礦渣基地質(zhì)聚合物輕質(zhì)保溫砂漿的制備與性能研究

張衛(wèi)鵬，葛雪祥，樊傳剛，朱澤天，牛茂祥，華磊，李圣軍

（安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

0 引言

建筑保溫是實現(xiàn)建筑節(jié)能減排的重要途徑，然而，隨著建筑防火要求的提升，擠塑聚苯板、聚氨酯泡沫板、酚醛泡沫板等有機(jī)保溫材料面臨著防火性能不足、耐久性差、強(qiáng)度低等一系列問題[1]。輕質(zhì)保溫砂漿作為重要的無機(jī)保溫材料，具有輕質(zhì)保溫、防火耐久，且施工便捷等特性，常用于建筑墻體、屋面以及樓面的保溫隔熱[2]。目前，采用聚苯（EPS）顆粒和?；⒅橹苽涞乃嗷厣皾{得到了廣泛的研究和應(yīng)用。鄧思捷和范杰[3]采用聚合物改性EPS顆粒制備了體積密度為850～950 kg/m3、抗壓強(qiáng)度為5.20～7.15 MPa的保溫砂漿。吳文杰等[4]系統(tǒng)研究了?；⒅?、纖維素醚等材料配比對保溫砂漿制備與性能的影響，并制備了干密度為294.3～295.1 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為0.75 MPa左右的?；⒅楸厣皾{。然而，以硅酸鹽水泥制備的輕質(zhì)保溫砂漿，仍存在粘結(jié)強(qiáng)度低、吸水率高、干縮大等性能不足，在使用過程中常引起墻體空鼓、開裂等質(zhì)量問題[5-6]。為降低保溫砂漿因高吸水率導(dǎo)致的性能劣化，Gong等[7]采用有機(jī)硅疏水劑對?；⒅轭A(yù)處理，以增強(qiáng)?；⒅榈脑魉阅堋ong等[8]采用可再分散乳膠粉和固體含量為30%的乳化瀝青改性保溫砂漿，有效降低了保溫砂漿的吸水率，并提高了砂漿黏度和力學(xué)性能。然而，普通硅酸鹽水泥作為高能耗、高碳排放的建筑材料，其大摻量使用已經(jīng)成為制約建筑材料綠色、可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此，研究以新型低碳膠凝材料制備節(jié)能保溫砂漿具有重要意義。

地質(zhì)聚合物是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽大分子材料，主要以粉煤灰、赤泥、礦渣等固體廢棄物或偏高嶺土等礦物為原料，在堿性激發(fā)劑作用下通過“溶解-聚合”反應(yīng)形成硬化體[9]。地質(zhì)聚合物不僅能資源化利用固體廢棄物，且無需高溫煅燒，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色膠凝材料之一。Gao等[10]研究指出，地質(zhì)聚合物漿體具有優(yōu)異的粘聚性，可用于制備高粘結(jié)性的修補砂漿。Hamdi等[11]采用粉煤灰地質(zhì)聚合物制備混凝土，其具有優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度。因此，若采用地質(zhì)聚合物制備輕集料保溫砂漿，可在不添加膠粉和纖維素醚的條件下，制備出低吸水率、高粘聚性的保溫砂漿。基于此，本文以礦渣微粉和粉煤灰為主要原料，通過添加玻化微珠和EPS顆粒，制備礦渣基地質(zhì)聚合物保溫砂漿，系統(tǒng)研究EPS顆粒摻量與級配對保溫砂漿物理力學(xué)性能的影響，并深入研究玻化微珠摻量對砂漿力學(xué)性能的影響機(jī)理。為礦渣基地質(zhì)聚合物保溫砂漿的制備，以及保溫砂漿的綠色低碳發(fā)展提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

礦渣微粉：S95級，質(zhì)量系數(shù)為1.80，安徽馬鋼嘉華新型建材有限公司；粉煤灰：Ⅰ級，河南恒新能源新材料有限公司，主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 礦渣微粉和粉煤灰的化學(xué)成分 %

