预拌玻化微珠保温砂浆技术性能研究

张泽平，吕冲飞，刘 鸽，李 珠

（太原理工大学 建筑与土木工程学院，太原030024）

预拌玻化微珠保温砂浆作为建筑节能领域一种新型的保温功能砂浆，当其用于有保温节能要求的建筑物时，不仅要求具有保温性能以满足保温节能的要求，而且要求其方便地实现砂浆制备、运输、储贮等商品化，满足普通建筑工程用砂浆的物理力学性能，满足施工工艺要求。

1 预拌玻化微珠保温砂浆保温性能指标分析

1.1 机理分析

导热系数是影响预拌玻化微珠保温砂浆保温性能最主要的技术性能指标，它的大小直接决定着预拌玻化微珠保温砂浆的品质及工程项目保温节能效果。

由预拌玻化微珠保温砂浆的概念我们可以知道，预拌玻化微珠保温砂浆就是在普通砂浆中掺入了无机绝热材料玻化微珠，由于玻化微珠材料本身具有99%以上表面玻化封闭率，在形成预拌玻化微珠保温砂浆成品的同时，玻化微珠本身的空腔就均匀地分布在砂浆中，大量的空腔气孔阻隔了砂浆材料的热传导通道，提高了砂浆的热阻性能，使预拌玻化微珠保温砂浆具有了良好的保温隔热性能。

本课题组通过正交试验得到影响预拌玻化微珠保温砂浆导热系数各因素的排列顺序为：玻化微珠掺量→水泥用量→石灰用量→外加剂种类→外加剂的用量→玻化微珠容重［1］。本节就影响预拌玻化微珠保温砂浆最主要的因素玻化微珠掺量对预拌玻化微珠保温砂浆导热系数的影响来做分析，为预拌玻化微珠保温砂浆的配比设计开发提供理论指导。

在预拌玻化微珠保温砂浆中，保温成分玻化微珠是均匀分布在复合材料中，故本文采用文献［2］中提出的方法考虑玻化微珠体均匀分散在复合材料的理论计算模型，利用概率理论，建立水泥基预拌玻化微珠保温砂浆导热系数的预测模型，计算不同玻化微珠掺量的预拌玻化微珠保温砂浆的导热系数。

1.1.1 计算模型思路与模型假设

将预拌玻化微珠保温砂浆视为由热学性能差异很大的两相材料所组成的复合材料，将导热系数较低的保温组分玻化微珠材料作为热流阻点。预拌玻化微珠保温砂浆的综合导热系数大小取决于热流穿过其中碰到的热流阻点次数或是概率。本模型不再将保温组分玻化微珠和基体进行明确划分，考虑玻化微珠均匀分布在砂浆中对复合材料预拌玻化微珠保温砂浆导热系数的影响。

本计算模型是在以下假定的基础上进行的：

1）将除玻化微珠外的其他组分形成的基体视为均匀体，不考虑其中缺陷、气孔分布以及水泥浆体本身对基体导热性能产生的影响（事实上，水泥品种、矿物组成、水化程度等因素会对水泥浆体导热性能产生一定影响［3］，故应在试验前先测试纯水泥试件的导热系数以消除这种影响）；

2）不考虑基体和保温组分玻化微珠之间界面的影响；

3）将保温组分玻化微珠视为均匀球体，在预拌玻化微珠保温砂浆基体中均匀分布。

1.1.2 模型计算

假定预拌玻化微珠保温砂浆中水泥选用P·O42.5，水灰质量比为0.50，所成型的除玻化微珠外的水泥基体导热系数为0.439W／（m·K），玻化微珠颗粒平均直径为1mm，导热系数为0.045W／（m·K）；试件尺寸为30mm×300mm×30mm。

