新型墻體保溫砂漿的組成設(shè)計與性能研究

呂良宇 劉 偉 褚金鑫

中國建筑第二工程局有限公司 重慶 471000

目前，國內(nèi)建筑工程墻體保溫砂漿應(yīng)用較多的為珍珠巖保溫砂漿和EPS（可發(fā)性聚苯乙烯）保溫砂漿，但這2種保溫砂漿在應(yīng)用過程中都存在一定的性能缺陷。普通珍珠巖保溫砂漿存在脆性大、易開裂、易空鼓以及抗凍性能差等缺陷[1-3]。普通EPS保溫砂漿存在易空鼓、耐久性能差等問題，而且EPS顆粒本身具有很強的“憎水性”，容易導(dǎo)致集料和漿體之間不親和，從而致使EPS保溫砂漿離析現(xiàn)象嚴(yán)重，這些問題已嚴(yán)重影響了建筑墻體的使用性能[4-5]。目前，實際工程中多采用墻體硬質(zhì)保溫制品內(nèi)貼、外貼保溫板材以及合成高分子卷材等來解決墻體防水保溫問題，這些新材料及新方法在一定程度上提高了墻體的使用性能，但在應(yīng)用過程中存在一定的局限性，往往致使施工過程繁瑣，施工工期長，經(jīng)濟效益低[6-8]。

因此，對新型珍珠巖保溫砂漿進行研究，改善傳統(tǒng)墻體保溫砂漿的性能缺陷，符合我國節(jié)能環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的理念，對于提高我國墻體保溫材料的使用性能與經(jīng)濟性能具有重要意義。

1 新型珍珠巖保溫砂漿組成設(shè)計

墻體保溫砂漿由于材料成分復(fù)雜，其物理力學(xué)性能也不同，影響因素較多。本文采取正交試驗方法，對砂漿的水灰比、各影響因素的摻量進行確定。

1.1 原材料摻量

1）水灰比。由于珍珠巖具有很強的吸水性，因此，其水灰比比其他砂漿水灰比要高出很多。在珍珠巖摻量（珍珠巖和水泥的質(zhì)量比）為35%時，對珍珠巖砂漿的水灰比進行試驗，結(jié)果如表1所示。珍珠巖保溫砂漿的水灰比取0.90。

表1 水灰比對稠度的影響

2）橡膠粉摻量。在水灰比為0.90時，改變橡膠粉的摻量，觀察試塊成形質(zhì)量。試驗結(jié)果如表2所示。

3）丁苯乳液摻量。在橡膠粉摻量為8%，確定水灰比為0.90的配比下，其丁苯乳液摻量對砂漿的影響如表3所示。

4）有機纖維摻量。在橡膠粉摻量為8%，丁苯乳液摻量10%，水灰比為0.90的配比下，砂漿稠度受聚酯纖維摻量的影響如表4所示。由表4可知，聚酯纖維摻量越高，砂漿稠度越低，主要原因是纖維的摻量加大后，成團現(xiàn)象明顯，結(jié)成團的纖維會阻止試錐的沉入。纖維的最大摻量為0.15%。

表2 橡膠粉摻量對試塊成形的影響

表3 丁苯乳液摻量對砂漿稠度的影響

表4 有機纖維摻量對砂漿稠度影響

1.2 正交試驗設(shè)計

正交設(shè)計時，橡膠粉摻量為0～18%，聚合物摻量為0～15%，聚酯纖維摻量為0～0.15%，珍珠巖摻量為30%～45%。正交試驗情況如表5所示。

表5 正交試驗

1.3 試驗結(jié)果與分析

通過對新型珍珠巖保溫砂漿進行正交試驗，得到其稠度、稠度保留率、干密度、抗壓強度、折壓比、軟化系數(shù)、質(zhì)量損失率、強度損失率以及導(dǎo)熱系數(shù)，如圖1～圖5所示。

圖1 砂漿稠度和稠度保留率試驗結(jié)果

圖2 砂漿抗壓強度和黏結(jié)強度試驗結(jié)果

圖3 砂漿強度損失和質(zhì)量損失試驗結(jié)果

圖4 砂漿折壓比和軟化系數(shù)試驗結(jié)果

圖5 砂漿干密度和導(dǎo)熱系數(shù)試驗結(jié)果

1.3.1 珍珠巖摻量對砂漿性能影響

根據(jù)試驗結(jié)果，珍珠巖摻量對稠度、稠度保留率、抗壓強度、軟化系數(shù)、拉伸黏結(jié)強度影響較大。保溫砂漿的稠度、抗壓強度、拉伸黏結(jié)強度隨著珍珠巖摻量增加逐漸減小，砂漿質(zhì)量損失率和軟化系數(shù)隨著珍珠巖摻量增加而增大。