采用模數(shù)為3.3、固含量為35.5%的硅酸鈉溶液（浙江省嘉善縣優(yōu)瑞耐火材料有限公司）與片狀NaOH（化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）為復(fù)合激發(fā)劑，萘系減水劑（麥克林生化科技有限公司）為外加劑。此外，試驗選用0.5～1、2～4 mm兩種粒徑的EPS顆粒與玻化微珠（VMB）為輕集料，其基本物理性能如表2所示，微觀形貌如圖1所示。

表2 輕集料基本物理性能

圖1 輕集料的微觀形貌

1.2 試驗設(shè)計與樣品制備

以質(zhì)量比4∶1混合礦渣微粉和粉煤灰，作為制備本試驗地質(zhì)聚合物的主要原料。通過添加NaOH，將液體硅酸鈉調(diào)節(jié)為模數(shù)n=1的硅酸鈉溶液，作為復(fù)合激發(fā)劑。試驗中，按照堿當(dāng)量6%、水灰比0.32分別添加激發(fā)劑溶液和水，制備礦渣基地質(zhì)聚合物漿體。同時，通過添加2種粒徑的EPS顆粒與?；⒅闉檩p集料，研究輕集料種類和質(zhì)量摻量對礦渣基地質(zhì)聚合物保溫砂漿性能的影響，試驗配合比設(shè)計如表3所示。

表3 試驗配合比設(shè)計 %

首先，試驗采用2～4 mm大粒徑EPS顆粒為輕集料，按照質(zhì)量摻量3%～6%制備保溫砂漿試樣（編號分別為E3～E6），并研究其性能；其次，以質(zhì)量摻量5%大粒徑EPS顆粒的試樣E5為基礎(chǔ)，通過引入0.5～1.0 mm小粒徑EPS顆粒，研究其摻量對保溫砂漿性能的影響。最后，同樣以試樣E5（編號分別為Ee0.5～Ee2）為基礎(chǔ)，添加粒徑0.15～0.55 mm的?；⒅闉檩p集料，進(jìn)一步分析玻化微珠與EPS顆粒復(fù)合制備地質(zhì)聚合物基保溫砂漿的性能（編號分別為EG5～EG30）?？紤]到玻化微珠較高的吸水率對漿體拌合性能的可能影響，使用前，將?；⒅榕菟?4 h、過濾、表面風(fēng)干，制成飽和面干狀態(tài)。

1.3 測試方法

試驗參照GB/T 20473—2006《建筑保溫砂漿》，按照體積法測試試樣的干密度，并參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試其吸水率。此外，采用電子萬能試驗機(jī)測試70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試樣的抗壓強(qiáng)度，并測試砂漿試樣與70.7 mm×70.7 mm×20 mm基準(zhǔn)砂漿試塊的粘結(jié)拉伸強(qiáng)度。試樣的導(dǎo)熱系數(shù)采用YBF-3導(dǎo)熱系數(shù)測定儀以穩(wěn)態(tài)平板法測試。試樣的斷面形貌與輕集料的外觀形貌，均采用體視顯微鏡（深圳北銀狐科技有限公司，ZS7045）進(jìn)行表征，輕集料結(jié)合面的微觀形貌則采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，F(xiàn)EI NANO SEM430）進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 EPS顆粒摻量與粒徑對保溫砂漿性能的影響