设玻化微珠的体积分数φ1为10%。

1）沿热流传递方向将厚度为c的预拌玻化微珠保温砂浆均分为n层，每层厚度等于玻化微珠颗粒平均直径d，则

2）由于玻化微珠在基体中均匀分散，则热流在任意薄层内碰到玻化微珠的概率相等，同时考虑热流一维传递，则在第i层薄板中，热流碰到玻化微珠颗粒的概率为：

3）热流穿过薄板时通过K层热阻的概率为：

分别令K＝0，1，2，3…，30代入上式即可求得热流通过0，1，2，3，…，30层热阻的概率。

依次计算出n＝2，3，…30对应的概率值分别为0.2276，0.2361，0.1771，0.1023，0.0474，0.018，0.0058，0.0016，3.6528×10－4，7.3793×10－5，1.4349×10－5，1.9973×10－6，2.6947×10－7，3.1937×10－8，3.326 8×10－9，3.0441×10－10，2.4428×10－11，1.7142×10－12，1.0476×10－13，0.5543×10－14，0.2519×10－15，9.7371×10－17，3.1555×10－18，0.8415×10－19，0.1798×10－20，2.9597×10－22，0.3523×10－23，2.67×10－25，9.9999×10－27。

4）假设每个薄层的玻化微珠面均匀分散在30㎜厚预拌玻化微珠保温砂浆分成的30个薄层内，则每一层玻化微珠颗粒体积分数φ1为

按式（4）计算对应于0，1，2，…，30层热阻时玻化微珠颗粒的体积分数，

5）求解最大概率所对应的热阻层数目。式（3）为二项式分布函数，对x求导，并令导数为0，即可求得热流最大概率所对应的热阻层数。利用展开式求导可得：

令式（5）为零，即可求得最大概率所对应热阻层数。

不考虑保温组分玻化微珠之间的空隙，将每个薄层视为一个整体，用多层复合保温板理论［4］来计算每一薄层预拌玻化微珠保温砂浆的导热系数：

按式（6）依次求得λ3＝0.3831，λ4＝0.3675，λ5＝0.3531，λ6＝0.3398，λ7＝0.3275，λ8＝0.316，λ9＝0.3053，λ10＝0.2953，λ11＝0.286，λ12＝0.2772，λ13＝0.2689，λ14＝0.2612，λ15＝0.2538，λ16＝0.2469，λ17＝0.2403，λ18＝0.2341，λ19＝0.2281，λ20＝0.2225，λ21＝0.2172，λ22＝0.2121，λ23＝0.2072，λ24＝0.2025，λ25＝0.1981，λ26＝0.1938，λ27＝0.1898，λ28＝0.1859，λ29＝0.1780，λ30＝0.1785.

然后按式（7）进行计算即可得到体积分数为10%的水泥基预拌玻化微珠保温砂浆的导热系数。

应用此模型计算水泥基预拌玻化微珠保温砂浆的导热系数时，若层数n值较小，即保温组分玻化微珠颗粒直径与薄板厚度具有可比性，此时可分别计算K＝0，1，2，3…，n的概率；不考虑保温组分玻化微珠之间的空隙，将每个薄层视为一个整体，用多层复合保温板理按式（1）～（6）来计算每一薄层预拌玻化微珠保温砂浆的导热系数，然后按式（7）进行计算即可得到水泥基预拌玻化微珠保温砂浆的导热系数。若层数n值较大，计算工作量较大时，可先根据式（1）—（5）计算出最大概率层数，然后依次计算K±1，K±2，…，直至满足总通过概率大于等于所要求的概率值，然后按式（7）进行计算，所要求的概率值越大，则计算工作量越大。

按上述计算方法和步骤，在采用预拌玻化微珠保温砂浆保温系统进行保温设计时，可以按满足不同保温要求来确定保温材料玻化微珠的掺量。分别计算当水泥基预拌玻化微珠保温砂浆中玻化微珠颗粒体积分数为20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%时其综合导热系数，结果见表1。

