新型墻體保溫砂漿的組成設計與性能研究

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，國內建筑工程墻體保溫砂漿應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)象嚴重，這些問題已嚴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保溫制品內貼、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濟性能具有重要意義。

1 新型珍珠巖保溫砂漿組成設計

墻體保溫砂漿由于材料成分復雜，其物理力學性能也不同，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（珍珠巖和水泥的質量比）為35%時，對珍珠巖砂漿的水灰比進行試驗，結果如表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，觀察試塊成形質量。試驗結果如表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 正交試驗設計

正交設計時，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)、質量損失率、強度損失率以及導熱系數(shù)，如圖1～圖5所示。

圖1 砂漿稠度和稠度保留率試驗結果

圖2 砂漿抗壓強度和黏結強度試驗結果

圖3 砂漿強度損失和質量損失試驗結果

圖4 砂漿折壓比和軟化系數(shù)試驗結果

圖5 砂漿干密度和導熱系數(shù)試驗結果

1.3.1 珍珠巖摻量對砂漿性能影響

根據(jù)試驗結果，珍珠巖摻量對稠度、稠度保留率、抗壓強度、軟化系數(shù)、拉伸黏結強度影響較大。保溫砂漿的稠度、抗壓強度、拉伸黏結強度隨著珍珠巖摻量增加逐漸減小，砂漿質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，破壞試件的內部結構，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，當水泥含量不變時，單位體積的水泥量減少，導致砂漿骨料之間的膠結料不足，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”，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性，其在砂漿漿體中起到了“膠水”的作用，提高其黏結強度。丁苯乳液和聚合物的復合作用又可以減緩或阻止砂漿內部裂縫的產生。

1.3.3 橡膠粉摻量對砂漿性能影響

由試驗結果可知，橡膠粉摻量對折壓比、抗壓強度、質量損失影響較大。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，界面結合力弱，使其與水泥砂漿間的膠結不牢固，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合能力。

隨著橡膠粉摻量增大，質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力不足，易發(fā)生脫落，導致砂漿的質量損失，同時也對砂漿的強度產生一定的影響。

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。水泥水化反應生成的結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)的網狀結構，能有效提高保溫砂漿的抗沖擊強度和韌性，減緩砂漿內部裂隙的擴大，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。珍珠巖礦砂是在預熱后經瞬時高溫焙燒形成的，其內部為蜂窩狀結構，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，形成多孔結構，正是由于珍珠巖內部有大量的孔隙，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%，黏結強度0.31 MPa，質量損失率3.62%，強度損失率10.20%，導熱系數(shù)0.078 W/（m·K）。由試驗結果可知，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 結語

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

1）珍珠巖對稠度、強度降低的影響較大，而丁苯乳液會導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，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部裂縫的產生，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%。