這是由于珍珠巖松散多孔、吸水性很強，砂漿攪拌時間越長珍珠巖顆粒破碎現(xiàn)象越嚴(yán)重，破碎的珍珠巖顆粒起不到骨架的作用，并且珍珠巖會遇水膨脹，破壞試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而引起保溫砂漿的稠度和強度降低。同時，隨著珍珠巖摻量的增大，當(dāng)水泥含量不變時，單位體積的水泥量減少，導(dǎo)致砂漿骨料之間的膠結(jié)料不足，砂漿孔隙率增大，使其強度降低。因此，珍珠巖摻量對保溫砂漿的強度、稠度和質(zhì)量損失率的影響較其他性能大。

1.3.2 丁苯乳液摻量對砂漿性能影響

根據(jù)試驗結(jié)果，保溫砂漿中丁苯乳液摻量對稠度、稠度保留率、干密度、折壓比、抗壓強度、拉伸黏結(jié)強度影響較大。丁苯乳液摻量的越大，其稠度明顯增大，脆性越低，干密度越大，強度越大。摻入丁苯乳液的保溫砂漿稠度比未添加時最大增加2.1 cm，主要是由于丁苯顆粒較小，填充在水泥顆粒之間，起到填充作用，因顆粒的“滾珠效應(yīng)”，減少了水泥顆粒間的摩擦作用，再加上乳液表面活性劑的影響，導(dǎo)致水泥顆粒分散，減少顆粒的表面張力，其減水效果大大增強，而丁苯乳液保水作用較強，能夠充當(dāng)減水劑的作用，在砂漿攪拌過程中，丁苯乳液摻量越大，攪拌成形時間越短，能夠有效地改善砂漿漿體的和易性和黏結(jié)性，其在砂漿漿體中起到了“膠水”的作用，提高其黏結(jié)強度。丁苯乳液和聚合物的復(fù)合作用又可以減緩或阻止砂漿內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生。

1.3.3 橡膠粉摻量對砂漿性能影響

由試驗結(jié)果可知，橡膠粉摻量對折壓比、抗壓強度、質(zhì)量損失影響較大。保溫砂漿的抗壓強度、抗折強度隨著橡膠粉含量的增大逐漸降低，尤其是抗壓強度下降較明顯，主要是由于橡膠粉親水性弱（或惰性），表面相容性差，界面結(jié)合力弱，使其與水泥砂漿間的膠結(jié)不牢固，砂漿呈現(xiàn)出相分離的狀態(tài)。

保溫砂漿中橡膠粉摻量越高，其單位體積的水泥漿體含量減少，砂漿硬化后，由于橡膠粉的彈性模量較水泥砂漿要小得多，故砂漿的抗壓強度下降較為明顯，而抗折強度降低趨勢較抗壓強度緩，所以其折壓比逐漸增大，脆性降低。對于因摻入橡膠粉而導(dǎo)致的保溫砂漿強度降低，可通過摻加聚合物改善橡膠粉的表面惰性，提高其與水泥砂漿之間的界面結(jié)合能力。

隨著橡膠粉摻量增大，質(zhì)量損失率也隨之增大。這是因為在砂漿振動成形時，聚合物對橡膠粉的改性及砂漿硬化都需要一定的時間，在此過程中，橡膠粉顆粒在重力作用下沉到試件底部或棱角處，導(dǎo)致聚合物改性不充分。在試驗過程中，其底部或棱角處因黏結(jié)力不足，易發(fā)生脫落，導(dǎo)致砂漿的質(zhì)量損失，同時也對砂漿的強度產(chǎn)生一定的影響。

1.3.4 聚酯纖維物摻量對砂漿性能影響

聚酯纖維摻量對軟化系數(shù)和強度損失的影響較大。聚酯纖維通過對橡膠粉表面進行改性，提高橡膠粉與水泥的結(jié)合力，并且聚合物纖維作為添加劑，可大大提高水泥砂漿的密實性。水泥水化反應(yīng)生成的結(jié)晶及膠體帶入的微小氣泡，可堵塞﹑密實水泥砂漿的毛細孔，同時水泥硬化后易形成交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能有效提高保溫砂漿的抗沖擊強度和韌性，減緩砂漿內(nèi)部裂隙的擴大，提高其抗壓強度和軟化系數(shù)。

