石膏基厚層保溫自流平砂漿的制備及性能研究

廖大龍，焦嘉偉，李東旭，韓超

（1.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816；2.福建越秀聯(lián)合新材料有限公司，福建 福州 350109）

目前，我國(guó)的建筑能耗占比較高，使用節(jié)能型建筑材料已成為行業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。節(jié)能環(huán)保的石膏建材引起了高度重視，與水泥基材料相比，石膏建材在生產(chǎn)過(guò)程中能源消耗少，對(duì)環(huán)境危害小，是一種綠色環(huán)保的建筑材料，有許多水泥基材料所不具備的突出性能，如早期強(qiáng)度高、凝結(jié)硬化無(wú)收縮、熱穩(wěn)定性好、隔聲效果好、保溫性?xún)?yōu)良、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[3-6]。

在石膏眾多功能型制品材料中，通過(guò)結(jié)合石膏自流平和輕質(zhì)保溫性能制備的輕質(zhì)石膏基自流平材料，保溫性能、熱穩(wěn)定性好，能減少建筑熱量通過(guò)樓地面，提高居住舒適度，降低建筑能耗?？蓱?yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)、裝配式建筑及地暖回填保溫層中。張蔚等[7]研究了再生橡膠顆粒與?；⒅閷?duì)輕質(zhì)自流平砂漿的影響。研究發(fā)現(xiàn)，適量的再生橡膠顆粒與?；⒅閺?fù)摻能改善自流平砂漿的流動(dòng)度。在復(fù)摻體系中橡膠顆粒與?；⒅楸壤怀^(guò)1∶1 時(shí)，砂漿壓折比降低，具有較好的韌性。張雨薇[8]研究發(fā)現(xiàn)，摻入玻化微珠能優(yōu)化石膏基自流平材料的熱工性能，降低石膏基自流平材料的力學(xué)性能。

采用石膏基材料制備厚層保溫自流平材料，以代替擠塑板作為保溫層應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)、裝配式建筑樓地面以及地暖回填地面系統(tǒng)中。采用預(yù)拌砂漿的方式，提高與基層粘結(jié)性，減少施工流程，效率高。針對(duì)各種用戶(hù)需求，可自由設(shè)計(jì)不同厚度，避免擠塑板鋪裝過(guò)程中的問(wèn)題。本文研究了不同改性EPS顆粒、引氣劑摻量對(duì)石膏基厚層保溫自流平砂漿平均擴(kuò)展厚度、干密度、7 d 抗折及抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的影響，得出最佳改性EPS 顆粒、引氣劑摻量。針對(duì)地面材料日常服役中可能出現(xiàn)的積水和返潮現(xiàn)象，以EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚乳液）和PVA（聚乙烯醇粉末）混合制備復(fù)合防水劑，研究不同EVA-PVA 比例和總摻量對(duì)石膏基厚層保溫自流平砂漿強(qiáng)度、吸水率及微觀形貌影響，為配制厚層保溫自流平砂漿提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

脫硫建筑石膏：山東信發(fā)集團(tuán)有限公司，XRD 圖譜見(jiàn)圖1，粒徑分布見(jiàn)圖2，主要技術(shù)性能見(jiàn)表1。水泥：P·Ⅱ52.5，南京小野田公司生產(chǎn)，比表面積372 m2/kg，基本性能見(jiàn)表2。脫硫建筑石膏和水泥的主要化學(xué)成分見(jiàn)表3。引氣劑：AE-1420，南京磬海商貿(mào)有限公司生產(chǎn)，為混凝土開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用型表面活性劑的混合物，含固量92%～99%，pH 值（1.0%水溶液）為9.0～11.0。改性EPS 顆粒：0.5～1.0 mm，以三乙醇胺作為表面活性劑和乙烯-醋酸乙烯酯共聚乳液（EVA 乳液）作為高分子粘結(jié)劑表面改性后，再用水泥造殼[9]。其具體工藝為：EPS 顆粒+三乙醇胺/EVA（表面改性）→自來(lái)水（表面潤(rùn)濕）→水泥（造殼）→陳化24 h。