表1 不同玻化微珠掺量的导热系数值

1.2 不同地条件下导热系数理论计算

由于我国地域辽阔，东西南北地区气候差异较大，经济发展不平衡，建筑物的建筑结构体系种类多，所用建筑原材料不同，导热性能有差异。鉴于此，本课题组以满足建筑节能65%为目标，对商品化预拌玻化微珠保温抹灰砂浆在严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区等不同地区、用于不同基材墙体、不同保温层构造情况下，通过理论分析计算出玻化微珠保温砂浆的不同导热系数指标值，作为各地区玻化微珠保温砂浆保温系统设计的理论依据及编制技术规程的依据。

采用玻化微珠保温砂浆做保温层时，其构造做法从内到外分别为玻化微珠保温砂浆层（厚度根据设计要求确定，如果保温节能目标较低，外墙内侧不做保温层时，可以是混合砂浆层）、基层墙体、界面砂浆层、玻化微珠保温砂浆保温层（厚度根据设计要求确定）、抗裂砂浆层。

预拌玻化微珠保温砂浆保温系统墙体部分的传热系数Kp的计算公式为：

式中：Ri为内表面换热阻；R1为混和砂浆层热阻；R2为基材墙体热阻；R3为玻化微珠保温砂浆层热阻；R4为抗裂砂浆层热阻；Re为外表面换热阻，单位均为（m2·K）／W。

以北京地区、200厚钢筋混凝土剪力墙为例，假设所使用的预拌玻化微珠保温抹灰砂浆的设计厚度为30mm，预拌玻化微珠保温砂浆导热系数的修正系数取1.15，墙体内表面采用20mm混合砂浆抹灰，5mm厚的抗裂砂浆，使其满足表1中65%节能目标，所需预拌玻化微珠保温砂浆的导热系数λ的计算过程如下：

北京地区、200厚钢筋混凝土剪力墙墙体部分的热阻

用上述相同的计算方法得到严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区等不同地区、不同基材墙体、不同保温层构造满足65%节能目标对预拌玻化微珠保温砂浆导热系数要求。

根据预拌玻化微珠保温砂浆导热系数的计算结果，设计、施工单位可以根据所在地区、建筑物的基材墙体类型及保温层设计厚度要求向预拌玻化微珠保温砂浆生产厂家提出所需预拌玻化微珠保温砂浆的导热系数要求，预拌玻化微珠保温砂浆生产厂家通过企业数据库资料系统，可以从众多的满足不同要求的保温节能效果的配合比中抽取数据，根据工程项目具体条件，快速进行试配，得出合理的、符合施工要求的配比单。

2 物理力学性能指标分析

玻化微珠保温砂浆的物理力学性能指标包括满足施工过程可操作性的指标以及作为砂浆满足其受力要求的指标，本章针对玻化微珠保温砂浆的抗压强度、稠度、保水率、凝结时间等指标，结合工程项目设计、施工实际情况，提出具体性能指标数值，为玻化微珠保温砂浆保温系统工程设计、施工提供理论参考依据。

2.1 抗压强度性能指标

一般地，砂浆的抗压强度主要取决于砂浆所选用的水泥、外加剂、骨料级配等。而玻化微珠保温砂浆强度还直接受玻化微珠掺量指标的影响，然而，玻化微珠的掺量主要是根据玻化微珠保温砂浆的导热系数确定，因此，对玻化微珠掺量对强度的影响在此不做分析。主要分析水泥、部分外加剂、骨料级配对预拌玻化微珠保温砂浆抗压强度的影响。

2.1.1 水泥

水泥的种类和掺量直接影响到预拌玻化微珠保温砂浆的强度。水泥是典型的水硬性胶凝材料，水泥加水拌和后，会发生水化反应，逐渐形成具有一定强度的水泥石，预拌玻化微珠保温砂浆中因为有了水泥石的存在而具有了一定强度。另外，水泥的水化还起胶连固结砂浆骨料玻化微珠的作用，胶连过程中形成的网状结构协同玻化微珠起承载力作用［5］。所以水泥用量的多少直接决定了预拌玻化微珠保温砂浆的抗压强度值。但是水泥用量的大小会影响到干密度和导热系数，故合适的水泥用量方能具有一定强度又能保证预拌玻化微珠的保温隔热能力。