輕集料摻量是影響保溫砂漿密度、力學(xué)性能以及保溫性

能的主要因素。大粒徑EPS顆粒摻量對礦渣基地質(zhì)聚合物保溫砂漿干密度與吸水率的影響如圖2所示。

圖2 大粒徑EPS顆粒摻量對砂漿密度與吸水率的影響

由圖2可見，僅以2～4 mm大粒徑EPS顆粒為輕集料時，保溫砂漿的干密度隨摻量增加迅速減小，但吸水率逐漸增大。其中，摻加3%的EPS顆粒即可制備出密度796 kg/m3，吸水率僅為3.6%的保溫砂漿試樣。這表明，礦渣基地質(zhì)聚合物的硬化漿體不但具有較低的密度（表觀密度約為1950 kg/m3），且其抗?jié)B性優(yōu)異。當(dāng)EPS摻量由3%增至6%時，保溫砂漿的干密度逐漸降至446 kg/m3，而吸水率增至13.4%。分析表明，當(dāng)EPS顆粒摻量增至6%時，其占保溫砂漿的理論體積含量由57.66%增至73.13%，這是砂漿干密度快速降低的主要原因。由于EPS顆粒的堆積空隙量隨摻量增加而增大，但填充于堆積空隙的漿體量不變，因而砂漿內(nèi)部產(chǎn)生大量空隙，這是導(dǎo)致試樣的吸水率快速增大的主要原因。

圖3為摻EPS顆粒制得保溫砂漿試樣的切面形貌。

圖3 不同粒徑EPS顆粒摻量試樣的切面形貌

由圖3可見，隨著EPS顆粒摻量的增加，漿體占據(jù)顆粒間隙量逐漸減少。其中，僅以大粒徑EPS顆粒為輕集料時，當(dāng)EPS顆粒摻量超過5%，地聚物漿體已無法完全填充顆粒堆積空隙，在砂漿試件內(nèi)部產(chǎn)生連通空隙（如試樣E6）。盡管內(nèi)部空隙有效降低了保溫砂漿的干密度，但也將嚴(yán)重影響其抗凍性及其在浸水條件下的保溫性能[7]。

為實現(xiàn)低密度保溫砂漿的制備，同時避免砂漿內(nèi)部產(chǎn)生大量堆積空隙，在摻加5%大粒徑EPS顆粒的基礎(chǔ)上，添加粒徑0.5～1.0 mm小粒徑EPS顆粒，制備保溫砂漿試樣。圖4為小粒徑EPS顆粒摻量對保溫砂漿密度和吸水率的影響。

圖4 小粒徑EPS顆粒摻量對保溫砂漿密度和吸水率的影響

由圖4可見：

（1）小粒徑EPS顆粒緊密填充在大粒徑EPS顆粒之間，占據(jù)了原先由漿體填充的部分空隙，促使顆粒堆積空隙降低。然而，當(dāng)EPS顆粒摻量超過1.5%，因包裹EPS顆粒的漿體量不足，試樣Ee1.5內(nèi)部開始出現(xiàn)空隙，這將進(jìn)一步影響砂漿的吸水率和干密度。

（2）隨著小粒徑EPS顆粒的摻入，砂漿的干密度進(jìn)一步減小。其中，摻加1%制得試樣Ee1的干密度僅為501kg/m3。然而，試樣Ee1與試樣E6具有相同的EPS體積摻量，但試樣E6的干密度為446kg/m3，略低于試樣Ee1。這是由于小粒徑EPS顆粒填充于大粒徑EPS顆粒的堆積空隙，增大了試樣的致密度。盡管這導(dǎo)致試樣干密度的小幅增大，但卻能有效降低其吸水率。

（3）摻加0.5%小粒徑EPS顆粒后，試樣的吸水率由8.9%降至7.7%。然而，隨著小粒徑EPS摻量的持續(xù)增多，試樣的吸水率逐漸增大。其中，當(dāng)摻量由1.5%增至2.0%時，試樣的吸水率由12.1%快速增至18.0%，這表明過高的EPS摻量導(dǎo)致試樣內(nèi)部產(chǎn)生了大量空隙。然而，在體積摻量相同的條件下，添加小粒徑EPS顆粒的砂漿試樣吸水率更低。例如，試樣Ee1的吸水率僅為9.6%，顯著低于試樣E6。