圖1 脫硫建筑石膏的XRD 圖譜

圖2 脫硫建筑膏的粒徑分布

表1 脫硫建筑石膏的技術(shù)性能

表2 水泥的物理力學(xué)性能

表3 脫硫建筑石膏、水泥的主要化學(xué)成分 %

1.2 樣品制備

本實(shí)驗(yàn)以92%脫硫建筑石膏和8%水泥為主要膠凝材料，以25%～45%改性EPS 顆粒和0.06%～0.10%引氣劑作為變量，制備厚層輕質(zhì)保溫自流平砂漿，用于地暖回填保溫層和裝配式建筑等地面保溫材料。具體實(shí)驗(yàn)配比分布點(diǎn)以Design Expert10 軟件設(shè)計(jì)，由13 個(gè)實(shí)驗(yàn)配比點(diǎn)組成，如圖3 所示。測(cè)試引氣劑和改性EPS 顆粒摻量對(duì)厚層保溫自流平砂漿平均擴(kuò)展厚度、干密度、抗折及抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的影響。隨后使用EVA 和PVA 質(zhì)量比分別為1∶1、2∶1、1∶2 作為復(fù)合防水劑，總摻量分別為1%、2%、3%、4%、5%，研究增強(qiáng)厚層保溫自流平砂漿的耐水性，固定砂漿中減水劑0.25%、緩凝劑0.1%、可再分散乳膠粉0.9%、纖維素醚0.05%，加水量為膠凝材料的50%。

圖3 實(shí)驗(yàn)具體配比分布點(diǎn)

將粉狀原料按比例混合后，加入預(yù)定水量在水泥砂漿攪拌機(jī)中攪拌，再加入改性EPS 顆粒攪拌。攪拌結(jié)束后馬上將漿體倒入鋼模中，并隨鋼模一起置于相對(duì)濕度≥90%、溫度（20±1）℃的標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)1 d。隨后將脫模的試塊放在標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d。然后，將試樣放入（40±1）℃的恒溫干燥箱中干燥至恒重，進(jìn)行絕干強(qiáng)度、干密度、導(dǎo)熱系數(shù)及吸水率的測(cè)試，使用Design Expert10 軟件擬合等高線或響應(yīng)曲面圖。

1.3 測(cè)試方法

厚層保溫自流平砂漿的干密度、抗壓和抗折強(qiáng)度按JC/T 1023—2021《石膏基自流平砂漿》進(jìn)行測(cè)試。

流動(dòng)性能按CB/T 3361—2019《甲板敷料》進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)試模體積和流動(dòng)度按式（1）計(jì)算平均擴(kuò)展厚度：

式中：V——流動(dòng)度試模體積，cm3；

R——流動(dòng)度半徑，cm。

采用平板法，使用DRE-2C 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀對(duì)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

吸水率測(cè)試：將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d 的樣品烘干至恒重，浸于20℃水中24 h，擦掉試件的表面水分，2 次測(cè)得的質(zhì)量差值與原質(zhì)量的比值為吸水率。

2 結(jié)果與討論

各配比厚層保溫自流平砂漿抗折斷裂截面如圖4 所示。

圖4 各配比厚層保溫自流平砂漿的斷裂截面

由圖4 可見(jiàn)，在預(yù)定用水量下改性EPS 顆粒均能在試樣內(nèi)部均勻分布，沒(méi)有出現(xiàn)在高流動(dòng)度砂漿中EPS 顆粒因其疏水性導(dǎo)致的上浮情況[10]。改性EPS 顆粒能緊密鑲嵌在水泥造殼中。有一部分EPS 顆粒在抗折斷裂過(guò)程中裂開(kāi)，說(shuō)明改性EPS 顆粒能很好地與石膏基材料接觸連接，提高試樣強(qiáng)度。由于引氣劑在保溫自流平砂漿中產(chǎn)生細(xì)小氣泡，導(dǎo)致凝結(jié)硬化后形成微孔。與改性EPS 顆粒共同作用下降低試樣整體干密度，對(duì)于熱傳導(dǎo)有著一定的阻礙作用。有利于減小厚層保溫自流平砂漿導(dǎo)熱系數(shù)，提高保溫隔熱性能。

2.1 引氣劑和改性EPS 顆粒摻量對(duì)厚層自流平砂漿性能的影響

2.1.1 引氣劑和改性EPS 顆粒摻量對(duì)厚層自流平砂漿平均擴(kuò)展厚度及干密度的影響（見(jiàn)圖5）

圖5 引氣劑和改性EPS 顆粒摻量對(duì)厚層自流平砂漿平均擴(kuò)展厚度及干密度的影響

由圖5（a）可見(jiàn)，平均擴(kuò)展厚度隨著改性EPS 顆粒摻量的增加而增大，當(dāng)改性EPS 顆粒摻量為25%～35%、35%～45%時(shí)，平均擴(kuò)展厚度分別為0.57～0.80、0.80～0.92 cm。在相同改性EPS 顆粒摻量下，引氣劑摻量增加平均擴(kuò)展厚度也增大。這是由于EPS 顆粒在水泥造殼過(guò)程中加水少，水泥沒(méi)有完全水化。改性EPS 顆粒摻量越多，類(lèi)似表面的總表面積越大，潤(rùn)濕及水化需要水也越多，導(dǎo)致在相同加水情況下流動(dòng)性能降低。同時(shí)纖維素醚增加砂漿黏度，減小了引氣劑產(chǎn)生的細(xì)小泡沫對(duì)砂漿流動(dòng)度的促進(jìn)作用[11]。而引氣劑主要是表面活性劑，摻量增加也有提高砂漿黏度的作用，使得流動(dòng)度降低、平均擴(kuò)展厚度增大。但厚層保溫自流平砂漿平均擴(kuò)展厚度最小為0.57 cm，最大為0.92 cm，這說(shuō)明在配合施工情況下，可以使厚層保溫自流平施工厚度達(dá)到1.00 cm 以下，能符合不同施工場(chǎng)地的要求。

