乳化瀝青對聚苯顆粒保溫砂漿性能的影響

楊海龍，孔祥明，吳純超，胡永騰，宋常友，黃婉利

（1.清華大學(xué)a.土木工程系；b.工程安全與耐久教育部重點實驗室，北京100084；2.北京振利高新技術(shù)有限公司，北京100073；3.中國石油化工股份有限公司上海瀝青銷售分公司，上海200050）

可再分散乳膠粉是高分子聚合物乳液經(jīng)噴霧干燥及后續(xù)處理而成的粉狀熱塑性樹脂，是砂漿改性的主要材料，更是制備聚苯顆粒保溫砂漿必需的添加劑[1－3]。乳膠粉顆粒與水混合后可以恢復(fù)其原始乳液狀態(tài)，并保持原有性能，不僅可以改善新拌砂漿的和易性、施工性、保水性和抗垂掛性，還能夠提高砂漿的抗折強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、抗裂性、抗水性、抗沖擊性、耐磨性、耐侯性和柔韌性等[4－7]。更加重要的是，可再分散乳膠粉在聚苯顆粒保溫砂漿制備中能夠解決憎水性聚苯顆粒和無機(jī)膠凝材料水泥漿體之間相容性差的難題，不但可以抑制攪拌過程中聚苯顆粒的“上浮”，而且能夠提高水泥水化產(chǎn)物與聚苯顆粒之間的界面粘結(jié)力[8]。但是，雖然可再分散乳膠粉在聚苯顆粒保溫砂漿中添加量很少，卻顯著影響材料的成本[8－9]，所占費用可達(dá)30%～50%。因此，采用廉價材料替代可再分散乳膠粉是降低聚苯顆粒保溫砂漿成本的關(guān)鍵。

相對于可再分散乳膠粉來說，價格低廉的乳化瀝青也可用于水泥砂漿的改性[10－14]，并且也可以很好地與水泥基材料拌和并在硬化過程中成膜[15－16]，與前者在砂漿中的改性作用類似，但將其用于制備保溫砂漿的研究卻只有極少量報道[17]，而且用于制備聚苯顆粒保溫砂漿的研究更是從未有所報道。所以，本文擬采用乳化瀝青替代可再分散乳膠粉制備聚苯顆粒保溫砂漿，并重點研究乳化瀝青對保溫砂漿性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

水泥：金隅PO42.5普通硅酸鹽水泥，密度3.15×103kg／m3；粉煤灰：Ⅱ級；硅灰：45μm篩篩余≤8.0%，PH≤8.5；聚苯顆粒（EPS顆粒）：由廢棄聚苯泡沫塑料粉碎制得，堆積密度15～18kg／m3；乳化瀝青：SBS改性陰離子乳化瀝青，固含量60%，改性SBS添加量3.5%，中國石油化工有限公司瀝青銷售分公司；增稠劑：纖維素醚 MKX45000PF20L，拜耳公司；聚丙烯纖維（PP纖維）：長度6mm，直徑48～51μm；木質(zhì)素纖維：松散密度10～60kg／m3，120目篩余量≥75% ，含水率4%～8%，灰分20%～40%；水：自來水。

1.2 保溫砂漿制備

1）按表1配比稱量水泥等各種原料，并將木質(zhì)素纖維加入乳化瀝青和水的混合液中稍加手動攪拌以便使其預(yù)先充分潤濕。乳化瀝青以固摻量計，其中所含的40%水計算到拌合水中以便保持砂漿水灰比一定。

表1 保溫砂漿基本配比

2）將各種粉料和PP纖維于攪拌器的攪拌鍋中稍加攪拌至均勻，隨后加入含有木質(zhì)素纖維的乳化瀝青和水的混合液繼續(xù)攪拌至均勻得到水泥漿體，最后將聚苯顆粒加入攪拌鍋的水泥漿體中繼續(xù)攪拌至均勻得到聚苯顆粒保溫砂漿。

3）參照J(rèn)G 158—2004《膠粉聚苯乙烯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)》各項測試要求成型并養(yǎng)護(hù)試件。