2.1.2 外加剂

外加剂是商品预拌玻化微珠保温砂浆重要组成成分，它的掺入间接地影响了预拌玻化微珠保温砂浆的抗压强度性能指标。

可分散乳胶粉作为粉体的有机聚合物胶粘剂，在其与水接触时会重新分散成有机聚合物乳液，而当水泥砂浆中的水消失时会形成聚合物膜，在水泥的作用下，形成的聚合物膜不会发生分散，正是基于这种原理，可再分散乳胶粉的掺入降低了预拌玻化微珠保温砂浆的刚性，从而使其抗压强度降低［6］。

木质纤维的加入使得在预拌玻化微珠保温砂浆单位体积内大量分布纵横交织纤维，使得预拌玻化微珠保温砂浆的内聚力增强，抗压强度得到显著提高。

纤维素醚是一种增稠材料，在机械搅拌下有一定的引气作用，从而随着其掺量的增加，增稠和引气作用明显，导致抗压强度降低［7］。

不同外加剂对预拌玻化微珠保温砂浆抗压强度的影响不同，所以在预拌玻化微珠保温砂浆生产过程中原材料配比时，应充分考虑到各种外加剂的掺量对预拌化微珠保温砂浆抗压强度的影响。

2.1.3 骨料级配

级配是表示骨料大小颗粒互相搭配的比例关系。预拌玻化微珠保温砂浆的骨料主要是玻化微珠。玻化微珠颗粒级配适当与否是影响预拌玻化微珠保温砂浆抗压强度的一个重要因素。

不合理的玻化微珠颗粒级配使玻化微珠间的空隙率大，容易出现缺浆现象，而连续分布的胶结料浆是预拌玻化微珠保温砂浆抗压强度的主要来源，缺浆必然影响料浆体系的连续性和完整性，从而影响预拌玻化微珠保温砂浆的抗压强度［8］。所以合理的骨料级配能有效提高预拌玻化微珠保温砂浆的抗压强度。

2.1.4 玻化微珠保温砂浆在不同使用要求时的抗压强度性能指标数值

玻化微珠保温抹灰砂浆抗压强度应满足大于等于300kPa，并按照山西省工程建设地方标准《玻化微珠保温砂浆应用技术规程》中玻化微珠保温砂浆保温系统中规定的施工工艺进行操作。

预拌玻化微珠保温砌筑砂浆一般应用于承重型或非承重型节能型轻质砌块砌体工程中来消除整个砌体存在的“热桥”现象，而预拌玻化微珠保温砌筑砂浆的强度等级应大于M2.5，以M2.5，M5强度等级为主。

预拌玻化微珠保温地面砂浆直接用于建筑物地面面层，在满足要求的保温要求下其抗压强度应符合普通地面砂浆抗压强度要求，所以预拌玻化微珠保温地面砂浆抗压强度应满足大于等于M15。

2.2 施工性能指标

2.2.1 和易性

预拌玻化微珠保温砂浆拌合物应具有良好的和易性，具有良好和易性的玻化微珠保温砂浆，才能不易产生分层、离析现象，才能很好地与基层墙体粘结，才能在粗糙的砌体表面上铺成均匀的薄层，以便于施工操作和保证建筑节能工程质量。玻化微珠保温砂浆拌合物的和易性主要体现在流动性和保水性两个方面，相对应的两个技术性能指标是稠度值和保水率。