EPS顆粒摻量的增加不僅影響保溫砂漿的干密度與吸水率，也決定其保溫性能。圖5為EPS顆粒總摻量對保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

圖5 EPS顆?？倱搅繉Ρ厣皾{導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖5可見：

（1）隨著EPS摻量的增加，保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)呈近似線性降低。其中，試樣E3的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.258W/（m·K），而試樣E6的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.078 W/（m·K）。研究表明，輕集料保溫砂漿較低的導(dǎo)熱系數(shù)，一方面，來源于輕集料本身較低的密度和導(dǎo)熱系數(shù)；另一方面，無序分散于砂漿中的輕集料阻隔了熱流在高導(dǎo)熱硬化漿體中的傳遞路徑，延長了熱傳遞的路程，因而降低了砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)[12]。

（2）在試樣E5的基礎(chǔ)上摻加小粒徑的EPS顆粒，砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)同樣隨摻量增加逐漸降低。然而，試樣Ee1的導(dǎo)熱系數(shù)為0.123 W/（m·K），明顯高于EPS顆?？倱搅肯嗤脑嚇覧6。這是由于小顆粒EPS填充于顆粒堆積空隙，增大了保溫砂漿的致密度，從而提升了試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。然而，試樣Ee2的體積密度與試樣E6相近，但其導(dǎo)熱系數(shù)降至0.073 W/（m·K），低于試樣E6。這可能是由于小粒徑EPS顆粒的大量摻入，增大了輕集料與硬化漿體之間的換熱界面，熱阻增大，導(dǎo)熱系數(shù)降低。因此，保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)不僅由其自身密度決定，也受EPS顆粒粒徑的影響。

圖6對比了2種EPS顆粒摻量對保溫砂漿抗壓強(qiáng)度的影響。

圖6 EPS顆粒總摻量對保溫砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

由圖6可見，摻加大粒徑EPS顆粒制備的地聚物保溫砂漿試樣，隨著EPS顆粒摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度呈近似指數(shù)降低。其中，摻量為3%的試樣E3抗壓強(qiáng)度達(dá)到6.23MPa。但隨著摻量增加，試樣E5的抗壓強(qiáng)度降至1.73 MPa。由于EPS顆粒具有極低的壓縮強(qiáng)度，可看作硬化水泥漿體的缺陷點，且隨著EPS顆粒的增多，試樣內(nèi)部堆積空隙也顯著增大，從而導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度快速降低。然而，在試樣E5的基礎(chǔ)上繼續(xù)添加0.5～1.0 mm的EPS顆粒，當(dāng)EPS顆?？倱搅俊?%時，試樣的抗壓強(qiáng)度不降反升。其中，試樣Ee1的干密度低于試樣E5，但其抗壓強(qiáng)度卻增至2.69 MPa。由此可見，引入小粒徑EPS顆粒，增加了漿體與輕集料的界面面積，在受壓力破壞過程中延長了裂紋的擴(kuò)展路徑，從而有助于提高抗壓強(qiáng)度。然而，隨著摻量的繼續(xù)增多，EPS顆粒占砂漿整體的體積分?jǐn)?shù)顯著增大，孔隙率升高，導(dǎo)致試樣的抗壓強(qiáng)度快速降低。因此，EPS總摻量為7%的試樣Ee2，其抗壓強(qiáng)度降至1.78 MPa。

2.2 ?；⒅閷Ρ厣皾{性能的影響

?；⒅槭潜厣皾{常用的無機(jī)輕集料，不僅具有較低的密度，同時與水泥漿體具有優(yōu)異的粘結(jié)性能。以試樣E5為基礎(chǔ)，通過摻加粒徑0.15～0.55 mm的?；⒅?，制備出EPS-?；⒅閺?fù)合地質(zhì)聚合物保溫砂漿。圖7為?；⒅閾搅繉Ρ厣皾{干密度與吸水率的影響。

