无机轻集料保温砂浆材料组成对性能影响的研究

　　以玻化微珠或闭孔珍珠岩为保温骨料的无机轻集料保温砂浆是一种新型建筑干粉砂浆，具有保温隔热及耐火、耐老化性能较好的特点。本文研究了水泥、改性剂、可再分散乳胶粉及不同的胶结料与保温骨料之比对保温砂浆性能的影响情况

引 言

　　无机轻集料保温砂浆是以玻化微珠或闭孔珍珠岩等机轻集料为保温骨料，水泥等无机胶凝材料为主要胶结料，并掺加高分子聚合物及其他功能性添加剂而制成的建筑干粉砂浆，具有施工方便、保温隔热性能较好的特点。相比于有机保温材料，由于砂浆采用无机矿物作为保温骨料，故不易燃烧，防火性能好，受热也不会散发有毒气体；且其耐候性及耐老化性能也有很大提高。因此，该类保温砂浆是一种综合性能较好且绿色环保的新型建筑保温材料。

　　近两年来，国内已有文献资料报道了玻化微珠保温砂浆的研制情况及施工技术。文献［1］研究表明通过掺加高效砂浆发泡剂和β半水石膏，能改善玻化微珠保温砂浆的性能。文献［2］研究了玻化微珠掺量及外加剂对砂浆性能的影响。本文参照GB20473《建筑保温砂浆》的技术性能要求，通过对砂浆稠度、干密度、抗压强度、拉伸粘结强度、导热系数、软化系数多项指标的测试，在较为详细地考察了水泥用量及改性剂对保温砂浆性能影响的同时，着重研究了加入改性剂对干密度与导热系数、抗压强度间的相关性影响，并探讨了加入改性剂后胶结料与玻化微珠配比以及可再分散乳胶粉掺量不同时对保温砂浆性能的影响情况，可望为生产性能优良的无机轻集料保温砂浆提供研究基础。

试 验

1.1 原材料

　　胶结料：本文中所指胶结料指除玻化微珠外，组成无机轻集料保温砂浆的其他材料，包括水泥等无机胶凝材料、高分子聚合物及其他功能性添加材料。

　　水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，海豹水泥有限公司生产。

　　可再分散乳胶粉：乙烯-醋酸乙烯共聚型高分子聚合物，最低成膜温度0℃。

　　玻化微珠：是一种无机物玻璃质矿物材料，由火山岩粉碎成矿砂，经过特殊膨化烧法加工而成。该材料呈不规则球状颗粒，内部为多孔的空腔结构，表面玻化封闭。相比于普通膨胀珍珠岩，玻化微珠具有质轻、保温隔热性能好、强度高的特点。试验采用玻化微珠为河南省信阳生产，其在扫描电镜下的外观形状及内部结构的SEM照片见图1、图2。

　　玻化微珠的堆积密度在130~140 kg/m3，表1为颗粒粒径分布情况。由表1可见，所采用的玻化微珠粒径主要集中在0.3~0.6 mm间。

　　此外，本文中胶结料与玻化微珠之比是指胶结料(质量)与玻化微珠(体积)之间的质量体积比；水料比指水与无机轻集料保温砂浆之间的质量比。

1.2 试验方法

　　试验室环境为空气温度23℃±2℃，相对湿度55%~85%。

1.2.1 稠度

　　按JGJ7070―1990《建筑砂浆基本性能试验方法》中第三章的规定进行。

1.2.2 湿表观密度

　　按JG158－2004《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》6.5.1的规定进行测试。

1.2.3 抗压强度、干密度、软化系数

　　稠度控制在试验所要求的范围内。参照GB/T20473―2006《建筑保温砂浆》中附录B、附录C进行试件成型。其中试样的养护方式为：试样制作后，用聚乙烯薄膜覆盖，养护48 h±8 h后脱模，继续用聚乙烯薄膜包裹养护至14 d，去掉薄膜，养护至28 d。

1.2.4 拉伸粘结强度

　　参照JG/T 24―2000中6.14的规定进行测定。其中保温砂浆成型厚度为6 mm，成型时用刮刀抹实，用聚乙烯薄膜养护至14 d后，去掉薄膜继续养护至28 d。

1.2.5 导热系数

　　按GB/T 10294执行，其中试验平均温度为25℃，冷热板温差为20℃。

2.1 胶结料中水泥含量对无机轻集料保温砂浆性能的影响

　　在无机轻集料保温砂浆中，水泥是最主要的胶凝材料，水泥通过水化作用，为保温砂浆的力学性能提供保障。表2反应了胶结料与玻化微珠之比为1∶5.5时，胶结料中水泥含量对保温砂浆的影响情况。