2.2.1.1 稠度

预拌玻化微珠保温砂浆的稠度是指砂浆拌合物在自重或外力作用下产生流动的性质。影响预拌玻化微珠保温砂浆稠度的因素有胶凝材料水泥的种类和用量、用水量、细骨料的种类、颗粒形状、粗细程度和级配、所掺入的外掺料及外加剂的品种、用量等因素。另外，预拌玻化微珠保温砂浆生产厂家在确定稠度时应考虑到预拌玻化微珠保温砂浆在运输和储存过程中的损失。

建筑节能工程施工时，若能选用流动性（稠度）适宜的玻化微珠保温砂浆，则能提高施工工效，有利于保证施工质量。

对于预拌玻化微珠保温抹灰砂浆来说，其稠度的选择应根据砂浆所处的面层及施工操作方法来选用。预拌玻化微珠保温抹灰砂浆的稠度选用可参照表3。

表3 预拌玻化微珠保温抹灰砂浆稠度选用 mm

预拌玻化微珠保温砌筑砂浆稠度可根据所用砌体材料的不同及气候条件来选用。预拌玻化微珠保温砌筑砂浆的稠度选用可参照表4。

表4 预拌玻化微珠保温砌筑砂浆稠度选用 mm

考虑到用于地面面层的砂浆拌合物太干，不容易操作，拌合物太湿，硬化后易空鼓，预拌玻化微珠保温地面砂浆的稠度一般应控制在30～50mm。

2.2.1.2 保水率

保水率是反映预拌玻化微珠保温砂浆保水性的技术性能指标。砂浆的保水性是指砂浆保持水分而不易散失的能力。如果在砂浆运输和使用过程中产生泌水、流浆等保水性不良状况，势必导致砂浆干涩，不便于施工，而且会影响水泥的正常水化和凝结硬化，从而使砂浆的强度和粘结力下降。为了保证预拌玻化微珠保温砂浆具有较好的保水性，应在预拌玻化微珠保温砂浆中加入合适的外加剂。纤维素醚就是很好的保水增稠材料，在预拌玻化微珠保温砂浆产品中，纤维素醚的添加量很低，但其能显著地改善湿砂浆的性能，是一种影响砂浆施工性能的主要添加剂。应注意的是，外加剂的掺入会影响到预拌玻化微珠保温砂浆的其他性能，所以纤维素醚等外加剂的掺量应根据试验配比进行确定。

目前，玻化微珠保温砂浆的相关标准、规程中尚未对预拌玻化微珠保温砂浆的保水率指标做出规定，参照国家、行业及各地方预拌砂浆标准规定，预拌玻化微珠保温砂浆的保水率应满足≥88%的要求。

2.2.2 凝结时间

凝结时间反映了预拌玻化微珠保温砂浆失去施工可操作性的最大时间。预拌玻化微珠保温砂浆凝结时间指标值的确定应考虑到预拌玻化微珠保温砂浆生产厂距施工现场的距离、运输设备的性能、施工的气候条件及施工现场的情况包括施工部位、施工水平等因素来进行确定。

考虑到上述影响预拌玻化微珠保温砂浆凝结时间指标值的因素，可在预拌玻化微珠保温砂浆中加入适量的调凝剂对砂浆的凝结时间进行调整以满足实际工程施工的需要，所以对预拌玻化微珠保温砂浆凝结时间指标未做明确规定。

2.2.3 运输延续时间

预拌玻化微珠保温砂浆的运输延续时间与施工时的气温条件有关，运输时间过长会导致砂浆交货时拌合物性能与出厂时偏差较大而影响使用，同时也会缩短砂浆有效使用时间，所以湿拌玻化微珠保温砂浆的运输时间应符合表5的规定［9］。

表5 湿拌玻化微珠保温砂浆运输延续时间

2.2.4 施工养护条件

水泥基的预拌玻化微珠保温砂浆在抹灰工程、砌筑工程、地面工程中应用时，需要对其养护达到满足要求的强度。所以应对其所处环境的温湿度等条件作出规定，且若在冬季施工时，需要采取相应的保温措施。

