三元輕集料地面砂漿配制與性能研究

張國(guó)永，岑如軍，董澤，李杰

（浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310012）

0 引言

隨著建筑節(jié)能要求的提高，樓地面節(jié)能保溫引起各方關(guān)注。在夏熱冬冷地區(qū)，各地的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均要求居住建筑分戶(hù)樓板傳熱系數(shù)不超過(guò)2.0 W/（m·K），而120 mm厚的鋼筋混凝土分戶(hù)樓板的傳熱系數(shù)約為3.5 W/（m·K），為了滿(mǎn)足節(jié)能要求，必須進(jìn)行保溫處理[1]。目前最常用的樓地面保溫措施是在樓板上設(shè)置保溫層加剛性防護(hù)層[1-2]，其中保溫層為10～30 mm厚的各類(lèi)保溫板材或無(wú)機(jī)輕集料保溫砂漿[3]，剛性防護(hù)層一般是40～50 mm厚的內(nèi)置鋼筋網(wǎng)片C20細(xì)石混凝土。工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這種構(gòu)造做法空鼓、開(kāi)裂問(wèn)題較為普遍[4]，而且構(gòu)造總厚度達(dá)50～80 mm，影響建筑室內(nèi)凈高。

本研究擬采用陶砂、膨脹?；⒅?、空心微珠3種輕質(zhì)集料配制三元輕集料地面砂漿，兼顧力學(xué)性能和熱工性能。將其用作樓地面保溫層兼防護(hù)層材料，可直接鋪設(shè)于樓板結(jié)構(gòu)層上，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工便捷。三元輕集料地面砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)達(dá)到M15，符合GB 50037—2013《建筑地面設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)地面砂漿強(qiáng)度等級(jí)要求，導(dǎo)熱系數(shù)宜小于0.23 W/（m·K），控制應(yīng)用厚度不超過(guò)50 mm。針對(duì)上述目標(biāo)開(kāi)展了系列試驗(yàn)研究。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：海螺牌P·O52.5水泥；輕集料：采用陶砂、膨脹?；⒅楹涂招奈⒅榻M成的三元輕集料，技術(shù)性能見(jiàn)表1；纖維：?jiǎn)谓z聚丙烯纖維，長(zhǎng)度12 mm，市售，符合GB/T 21120—2018《水泥混凝土和砂漿用合成纖維的要求》；復(fù)合添加劑：減水、增稠復(fù)合型添加劑，公司自制。

表1 輕集料的技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)配合比

為確定空心微珠的最佳摻量，采用空心微珠為單一輕集料配制輕質(zhì)砂漿，空心微珠摻量（按占水泥質(zhì)量計(jì)）分別為0、5%、10%、15%、20%，空心微珠砂漿配合比見(jiàn)表2。固定空心微珠摻量為15%，保持陶砂與膨脹?；⒅榈亩逊e體積總和為1.2 m3不變，采用文獻(xiàn)[5]所述的基于干密度配合比設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了9組三元輕集料地面砂漿，配合比見(jiàn)表3，分別研究水泥用量以及體積砂率VPe（膨脹?；⒅槎逊e體積與陶砂和膨脹?；⒅槎逊e體積之和的比值）對(duì)三元輕集料地面砂漿性能的影響。

表2 空心微珠砂漿配合比

表3 三元輕集料地面砂漿配合比

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)配合比準(zhǔn)確稱(chēng)量水泥、輕集料、纖維、添加劑等，在行星式攪拌機(jī)中混合均勻，邊攪拌邊加入拌合用水，攪拌2 min，暫停2 min清理攪拌機(jī)內(nèi)壁和攪拌葉上的砂漿，繼續(xù)攪拌1 min，控制砂漿稠度為（90±5）mm。

砂漿抗壓強(qiáng)度、吸水率和收縮率按JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，其中計(jì)算抗壓強(qiáng)度時(shí)換算系數(shù)取1.0；砂漿干密度按GB/T 26000—2010《膨脹?；⒅楸馗魺嵘皾{》進(jìn)行測(cè)試；砂漿導(dǎo)熱系數(shù)按GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》進(jìn)行測(cè)試；微觀分析采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 空心微珠砂漿的性能（見(jiàn)表4）

表4 空心微珠砂漿的性能測(cè)試結(jié)果

由表4可知：

（1）隨著空心微珠摻量的增加，砂漿的抗壓強(qiáng)度、干密度均降低?？招奈⒅閾搅繛?～10%時(shí)，砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度下降幅度較大；空心微珠摻量為10%～15%時(shí)，砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度下降幅度相對(duì)平緩。導(dǎo)熱系數(shù)與空心微珠摻量大致成線性關(guān)系，隨其摻量的增加而不斷減小。

（2）當(dāng)空心微珠摻量為15%時(shí)，砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度較空白組KZ0降低了34.9%，但仍保持較高水平（56 MPa）；導(dǎo)熱系數(shù)降至0.43 W/（m·K），較空白組KZ0降低了31.7%。綜合考慮性能和材料成本，后續(xù)選擇空心微珠摻量為15%進(jìn)行三元輕集料地面砂漿試驗(yàn)。

圖1為空心微珠摻量為15%的砂漿養(yǎng)護(hù)28 d后的硬化體在場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下的微觀照片。

圖1 空心微珠砂漿28 d硬化體的SEM照片

由圖1可見(jiàn)，空心微珠均勻分散在水泥石中，空心微珠表面平滑，未參與水化反應(yīng)。這與上述宏觀物理性能相吻合，在水泥石中引入空心微珠，相當(dāng)于在水泥石引入規(guī)則的球形孔隙，必然導(dǎo)致力學(xué)性能下降，但有利于提高水泥石的熱工性能。