　　由表2可见，在保持胶结料与玻化微珠之比相同，水料比不变的条件下，随胶结料中水泥的含量增大，保温砂浆新拌浆体的稠度逐渐减小，湿表观密度增加，保温砂浆的干密度、抗压强度、拉伸粘结强度均提高。而干密度的提高，会使砂浆的导热系数增大，保温性能下降。在试验过程中还观察到，随水泥用量的上升，出现了新拌浆体中胶结料对玻化微珠包裹性不佳、和易性变差、浆体较为松散的情况，且随时间延长，稠度下降很快。当水泥含量达94%时，10 min后浆体明显变干，施工操作困难。这主要是由于一方面水泥自身密度较大，在胶结料质量一定的情况下，增大水泥用量，胶结料的密度也相应提高，从而使其在保温砂浆中所占体积减少，故会产生浆体包裹性变差的现象；而另一方面，水泥用量的增加，也使浆体凝结时间缩短。因此，在保温砂浆的配方组成中，必须控制好作为主要胶凝材料水泥的用量。水泥含量高，虽可提高砂浆的强度，但会影响施工性能，且使材料的保温性能降低。

　　图3、图4反映水泥掺量为78%，胶结料与玻化微珠的比在1∶3.5~1∶7.0间变化时，保温砂浆干密度对导热系数、抗压强度的影响情况。

　　由表2可见，在保持胶结料与玻化微珠之比相同，水料比不变的条件下，随胶结料中水泥的含量增大，保温砂浆新拌浆体的稠度逐渐减小，湿表观密度增加，保温砂浆的干密度、抗压强度、拉伸粘结强度均提高。而干密度的提高，会使砂浆的导热系数增大，保温性能下降。在试验过程中还观察到，随水泥用量的上升，出现了新拌浆体中胶结料对玻化微珠包裹性不佳、和易性变差、浆体较为松散的情况，且随时间延长，稠度下降很快。当水泥含量达94%时，10 min后浆体明显变干，施工操作困难。这主要是由于一方面水泥自身密度较大，在胶结料质量一定的情况下，增大水泥用量，胶结料的密度也相应提高，从而使其在保温砂浆中所占体积减少，故会产生浆体包裹性变差的现象；而另一方面，水泥用量的增加，也使浆体凝结时间缩短。因此，在保温砂浆的配方组成中，必须控制好作为主要胶凝材料水泥的用量。水泥含量高，虽可提高砂浆的强度，但会影响施工性能，且使材料的保温性能降低。

　　图3、图4反映水泥掺量为78%，胶结料与玻化微珠的比在1∶3.5~1∶7.0间变化时，保温砂浆干密度对导热系数、抗压强度的影响情况。

2.2 改性剂对无机轻集料保温砂浆性能的影响

　　改性剂是一种对玻化微珠起辅助作用的保温材料，具有较低的堆积密度，其本身的强度较玻化微珠高。因此，在胶结料中加入改性剂后，能使胶结料的密度降低，在保持胶结料质量不变的情况下，增大胶结料体积，不仅可改善新拌浆体的和易性，而且还能提高保温砂浆的抗压强度。表3为加入改性剂后，保温砂浆性能的测试结果，胶结料中水泥的含量为74%。相比于表2，由表3可见，稠度控制在8.0 cm±0.5cm，胶结料与玻化微珠比为1∶5.5的保温砂浆，加入改性剂后，新拌浆体的需水量有所提高，但保温砂浆的干密度明显降低，从未加的386 kg/cm3降至313 kg/cm3，所测的导热系数值为0.068 W/m·K；抗压强度值略有下降，拉伸粘结强度值从0.23 MPa减小到0.17 MPa左右。这主要是由于保温砂浆中改性剂替代了一部分胶凝材料所引起。

　　从表3中还可知，保温砂浆配方相同时，不同水料比对干密度、抗压强度影响较大，但对导热系数影响相对较小。因此，在实际施工中应控制好砂浆的用水量，水量偏少，施工性能变差；水量过大，会使砂浆的抗压强度降低。根据表3及图3的数据，绘制加入改性剂前后保温砂浆干密度与导热系数的关系图，结果见图5。

　　由图5可见，将加与不加改性剂的两组保温砂浆干密度与导热系数的数据合并于一张图中后，所拟合的线性方程相关系数接近0.98，数据离散性小。这说明，改性剂对干密度与导热系数之间的相关性影响较小。

　　根据表3及图4干密度、抗压强度的数据，绘制的加入改性剂前后保温砂浆干密度对抗压强度影响的关系见图6。由图6可知，改性剂可明显影响干密度与抗压强度间的相关性。加入改性剂后，干密度变化对抗压强度的影响较未加改性剂时小。干密度相同时，含改性剂的保温砂浆抗压强度值明显高于未改性的砂浆，且干密度越小，抗压强度值提高得越多。但当干密度超过497 kg/m3时，未改性的保温砂浆强度将大于改性保温砂浆。