另外，在预拌玻化微珠保温砂浆养护过程中，水泥的水化需要有一定的温湿条件，而预拌玻化微珠保温砂浆中所掺加的聚合物外加剂是通过失水凝聚成膜的，需要干燥的环境，所以水化凝结与聚合物凝聚成膜过程是一对矛盾［10］。因此，对预拌玻化微珠保温砂浆的养护，必须既满足水泥充分水化，又要保证聚合物能干燥凝聚成膜，从而满足预拌玻化微珠保温砂浆抗压、抗裂、耐久性等要求。

根据太原理工大学玻化微珠保温砂浆研究课题组对玻化微珠保温砂浆的试验及课题组合作单位太原思科达科技发展有限公司在太原纺织苑小区既有建筑节能改造工程、万家寨引黄工程办公楼外围护结构保温工程等项目施工实际情况可知：预拌玻化微珠保温砂浆在正常施工条件下，温度5～25℃，养护时间为7～14天，即可符合一般抹灰工程、砌筑工程、地面工程的要求。

3 结语

1）对预拌玻化微珠保温砂浆保温性能的最重要技术性能指标——导热系数进行了机理分析。在此基础上，计算出不同玻化微珠掺量的预拌玻化微珠保温砂浆的导热系数，为商品预拌玻化微珠保温砂浆的生产提供理论配合比。

2）以满足建筑节能65%为目标，对商品预拌玻化微珠保温抹灰砂浆在不同地区、用于不同墙体材料、不同保温层构造情况下，计算出玻化微珠保温砂浆的不同导热系数指标值，作为各地区玻化微珠保温砂浆保温系统设计的理论依据及编制技术规程的依据。

3）分析了预拌玻化微珠保温砂浆原材料水泥、外加剂及骨料级配等因素对其力学性能指标抗压强度的影响，根据现行建筑物抹灰工程、砌筑工程、地面工程技术规范、规程以及玻化微珠保温砂浆的实际应用情况提出了预拌玻化微珠保温抹灰砂浆、预拌玻化微珠保温砌筑砂浆及预拌玻化微珠保温地面砂浆的抗压强度具体指标值。

4）根据不同的分部分项工程对预拌玻化微珠保温砂浆施工性能的要求，对预拌玻化微珠保温砂浆的施工性能指标包括稠度、保水率、凝结时间及施工养护条件做了理论分析，并提出了相应的指标值。

［1］ 岳俊峰.玻化微珠保温砂浆基本性能试验研究及在整体式保温隔热建筑结构中的应用［D］.太原：太原理工大学，2009.

［2］ 陈春，钱春香，陈惠苏，等.水泥基保温材料导热系数的模型研究［J］.建筑材料学报，2009，12（3）：348-351.

［3］ UYSAL H.DEMIRBOGA R，SAHIN R，et al.The effects of different cement dosages，slumps，and pumice aggregate ratios on the thermal conductivity and density of concrete［J］.Cement and Concrete Research，2004，34（5）：845-848.

［4］ 张波.多层薄板的导热系数［J］.大连轻工业学院学报，1994，13（1）：121-124.

［5］ 郝丽宏.双平板式导热系数测定仪的研制［D］.天津：天津大学，2004.

［6］ 徐迅，李英丁，张铬.外加剂对玻化微珠保温砂浆性能的影响［J］.新型建筑材料，2008，35（12）：60-62.

［7］ Schmitz L，J Hacker C，张量.纤维素醚在水泥基干拌砂浆产品中的应用［J］.新型建筑材料，2006（7）：45-48.

［8］ 曾亮，黄少文，胡欣，罗琦.骨料级配对膨胀珍珠岩－玻化微珠保温砂浆性能的影响［J］.新型建筑材料，2008，35（12）：56-59.

［9］ DBJ04／T285－2010.预拌砂浆生产与应用技术规程［S］.太原：山西科学技术出版社，2010.

［10］ 方正.保温砂浆的湿热性能研究［D］.湖南：湖南大学，2008.