1.3 性能測試

保溫砂漿干密度、抗壓強(qiáng)度、壓剪粘結(jié)強(qiáng)度、線性收縮率和軟化系數(shù)均參照J(rèn)G 158—2004《膠粉聚苯乙烯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)》進(jìn)行。其中，力學(xué)性能測試采用 WB－10B液壓萬能試驗機(jī)。

48h吸水率測試：將試件置入（20±2）℃的水中48h，定義其飽水前后的質(zhì)量分別為m（干）和m（飽），則48 h吸水率為[m（飽）－ m（干）]／m（干）。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 乳化瀝青對保溫砂漿力學(xué)性能的影響

保溫砂漿具有足夠高的力學(xué)性能是能夠進(jìn)行工程應(yīng)用的前提，由圖1可以看到，隨乳化瀝青添加量的增大，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，而壓剪粘結(jié)強(qiáng)度逐漸增加。

保溫砂漿制備中，水泥等膠凝材料、乳化瀝青和水等形成水泥漿體，然后包裹在聚苯顆粒周圍并將聚苯顆粒之間的空隙填充滿。隨齡期的增長，膠凝材料發(fā)生水化，乳化瀝青則會破乳、釋放瀝青液滴、失水成膜[15－16]，低彈性模量的瀝青膜與膠凝材料的水化產(chǎn)物構(gòu)成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成水泥硬化漿體。水泥漿體硬化的同時將聚苯顆粒粘結(jié)在一起成為整體。雖然聚苯顆粒在保溫砂漿中占有很大體積（不小于80%），但因其很高的孔隙率和本身材質(zhì)的低彈性模量導(dǎo)致自身抗壓強(qiáng)度很低，所以，保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度主要取決于水泥硬化漿體。由于乳化瀝青中含有乳化劑而具有一定的引氣作用，在保溫砂漿的混合攪拌過程中會引入氣泡使其含氣量增加，水泥硬化漿體密實度降低，抗壓強(qiáng)度下降，并且乳化瀝青添加量越大，引氣作用越加明顯，抗壓強(qiáng)度下降越多，這種引氣作用可由圖2中保溫砂漿的干密度變化看出。此外，乳化瀝青玻璃化溫度較低而易于成膜，并且成膜后將水泥顆粒包覆其中，限制水泥水化產(chǎn)物的生成和連接，也會導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低，并且添加量越大越明顯。

圖1 抗壓強(qiáng)度、壓剪粘結(jié)強(qiáng)度與乳化瀝青添加量的關(guān)系

圖2 干密度與乳化瀝青添加量的關(guān)系

乳化瀝青使保溫砂漿粘結(jié)強(qiáng)度提高的原因類似于可再分散乳膠粉的作用：[8，18－19]1）乳化瀝青會在聚苯顆粒和水泥漿體之間的過渡區(qū)干燥成膜，使兩者的界面結(jié)合更密實，更牢固；2）分散到水泥漿體中的乳化瀝青逐漸聚集在毛細(xì)孔中并凝聚成膜，形成低彈性模量的聚合物網(wǎng)絡(luò)，使水泥硬化漿體韌性得以改善；3）乳化瀝青中的某些極性基團(tuán)還可能與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)作用而形成特殊的橋鍵，改善水泥水化產(chǎn)物的物理組織結(jié)構(gòu)，減少微裂紋的產(chǎn)生。

2.2 乳化瀝青對保溫砂漿線性收縮率的影響

保溫砂漿具有良好的體積穩(wěn)定性可以防止施工后出現(xiàn)裂紋而劣化，采用線性收縮率可以對其進(jìn)行表征。由圖3可以看出，保溫砂漿的線性收縮率隨乳化瀝青添加量的增加略有降低，空白樣為0.36%，添加2.0%的乳化瀝青后下降至0.35%，而添加量達(dá)到4.0%時下降到了0.32%。