圖7 ?；⒅閾搅繉Ρ厣皾{干密度與吸水率的影響

由圖7可見：

（1）摻加5%～30%的?；⒅椴⑽达@著降低試樣的干密度，密度535～591 kg/m3內(nèi)。其中，當(dāng)?；⒅閾搅俊?5%時，試樣的密度隨其摻量增加而小幅增大。而當(dāng)摻量超過15%后，因低密度?；⒅榈亩逊e效應(yīng)，促使試樣的干密度持續(xù)降低。由于小粒徑的?；⒅榭商畛湓贓PS顆粒堆積空隙中，降低EPS砂漿內(nèi)部空隙率，這不僅導(dǎo)致砂漿密度的小幅增大，也降低了試樣的吸水率。

（2）摻加5%玻化微珠為輕集料時，試樣的吸水率由8.9%降至8.3%。此后，隨著?；⒅閾搅康倪M(jìn)一步增加，砂漿試樣的吸水率小幅增大，但若摻量超過20%后，將導(dǎo)致吸水率快速增長。其中，摻量30%的試樣EG30吸水率高達(dá)47.4%。由于?；⒅榫哂胁糠珠_口孔，其飽和面干吸水率高達(dá)135%。當(dāng)?；⒅閾搅砍^20%時，地質(zhì)聚合物漿體將難以完全包裹?；⒅椋瑢?dǎo)致試樣的吸水率大幅增長，而這將損害砂漿的耐水性與抗凍性。

盡管添加玻化微珠并未顯著改變保溫砂漿的干密度，但卻明顯影響其力學(xué)性能（見圖8）。

圖8 玻化微珠摻量對保溫砂漿抗壓強(qiáng)度和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響

由圖8可見：

（1）隨著?；⒅閾搅康脑黾?，試樣的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先提高后降低的變化規(guī)律，當(dāng)摻量達(dá)到20%時，砂漿試樣獲得最高抗壓強(qiáng)度3.26 MPa。一方面，摻入?；⒅樘畛淞薊PS顆粒堆積間隙，增大了試樣的致密度，促使砂漿抗壓強(qiáng)度提升；另一方面，由于玻化微珠主要組成為SiO2、Al2O3和CaO，在拌合漿體中可參與堿激發(fā)反應(yīng)，形成的水化產(chǎn)物填補粘結(jié)界面，促使試樣強(qiáng)度提高。當(dāng)玻化微珠摻量超過20%后，由于硬化漿體難以完整包裹?；⒅?，使得砂漿體系中的孔隙率增大，干密度降低，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低。另外，參與反應(yīng)的?；⒅閿?shù)量增多，降低了體系中激發(fā)劑的堿當(dāng)量。堿當(dāng)量過低將嚴(yán)重影響礦渣的溶解速率，導(dǎo)致硬化漿體凝結(jié)時間延長，水化程度降低，同齡期試樣強(qiáng)度降低[13]。

（2）隨著玻化微珠摻量的增加，試樣的粘結(jié)拉伸強(qiáng)度同樣出現(xiàn)先提高后降低的變化趨勢。其中，未摻入玻化微珠的試樣粘結(jié)強(qiáng)度高達(dá)518 kPa，拉伸斷裂過程中僅有少數(shù)EPS顆粒脫離，大部分沿徑向撕扯斷裂（見圖9）。這表明，礦渣基地質(zhì)聚合物硬化漿體與EPS顆粒以及標(biāo)準(zhǔn)砂漿具有良好的粘結(jié)性能，但由于EPS顆粒自身強(qiáng)度較低，因而裂紋穿越EPS顆粒導(dǎo)致砂漿試件斷裂。當(dāng)摻入10%?；⒅楹?，試樣獲得581 kPa的最高粘結(jié)強(qiáng)度，此時斷裂面上的EPS顆粒以徑向斷裂為主。當(dāng)?；⒅閾搅繛?5%時，斷裂面上的EPS顆粒以整體脫離為主（見圖9），而非徑向撕裂，且此時試樣的粘結(jié)強(qiáng)度降低。這表明，盡管摻加少量玻化微珠有助于提高基體的粘結(jié)拉伸強(qiáng)度，但也導(dǎo)致硬化漿體與EPS顆粒的粘結(jié)力降低。當(dāng)?；⒅閾搅看笥?5%時，試樣的粘結(jié)拉伸強(qiáng)度快速降低，摻量為30%的試樣粘結(jié)拉伸強(qiáng)度僅為35 kPa。