2.2 三元輕集料地面砂漿的性能

2.2.1 水泥用量對(duì)砂漿性能的影響

筆者前期開(kāi)展了大量三元輕集料地面砂漿的探索試驗(yàn)，通過(guò)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度與其干密度存在顯著線性關(guān)系，如圖2所示。參照J(rèn)GJ/T 98—2010《砌筑砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，強(qiáng)度等級(jí)M15砂漿的試配強(qiáng)度取18.0 MPa，根據(jù)圖2線性規(guī)律，三元輕集料地面砂漿配合比的設(shè)計(jì)干密度取1000～1100 kg/m3。固定陶砂和膨脹?；⒅榭傮w積用量為1.2 m3，水泥用量由390 kg/m3逐步增加到470 kg/m3，設(shè)計(jì)了PB1～PB5試驗(yàn)組，三元輕集料地面砂漿性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

圖2 砂漿抗壓強(qiáng)度隨干密度變化規(guī)律

表5 三元輕集料砂漿的性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)比表5中PB1～PB5組可知，水泥用量由390 kg/m3逐步增加到470 kg/m3，所配制的砂漿干密度為977～1086 kg/m3，與設(shè)計(jì)值接近，且砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度與干密度也基本滿(mǎn)足圖2的線性關(guān)系。砂漿抗壓強(qiáng)度隨水泥用量增加而逐步提高，這是由于本文所用輕集料的筒壓強(qiáng)度均較低，砂漿的力學(xué)性能主要由膠凝材料提供[5]。當(dāng)水泥用量為450、470 kg/m3時(shí)，砂漿28 d抗壓強(qiáng)度都超過(guò)試配強(qiáng)度要求，分別達(dá)到19.4、20.1 MPa。砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)也隨水泥用量的增加而逐漸增大，水泥用量為450 kg/m3時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.24 W/（m·K），略超過(guò)目標(biāo)值。

2.2.2 體積砂率對(duì)砂漿性能影響

在PB4試驗(yàn)基礎(chǔ)上，減少陶砂用量，增加膨脹?；⒅橛昧?，且保持兩者堆積體積之和為1.2 m3不變，設(shè)計(jì)了PB6～PB9試驗(yàn)組。在PB4和PB6～PB9這5組試樣中，體積砂率VPe值分別為0.49、0.53、0.57、0.60、0.63。對(duì)比表5中這5組試樣可以發(fā)現(xiàn)，隨著VPe值的增大，砂漿的抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，這說(shuō)明在水泥用量不變的情況下，砂漿的力學(xué)性能與各種輕集料的用量有關(guān)，陶砂用量減少，膨脹?；⒅樵黾?，砂漿的抗壓強(qiáng)度降低。隨著VPe值的增大，砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)呈階梯狀下降趨勢(shì)。當(dāng)VPe值為0.53時(shí)（PB6組），即三元輕集料地面砂漿配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（空心微珠）∶m（陶砂）∶m（膨脹?；⒅椋胢（纖維）∶m（復(fù)合添加劑）∶m（水）=450∶67.5∶281∶88∶3.0∶1.13∶308，制備的砂漿28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到18.6 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)降至0.22 W/（m·K），符合本文預(yù)設(shè)目標(biāo)值要求。

2.2.3 三元輕集料地面砂漿的其它性能

PB6三元輕集料地面砂漿的吸水率隨時(shí)間變化如圖3所示，干燥收縮如圖4所示。

圖3 PB6三元輕集料地面砂漿的吸水率曲線

由圖3可見(jiàn)，三元輕集料地面砂漿試件浸水24 h后吸水率基本到達(dá)穩(wěn)定，浸水48 h的平均吸水率為12.4%。同時(shí)測(cè)試了PB6組試件絕干狀態(tài)和浸水48 h后的抗壓強(qiáng)度，分別為18.1、19.7 MPa，浸水后砂漿的抗壓強(qiáng)度反而提高，其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

圖4 PB6三元輕集料地面砂漿的收縮率

由圖4可見(jiàn)，三元輕集料地面砂漿試件前期（28 d以?xún)?nèi)）收縮發(fā)展較快，28 d收縮率為0.103%，之后收縮發(fā)展緩慢，絕干狀態(tài)時(shí)的收縮率為0.131%，收縮率較小，在工程中應(yīng)用時(shí)，可降低因干燥收縮引起的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

（1）空心微珠摻量為15%時(shí)，空心微珠砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)為0.43 W/（m·K），比未摻空心微珠的空白砂漿降低31.7%，空心微珠可有效降低膠凝材料導(dǎo)熱系數(shù)。

（2）三元輕集料地面砂漿的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均隨水泥用量增加而逐步提高，當(dāng)水泥用量為450 kg/m3時(shí)，砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度為19.4 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.24 W/（m·K）。

（3）優(yōu)化的三元輕集料地面砂漿配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（空心微珠）∶m（陶砂）∶m（膨脹?；⒅椋胢（纖維）∶m（復(fù)合添加劑）∶m（水）=450∶67.5∶281∶88∶3.0∶1.13∶308，此時(shí)體積砂率為0.53，制備的三元輕集料地面砂漿性能滿(mǎn)足預(yù)設(shè)目標(biāo)要求，28 d抗壓強(qiáng)度為18.6 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.22 W/（m·K），48 h吸水率為12.4%，28 d收縮率為0.103%。