　　由此可见，改性剂的加入，对保温砂浆干密度与导热系数间的相关性影响不大，而在相同干密度条件下，可明显提高保温砂浆的抗压强度值，有利于配制干密度、导热系数较低，保温性能较好且抗压强度较高保温砂浆。

　　此外，从试验结果中还可以发现，胶结料与玻化微珠之比会对保温砂浆强度、导热系数及施工性能产生较大的影响。随配比中玻化微珠含量的降低，保温砂浆干密度、抗压强度、拉伸粘结强度、导热系数、软化系数均有不同程度提高，且新拌砂浆的需水量也逐渐减少，浆体和易性变好，但保温性能下降。胶结料与玻化微珠之比为1∶5.5时，加入改性剂的保温砂浆的所测性能可满足GB/T 20473规定I型的要求；胶结料与玻化微珠之比为1∶3.5或4.5的保温砂浆，所测性能可达到Ⅱ型的要求，且两种型号砂浆的抗压强度均明显高于标准的要求。

2.3 可再分散乳胶粉对无机轻集料保温砂浆性能的影响

　　乙烯-醋酸乙烯共聚型可再分散乳胶粉是干粉砂浆中应用最为广泛的添加剂之一，在保温砂浆中加入胶乳粉，能改善砂浆内部粘结能力和界面粘结能力，提高砂浆的拉伸粘结性能及抗开裂性能。在胶结料与玻化微珠之比为1∶4.5，稠度控制为8.0 cm±0.5 cm条件下，胶结料中可再分散乳胶粉掺量对水料比、保温砂浆干密度、抗压强度与拉伸粘结强度的影响见表4。

　　由表4可见，当稠度控制在8.0 cm±0.5 cm时，随可再分散乳胶粉掺量的增加，新拌浆体的水料比逐渐减小，抗压强度具有增大的趋势，干密度基本保持不变，而拉伸粘结强度提高。这主要是因为一方面可再分散乳胶粉能改善新拌砂浆的和易性，在稠度保持一定的情况下，随可再分散乳胶粉掺量的提高，砂浆需水量减少，从而弥补了由于聚合物掺入而对保温砂浆抗压强度所产生的不利影响；另一方面可再分散乳胶粉是一种高分子聚合物，保温砂浆加水混合后，水泥水化与聚合物成膜同时进行，从而形成水泥水化产物与聚合物膜间的互穿网络结构，并改善了玻化微珠与浆体间的界面性能，从而使保温砂浆的自身的柔韧性增加。同时，乙烯-醋酸乙烯共聚物所带有的极性基团，也能与基层间产生分子间作用力，从而使保温砂浆与基层间的拉伸粘结性能也得以提高。

　　图7为胶结料中可再分散乳胶粉掺量为4%时，保温砂浆的扫描电镜照片。从图7可以发现，当可再分散乳胶粉掺量达到4%，由可再分散乳胶粉及纤维素醚所组成的聚合物包覆在水泥水化凝胶体的表面，并在凝胶体间出现了明显的、较为完整的膜，这也说明了掺加可再分散乳胶粉能形成水泥浆体与聚合物交织在一起的互穿网络结构。

图8为玻化微珠与胶结料间的界面微观形貌描SEM照片，可再分散乳胶粉掺量为胶结料的2%。由图可见，在聚合物存在的情况下，硬化的浆体与玻化微珠的玻化面间结合紧密,形成了一个整体。由此可见，将稠度控制在施工所需的范围内，加入可再分散乳胶粉后，保温砂浆干密度基本不变，抗压强度有提高的趋势，且聚合物形成的膜将保温砂浆联结成一个整体，使拉伸粘结强度明显提高。

结 语

无机轻集料保温砂浆的性能受其组成材料及用量的影响。提高水泥用量，能改善无机轻集料保温砂浆的抗压强度、拉伸粘结强度，但使导热系数上升，保温性能及施工性能下降；改性剂能明显提高保温砂浆的抗压强度值，有利于配制干密度、导热系数较低，保温性能较好且力学性能较高保温砂浆；随玻化微珠含量的降低，保温砂浆强度提高，施工性能改善，但导热系数上升；在保持稠度一定的情况下，随可再分散乳胶粉掺量增加，保温砂浆拉伸粘结强度提高，抗压强度并不降低；当可再分散乳胶粉掺量为胶结料的4%时，通过扫描电镜能明显地观察到浆体中聚合物膜的形貌。因此，通过调整配方，能生产出施工性能好，导热系数低，抗压强度、拉伸粘结强度较高的无机轻集料保温砂浆。

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