1.3.5 新型保溫砂漿砂配合比

通過對比S1、S7、S8和S12四組砂漿性能，相對于空白樣S1，抗折比提高了40%左右，軟化系數(shù)提高28%左右，保溫性能提高40%左右，抗凍性能和拉伸黏結(jié)性能也都有不同程度的提高。

分析對比試驗組分的配合比，最終得到的最優(yōu)配比范圍為：橡膠粉摻量6%～12%、丁苯乳液摻量10%～15%、聚酯纖維摻量0.05%～0.15%、珍珠巖摻量30%～35%（其中，橡膠粉、丁苯乳液、珍珠巖的摻量是和水泥的質(zhì)量比，聚酯纖維摻量為體積比）。

2 新型珍珠巖保溫砂漿性能研究

2.1 珍珠巖顆粒物理性能

1）抗損傷能力。珍珠巖顆粒表面不規(guī)則、呈毛絮狀，而且脆性大，在攪拌的過程中由于和易性差的問題容易致使顆粒破碎，抵抗損傷能力差，在珍珠巖保溫砂漿制備的過程中，珍珠巖顆粒由于破碎，體積損失為150%～300%。

2）熱工性能量。試驗采用的珍珠巖堆積密度為61 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.04～0.05 [W/(m·K)]，具有良好的熱工性能。

3）吸水性。珍珠巖礦砂是在預(yù)熱后經(jīng)瞬時高溫焙燒形成的，其內(nèi)部為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，在1 000～1 300 ℃高溫條件下，礦砂中水分氣化，體積迅速膨脹4～30倍，形成多孔結(jié)構(gòu)，正是由于珍珠巖內(nèi)部有大量的孔隙，因此珍珠巖具有很強的吸水性，吸水率可達120%～300%。

4）熱穩(wěn)定性。珍珠巖礦石經(jīng)破碎形成一定粒度的礦砂，在1 000～1 300 ℃高溫條件下其體積迅速膨脹4～30 倍，膨脹變形之后的產(chǎn)物就稱為膨脹珍珠巖。由于膨脹珍珠巖是在高溫下烘焙而成的，因而具有良好的熱穩(wěn)定性，可以適用于－200～800 ℃的環(huán)境條件下。

2.2 珍珠巖保溫砂漿性能

根據(jù)正交試驗結(jié)果，新型珍珠巖保溫砂漿組成配比為：橡膠粉摻量12%、丁苯乳液摻量15%、聚酯纖維摻量0.05%、珍珠巖摻量30%。其各項性能指標(biāo)如下：稠度8.70 cm，稠度保留率75.90%，干密度0.45 g/cm3，抗壓強度2.21 MPa，折壓比0.33，軟化系數(shù)0.84%，黏結(jié)強度0.31 MPa，質(zhì)量損失率3.62%，強度損失率10.20%，導(dǎo)熱系數(shù)0.078 W/（m·K）。由試驗結(jié)果可知，新型珍珠巖保溫砂漿具有較好的抗軟化、抗凍性能，增強墻體保溫層的長期使用效果。

3 結(jié)語

本文通過正交試驗設(shè)計方法，研究了3種改性材料對珍珠巖保溫砂漿的性能影響，得到以下結(jié)論：

1）珍珠巖對稠度、強度降低的影響較大，而丁苯乳液會導(dǎo)致砂漿稠度明顯增大，脆性降低。在砂漿振動成形過程中，由于珍珠巖的吸水性、丁苯乳液的保水和減水性，使水泥漿體相對濕度降低，導(dǎo)致稠度減小。

2）珍珠巖和橡膠粉摻量與砂漿的抗壓強度、抗折強度呈負相關(guān)，改性后保溫砂漿的抗壓強度降低最大可達65%，抗折強度降低最大可達45%，而砂漿的折壓比增大，其脆性增強。

3）聚酯纖維和丁苯乳液的復(fù)合改性，可提高砂漿的抗凍性和軟化系數(shù)。聚酯纖維對橡膠粉的改性以及丁苯乳液的減水、保水作用，能有效減緩或阻止砂漿內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生，提高其耐久性和使用年限。

4）根據(jù)各組分的試驗數(shù)據(jù)和配合比對比分析可得，最優(yōu)配比范圍為：橡膠粉摻量6%～12%、丁苯乳液摻量10%～15%、聚酯纖維摻量0.05%～0.15%、珍珠巖摻量30%～35%。