保溫砂漿中的聚苯顆粒不會發(fā)生收縮，而水泥漿體則會發(fā)生化學(xué)收縮、塑性收縮、干燥收縮、自收縮、溫度收縮和碳化收縮等各種形式的收縮。塑性收縮發(fā)生在終凝前的塑性階段，而溫度收縮主要發(fā)生在膠凝材料的早期水化階段?；瘜W(xué)收縮在水泥漿體初凝前通過宏觀體積收縮表現(xiàn)出來，而在初凝后則以形成內(nèi)部孔隙的形式表現(xiàn)出來。自收縮和干燥收縮均因水泥硬化漿體中毛細(xì)孔內(nèi)的液體減少產(chǎn)生收縮應(yīng)力而使砂漿收縮。本實驗的線性收縮率是通過測試標(biāo)準(zhǔn)實驗環(huán)境下帶膜養(yǎng)護(hù)7d和去掉覆蓋物后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)49d的試件長度得到的，所以只與自收縮、干燥收縮和碳化收縮以及后期（水泥漿體硬化后）的化學(xué)收縮有關(guān)，盡管后期的化學(xué)收縮不直接對其造成影響，但是它會使硬化漿體孔隙率提高，從而使其他收縮加劇。

添加乳化瀝青后形成的瀝青膜可以封堵水泥硬化漿體中的孔隙，使?jié){體表面失水減少，同時使內(nèi)部水分遷移困難，降低水分蒸發(fā)，減弱毛細(xì)孔中因液體減少產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，干燥收縮降低。此外，乳化瀝青引入氣泡所形成的封閉氣孔也可阻斷毛細(xì)孔，降低收縮。

圖3 線性收縮率與乳化瀝青添加量的關(guān)系

2.3 乳化瀝青對保溫砂漿軟化系數(shù)和吸水率的影響

保溫砂漿的耐水性也是其性能要求的重要方面，可以以軟化系數(shù)和吸水率進(jìn)行評判，圖4所示的是乳化瀝青添加量對它們的影響。由圖可以看出，添加乳化瀝青后軟化系數(shù)提高且乳化瀝青添加量增大時變化不大，而48h吸水率大幅度的降低且隨乳化瀝青添加量的增加降低程度增大。

圖4 軟化系數(shù)、48h吸水率與乳化瀝青添加量的關(guān)系

對于未添加乳化瀝青的保溫砂漿來講，由于聚苯顆粒的憎水性使得水泥漿體對其粘結(jié)不夠牢固，兩者界面之間甚至可能存在縫隙，隨硬化漿體的收縮還可能擴(kuò)大。此外，水泥硬化漿體因化學(xué)收縮等作用也會出現(xiàn)大量毛細(xì)孔使其密實度降低。這些縫隙和孔洞的存在以及它們的開放及連通結(jié)構(gòu)使得保溫砂漿在浸水時吸收大量水分并向內(nèi)部遷移和擴(kuò)散，破壞硬化漿體結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度下降，從而表現(xiàn)為較高的吸水率和較低的軟化系數(shù)。

保溫砂漿中添加乳化瀝青后，首先，乳化瀝青在水泥硬化漿體與聚苯顆粒之間的界面處成膜，兩者之間的縫隙減小，并阻止水分向聚苯顆粒內(nèi)部孔隙擴(kuò)散；其次，水泥硬化漿體中的瀝青膜可以阻斷膠凝材料水化產(chǎn)物之間的孔隙通道，使得水分遷移和擴(kuò)散困難；再次，乳化瀝青在砂漿的毛細(xì)孔四周成膜，毛細(xì)孔孔體積減小且疏水性提高，甚至封閉和堵塞毛細(xì)孔；最后，乳化瀝青中乳化劑的引氣作用形成的密閉孔也會阻斷連通孔。這些作用的結(jié)果導(dǎo)致保溫砂漿中的縫隙及毛細(xì)孔減少，同時連通孔也有所減少，因此吸水率降低，減弱了水對其結(jié)構(gòu)的破壞作用，軟化系數(shù)提高。

3 結(jié) 論

1）隨乳化瀝青添加量的增大，保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，而壓剪粘結(jié)強(qiáng)度逐漸增加。

2）保溫砂漿的線性收縮率隨乳化瀝青添加量的增加略有降低。

3）添加乳化瀝青后，保溫砂漿的軟化系數(shù)提高但隨乳化瀝青添加量的增加變化不大，而吸水率卻逐漸降低。

[1]王培銘，張國防，吳建國.聚合物干粉對水泥砂漿的減水和保水作用[J].新型建筑材料，2003，（3）：25－28.WANG PEI－MING，ZHANG GUO－FANG，WU JIAN－GUO.Influences of polymer powders on the water reduction and retention of cement mortar[J].New Building Materials，2003，（3）：25－28.