由圖5（b）可見(jiàn)，厚層保溫自流平砂漿干密度等高線斜率大，這說(shuō)明改性EPS 顆粒主要影響保溫自流平砂漿的干密度，而由引氣劑產(chǎn)生的泡沫氣孔主要是微小氣孔，所以對(duì)干密度的影響程度較低，最低干密度可達(dá)到744.89 kg/m3。

2.1.2 引氣劑和改性EPS 顆粒摻量對(duì)厚層自流平砂漿7 d 強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖6）

圖6 不同引氣劑和改性EPS 顆粒摻量對(duì)厚層自流平砂漿7 d 強(qiáng)度的影響

由圖6 可見(jiàn)，隨著改性EPS 顆粒以及引氣劑摻量增加，厚層保溫自流平砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度有明顯降低趨勢(shì)。根據(jù)不同配合比，改性EPS 顆粒摻量為25%、引氣劑為0.06%，增加到改性EPS 顆粒為45%、引氣劑為0.10%，抗折強(qiáng)度從3.05 MPa 降至1.62 MPa（降低了46.89%），抗壓強(qiáng)度從6.88 MPa降至3.05 MPa（降低了55.67%）。當(dāng)改性EPS 顆粒摻量從35%增加到45%，抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)減緩。而在相同改性EPS 摻量下，引氣劑摻量增加使得保溫自流平砂漿中微氣孔增多，使強(qiáng)度降低。與眾多關(guān)于輕質(zhì)石膏材料文獻(xiàn)的結(jié)論相類(lèi)似[12-13]。這是由于改性EPS 顆粒和引氣劑摻量增加，導(dǎo)致在單位體積內(nèi)膠凝材料減少，因而降低了抗折及抗壓強(qiáng)度。

2.1.3 引氣劑和改性EPS 顆粒對(duì)厚層自流平砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響（見(jiàn)圖7）

由圖7 可見(jiàn)，隨著改性EPS 顆粒摻量增加，厚層自流平砂漿導(dǎo)熱系數(shù)呈先減小后增大趨勢(shì)。而在相同EPS 顆粒摻量下隨引氣劑摻量增加，導(dǎo)熱系數(shù)減小。當(dāng)改性EPS 顆粒摻量為35%、引氣劑摻量為0.09%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)最小，為0.0946 W/（m·K）。這是因?yàn)楦男訣PS 顆粒由水泥造殼，相對(duì)于石膏材料導(dǎo)熱系數(shù)大，改性EPS 顆粒增多，在單位體積內(nèi)熱橋增多，使得導(dǎo)熱系數(shù)增大。而引氣劑增加，在保溫自流平材料中細(xì)小微孔增多，使得熱量傳遞受到阻礙，導(dǎo)熱系數(shù)減小。因此，當(dāng)改性EPS 顆粒摻量為35%、引氣劑摻量為0.09%時(shí)，7 d 抗折強(qiáng)度為1.89 MPa，7 d 抗壓強(qiáng)度為4.13 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0946 W/（m·K），作為后續(xù)研究復(fù)合防水劑對(duì)厚層保溫自流平影響最佳摻量。

圖7 引氣劑和改性EPS 顆粒摻量對(duì)厚層自流平砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響

