价。为了保持电中性, 在结构层之间, 除水分子外, 存在较大半径的阳离子Na1+、Ca2+、Mg2+ 等。这些阳离子是可交换的, 使蒙脱石族矿物具有离子交换性、吸水性、膨胀性、触变性、粘结性、吸附性等一系列很有价值的特性。
②原料来源: 膨润土资源非常丰富, 分布甚广。世界膨润土总储量约为25×108t。钙基膨润土约占70%~80%, 钠基膨润土储量不足5×108t。而我国膨润土90%为钙基膨润土。膨润土矿产遍布全国23 个省, 大型矿床20 多个。大多数矿床集中在东北三省及东部沿海各省, 以及新疆、四川、甘肃、河南、广西等省。主要矿区有: 辽宁黑山矿、浙江临安矿、浙江仇山矿、四川三台、安徽繁昌、甘肃酒泉、吉林双阳、福建连城、吉林九台、山东潍县涌泉、河南信阳、河北张家口和宣化、新疆托克逊矿等。
③改善建筑外墙外保温系统性能: 利用膨润土的粘结性, 在外墙外保温系统中加入一定量的膨润土可减少粘结材料的用量,降低系统成本;利用膨润土的触变性、粘滞性, 可改善系统浆料的和易性、可塑性, 降低系统中保水剂、外加剂的用量, 降低部分成本; 利用膨润土的吸水性、膨胀性, 可提高系统的防水性、保温性;利用膨润土的离子交换性, 可对膨润土进行改性。最常用的膨润土是钠基膨润土、钙基膨润土和有机膨润土。钠离子在水中容易分散, 钠离子半径大, 电荷低, 在水中更易分散且分散层数多, 钙基土则相反, 钙基土的膨胀速度虽然快, 但是其膨胀的倍数比钠基土低, 因此钠基土在建筑上使用有更多的优越性。另外, 膨润土经长碳链季铵盐有机阳离子( HDTMA) , 层间的金属阳离子变成HDTMA 阳离子, 亲油性一端被置换后, 膨润土由原来的亲水性变为疏水亲油性, 增加浆料的防水效果。
④膨润土本身无毒无害: 膨润土是绿色环保矿物质, 加入到建筑外墙外保温系统后不会对人体和环境造成任何不良影响。
⑤成本低廉: 膨润土市场售价相对其他化工产品价格低,掺量为每立方几十公斤,在整个系统中成本增加很少,而性能又有显著的改善,因此在外墙外保温体系中有很好的使用价值。
试验中我们主要研究的是如何合理、有效地在外墙外保温系统中使用膨润土,使用后会达到什么样的效果。
2 试验研究
2.1 试验材料
①膨润土: 建筑上常用的膨润土有钠基膨润土、钙基膨润土或长碳链季铵盐改性膨润土。我们选择长碳链季铵盐改性钠基膨润土, 原料产自四川仁寿。
②水泥: 采用42.5 级普通硅酸盐水泥, 应符合GB175- 1999的要求, 对其凝结时间进行复检。
③胶粉: 乙烯- 醋酸乙烯( EVA) 胶粉。
④EPS 颗粒: 采用堆积密度8.0～21.0 kg/m3、粒度( 5mm 筛孔筛余) 不大于5%的聚苯颗粒。
⑤砂: 采用中砂应符合GB/14684Ⅱ类砂的规定细度模数2.0～3.0 筛余,含泥量小于3%,泥块含量小于1%。
⑥粉煤灰: 满足GB1596- 2005 标准的要求。
⑦添加剂组成: 长碳链季铵盐聚丙烯酰胺。
⑧水:应符合JGJ63 的规定的要求。
⑨增强材料: 包括耐碱玻璃纤维网格布。耐碱玻璃纤维网格布的主要性能指标除符合JC/T841- 1999的规定外, 还应符合《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》( JG158- 2004)中对耐碱玻璃纤维网格布的要求。
⑩饰面层材料: 饰面层可选用外墙涂料及配套材料。
2.2 膨润土改性
2.2.1 钠化处理试验及结果分析
配制3% ~5% 的膨润土水溶液: 3g~5g 的膨润土放入95g~97g 的蒸馏水中搅拌均匀, 静置0.5h, 加入膨润土重量的3%~10%Na2CO3 进行钠化改性, 改性后按JC/T 593- 1995 标准测试其性能, 结果如表1 所示。
从表1 中可看出钠化后膨润土其主要性能都有所改善,特别是反映膨润土粘结性、吸水性、膨胀性, 并使触变性能的干湿压强度、热湿拉强度、膨胀倍数分别增加120% 、120% 、200%左右。
2.2.2 聚丙烯酰胺改性膨润土及结果分析
称取一定量的聚丙烯酰胺、膨润土、水, 混合均匀, 加热至180~200℃, 反应2h~3h, 按JC/T 593- 1995 标准测试其性能, 结果见表2。
从表2 可看出膨润土经聚丙烯酰胺改性后, 其吸水性、膨胀性、触变性能及强度有了进一步改善。这些性能的改善, 使得其应用到外墙外保温系统中后, 胶粉料和聚苯颗粒保温胶浆的和易性、拉伸粘结强度得到改善。
2.3 聚丙烯酰胺改性后膨润土在外墙外保温系统中应用试验
2.3.1 聚丙烯酰胺改性后膨润土用于胶粉料的试验
在水泥、粉煤灰、胶粉、纤维素醚、填料外加剂不变的情况下, 胶粉料中掺入不同量的改性膨润土其性能试验如表3。
从表3 中可看出: 改性膨润土加到胶粉料中后, 拉伸粘结性明显提高, 但掺量在3%~4%为佳。
2.3.2 掺改性膨润土部分取代胶粉后胶粉料性能试验
聚苯颗粒保温胶浆中加入0.3%~1.0%聚丙烯酰胺改性膨润土,胶粉用量减少0.2～0.8% , 取一最佳配方后,性能测试如表4。
通过试验,每吨胶粉料中胶粉用量降低5kg,其质量不会降低,满足国家标准要求,而成本可降低150 元~200 元。
2.3.3 聚苯颗粒保温胶浆的配比确定
经试验研究确定聚苯颗粒保温胶浆的配方如表5。
注:表中C 为水泥用量.
2.3.4 聚苯颗粒保温胶浆的性能
按《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》( JG158- 2004) 胶粉料的性能检测结果见表6 的要求。
3 使用聚丙烯酰胺改性膨润土后外墙外保温系统的性能
使用聚丙烯酰胺改性膨润土后胶粉聚苯颗粒保温系统的性能按JG158- 2004 试验结果见表7。
4 结论
①天然钠基膨润土进行有机化改性, 通过试验, 确定了改性膨润土的参考配比。
②改性膨润土用于外墙外保温系统不仅可提高外墙外保温系统各层之间粘结性、相容性, 还可提高系统的防水性、保温性。
③外墙外保温系统中加入改性膨润土, 在保证质量的情况下, 系统成本可降低15%～20%。