[2]SCHULZE J，KILLEMANN O.Long－term performance of redispersible powders in mortars[J].Cement and Concrete Research，2001，31（3）：357－362.

[3]AFIDI M U K，OHAMA Y，DEMURA，et al.Development of polymer films by the coalescence of polymer particles in powdered and aqueous polymer－modified mortars[J].Cement and Concrete Research，2003，33（11）：1715－1721.

[4]韓舜.高性能聚苯顆粒外保溫砂漿的配制、性能與工程應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

[5]SAKAI E，SUGITA J.Composite mechanism of polymer modified cement[J].Cement and Concrete Research，1995，25（1）：127－135.

[6]AFRIDI M U K，CHAUDHARY Z U，OHAMA Y，et al.Morphological characterization of low sulphoaluminate type（AFM）crystals，hollow tubules and hollow crystals in polymermodified mortars[J].Cement and Concrete Research，1995，25（2）：271－275.

[7]張桂紅.再生聚苯顆粒外保溫砂漿的研制與工程應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[8]周竹發(fā)，王淑梅，寇秀蓉，等.可再分散乳膠粉在EPS保溫砂漿中的作用機(jī)理及性能[J].新型建筑材料，2007，（10）；54－57.ZHOU ZHU－FA，WANG SHU－MEI，KOU XIU－RONG，et al.Mechanism and property of re－dispersible emulsion powder in EPS thermal insulation mortar[J].New Building Materials，2007，（10）：54－57.

[9]王祁青.聚苯顆粒保溫漿料和建筑保溫砂漿的應(yīng)用問題分析[J].新型建筑材料，2008，（6）：26－28.WANG QI－QING.Analysis on application of EPS beads mortar and building thermal insulation mortar[J].New Building Materials，2008，（6）：26－28.

[10]WILLIAMS T M，MIKNIS F P.Use of environmental SEM to study asphalt－water interactions[J].Journal of Materials in Civil Engineering，1998，10（2）：121－124.

[11]WANG F Z，ZHANG Y H，LIU Y P，et al.Preliminary study on asphalt emulsion used in cement asphalt mortar[J].Journal of Testing and Evaluation，2009，37（5）：483－485.

[12]SONG H，DO J，SOH Y.Feasibility study of asphalt－modified mortars using asphalt emulsion[J].Construction and Building Materials，2006，20（5）：332－337.

[13]WANG F Z，Liu Z C，WANG T，et al.A novel method to evaluate the setting process of cement and asphalt emulsion in CA mortar.2008，41（4）：643－647.

[14]Li G，ZHAO Y，PANG S S，et al.Experimental study of cement－asphalt emulsion composite[J].Cement and Concrete Research，1998，28（5）：635–641.

[15]許祥俊.聚合物水泥基固沙材料的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2003.

[16]趙明星.渠道防水保溫材料的制備與性能研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[17]趙明星，余劍英，胡亮.乳化瀝青對玻化微珠保溫砂漿性能的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009，31（4）：129－131.ZHAO MING－XING，YU JIAN－YING，HU LIANG.Effect of asphalt emulsion on the performance of glazed hollow bead insulation mortar[J].Journal of Wuhan University of Technology，2009，31（4）：129－131.

[18]王棟民，扈士凱.膠集比和膠粉對空心微珠保溫砂漿性能的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009，31（7）：12－14.WANG DONG－MIN，HU SHI－KAI.Influence of the ratio between cementing material and mineral tiny bead as well as redispersible powder on performance of ultra－light mineral hollow bead insulating mortar[J].Journal of Wuhan University of Technology，2009，31（7）：12－14.

[19]周強(qiáng)，馬敬春，肖力光.新型節(jié)能保溫砂漿的試驗研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，30（4）：93－96.ZHOU QIANG，MA JING－CHUN，XIAO LI－GUANG.Tests and studies on a new engery－saving insulation mortar[J].Journal of Changchun University of Science and Technology：Natural Science Edition，2007，30（4）：93－96.