2.2 EVA-PVA 復(fù)合防水劑對(duì)厚層自流平砂漿性能的影響

2.2.1 EVA-PVA 復(fù)合防水劑對(duì)厚層自流平砂漿7 d 抗折、抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖8）

圖8 EVA 與PVA 質(zhì)量比及總摻量對(duì)厚層自流平砂漿7 d 強(qiáng)度的影響

由圖8 可見(jiàn)，隨EVA-PVA 總摻量（1%、2%、3%、4%、5%）增加，厚層保溫自流平砂漿的7 d 抗折、抗壓強(qiáng)度先提高后降低。當(dāng)EVA 與PVA 質(zhì)量比為1∶1 時(shí)，抗折、抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，分別為1.87、4.27 MPa。由于當(dāng)EVA-PVA 摻量小時(shí)，EVAPVA 失水聚合收縮而形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并填充晶體的間隙中，減少孔隙率起到強(qiáng)度增強(qiáng)作用[14]。當(dāng)EVA-PVA 摻量較大時(shí)，大量聚合后會(huì)吸附在晶體表面，阻礙石膏晶體水化生長(zhǎng)，破環(huán)了晶體空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，晶體與晶體之間的連接被弱化[15]，造成抗折、抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)EVA 與PVA 質(zhì)量比為1∶1 時(shí)，厚層保溫自流平砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度高于其它2 種質(zhì)量比的。這可能是復(fù)合防水添加劑中的EVA 乳液和PVA 高分子聚合物分子結(jié)構(gòu)及聚合方式不同，對(duì)厚層保溫自流平作用效果存在差別。導(dǎo)致EVA 與PVA 質(zhì)量比為2∶1、1∶2 時(shí)，EVA 或PVA相對(duì)較多，對(duì)厚層保溫自流平抗折、抗折強(qiáng)度影響較大，強(qiáng)度比1∶1 時(shí)低。

2.2.2 EVA-PVA 復(fù)合防水劑對(duì)厚層自流平砂漿吸水率的影響（見(jiàn)圖9）

由圖9 可見(jiàn)，未摻入EVA-PVA 的空白組厚層保溫自流平砂漿飽和吸水率為27.53%。隨著EVA-PVA 總摻量增加，厚層保溫自流平砂漿吸水率降低，當(dāng)EVA-PVA 總摻量為5%時(shí)，質(zhì)量比為1∶1、2∶1、1∶2 的厚層保溫自流平吸水率分別為21.14%、20.38%、19.69%，其中當(dāng)EVA 與PVA 質(zhì)量比為1∶2時(shí)吸水率降低最大，較未摻的降低了28.48%。這是由于在石膏的固化過(guò)程中，EVA 和PVA 在石膏晶體之間形成具有較高粘結(jié)力的憎水性聚合物膜，在一定程度上減弱了水的潤(rùn)濕能力。同時(shí)聚合物填充晶體結(jié)構(gòu)間的孔隙，使硬化體結(jié)構(gòu)變得致密，阻止了水分子進(jìn)入破壞二水石膏晶體結(jié)構(gòu)[16-17]。而多余的EVA 和PVA 在石膏和水泥凝結(jié)硬化時(shí)在試件表面也形成一層保護(hù)膜，阻止水分子滲入，使得試樣的耐水性能得到明顯改善。

圖9 不同EVA-PVA 質(zhì)量比及總摻量對(duì)厚層自流平砂漿吸水率的影響

2.2.3 厚層自流平砂漿微觀結(jié)構(gòu)分析

圖10 為空白組及不同EVA 與PVA 質(zhì)量比（總摻量為3%）厚層保溫自流平砂漿的微觀結(jié)構(gòu)。

圖10 空白組及不同EVA 與PVA 質(zhì)量比保溫自流平砂漿的微觀結(jié)構(gòu)

由圖10 可見(jiàn)，空白組試樣主要以長(zhǎng)柱狀晶體為主，并包含少量的短柱狀和片狀晶體，晶體交錯(cuò)排列，晶體和晶體之間存在較大的孔隙。接觸水后，水分子能很容易進(jìn)入破壞晶體晶體之間的結(jié)構(gòu)，耐水性差。加入EVA-PVA 復(fù)合防水劑后晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榇罅康亩讨鶢詈推瑺罹w，有較大非晶體物質(zhì)和無(wú)定型絮狀物質(zhì)共存，孔隙減少，耐水性提高。

3 結(jié)論

（1）平均擴(kuò)展厚度隨著改性EPS 顆粒摻量的增加而增大，最低可達(dá)0.57 cm，最高為0.92 cm。干密度隨引氣劑摻量增加而減小，改性EPS 顆粒對(duì)保溫自流平砂漿干密度影響程度比引氣劑高。

（2）厚層保溫自流平砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度隨引氣劑和改性EPS 顆粒摻量增加有明顯降低趨勢(shì)，導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大。當(dāng)改性EPS 顆粒摻量為35%，引氣劑為0.09%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0946 W/（m·K）。

（3）在不同EVA 與PVA 比例下，總摻量增加，厚層保溫自流平抗折、抗壓強(qiáng)度先提高后降低。EVA 與PVA 質(zhì)量比為1∶1 時(shí)，抗折、抗壓強(qiáng)度整體比1∶2 和2∶1 時(shí)的高。

（4）EVA-PVA 總摻量增加，厚層保溫自流平砂吸水率降低。EVA 與PVA 質(zhì)量比為1∶2、總摻量為5%時(shí)，吸水率較未摻的空白組降低28.48%。

（5）EVA-PVA 復(fù)合防水劑摻入使得厚層保溫自流平微觀結(jié)構(gòu)由大量長(zhǎng)柱狀晶體變?yōu)榇罅康亩讨鶢詈推瑺罹w，有較多非晶體物質(zhì)和無(wú)定型絮狀物質(zhì)共存，孔隙明顯減少。