圖9 不同玻化微珠摻量試樣的斷面結(jié)構(gòu)形貌

圖10為?；⒅閾搅繛?5%的保溫砂漿不同部位的顯微形貌。

圖10 ?；⒅?EPS復(fù)合保溫砂漿不同部位的顯微形貌

由圖10（a）可見，保溫砂漿中的EPS顆粒通過物理嵌合方式存在于硬化漿體中，通過水化產(chǎn)物相互粘結(jié)。通過觀察EPS顆粒脫離后的界面過渡區(qū)，如圖10（b）、（c）可見，在EPS顆粒與硬化漿體的接觸界面上形成了大量的水化膠凝產(chǎn)物，這是礦渣基地質(zhì)聚合物與EPS顆粒具有良好粘結(jié)性的主要原因。由圖10（d）可見，玻化微珠與地質(zhì)聚物漿體反應(yīng)形成致密整體，其粘結(jié)界面緊密。因而，在砂漿試樣破壞過程中，?；⒅槌Ｒ詮较驍嗔训姆绞狡茐?，這有效阻止微裂紋的形成與擴(kuò)展，提高了保溫砂漿的力學(xué)性能。由圖10（e）、（f）可見，不僅?；⒅楸砻嬖跐{體中參與了溶解-聚合反應(yīng)，其內(nèi)部空腔中也填充有大量的水化產(chǎn)物。由于?；⒅榫哂休^高的吸水率，其在漿體拌合過程中吸收部分激發(fā)劑溶液，促使水化產(chǎn)物的形成。這一現(xiàn)象將導(dǎo)致參與礦渣反應(yīng)的激發(fā)劑濃度降低，溶解-聚合反應(yīng)不充分，硬化漿體強(qiáng)度下降。同時，這也解釋了摻入少量?；⒅闀r，試樣密度逐漸增大的主要原因。

3 結(jié)論

（1）摻加EPS顆粒可迅速降低礦渣基地質(zhì)聚合物保溫砂漿的干密度和導(dǎo)熱系數(shù)，大粒徑EPS顆粒摻量為6%時可制備干密度446 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)0.078 W/（m·K）的保溫砂漿，但由于顆粒堆積空隙增多，吸水率高達(dá)13.4%。

（2）在大粒徑EPS顆粒制備的保溫砂漿中摻加小粒徑EPS顆粒，可有效降低顆粒堆積空隙，不僅使干密度和導(dǎo)熱系數(shù)的進(jìn)一步降低，且保溫砂漿具有更低的吸水率、更高的抗壓強(qiáng)度。

（3）摻加5%～30%的?；⒅椴荒苡行Ы档虴PS保溫砂漿的干密度，卻顯著影響其力學(xué)性能。在?；⒅閾搅繛?0%時，試樣獲得581kPa的最高粘結(jié)強(qiáng)度，并在其摻量為20%時獲得3.26MPa的最高抗壓強(qiáng)度。

（4）?；⒅榕c礦渣基地聚物漿體反應(yīng)形成致密整體，使其粘結(jié)界面緊密，這是試樣力學(xué)性能提高的主要原因。但若?；⒅閾搅砍^20%時，體系內(nèi)激發(fā)劑濃度降低，影響了礦渣的堿激發(fā)反應(yīng)，導(dǎo)致保溫砂漿強(qiáng)度下降。