聚合物改性EPS保温砂浆的力学性能试验研究

邓思捷，范杰

（贵州理工学院 土木工程学院，贵州 贵阳 550003）

0 引言

聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）每年都有大量废弃物因不能进行处理、降解而成为白色污染[1]。将废弃EPS应用于保温砂浆的生产能有效实现节能减耗、资源循环利用，是当前我国保温材料研究的热点[2-4]。但已有研究表明，EPS颗粒与水泥相容性差，界面性能低，EPS保温砂浆普遍存在强度低，粘结性差等缺陷[5-7]。

本文针对以上缺陷问题，利用聚乙烯醇、纤维素醚作为复合改性剂对EPS颗粒进行表面处理。聚合物溶液包裹能有效降低EPS颗粒表面亲水接触角，克服EPS亲水性差的缺陷[8-9]。通过聚合物改善EPS颗粒与无机胶凝材料之间的界面性能，并采用“水泥裹砂”造壳原理制备保温砂浆，能有效提升砂浆的力学性能。本文通过正交试验对聚合物改性EPS保温砂浆的配比进行了优选，测试了聚合物及其掺量对保温砂浆工作性能及抗压、抗折强度的影响，并结合扫描电镜测试结果探讨了改性机理。

1 试验

1.1 试验材料

水泥：塔牌P·O42.5水泥，密度3.05 g/cm3，物理力学性能见表1。聚乙烯醇：PVA－124型，汕头西陇化工集团生产，性能指标见表2。废弃EPS颗粒：粒径2～5 mm，广东汕头鹏达辉保温材料厂生产，物理性能见表3。拌合水：自来水。纤维素醚：HPMC200000S，羟丙基甲基纤维素，浙江祥文化工生产。

表1 水泥的物理力学性能

表2 聚乙烯醇的物理化学性能

表3 EPS颗粒的物理性能

1.2 试件的成型与养护

试件成型工艺：采用“水泥裹砂”造壳原理制备[10]。首先将适量的聚乙烯醇、纤维素醚溶入水中制成分散溶液，然后均匀地洒在EPS颗粒表面，期间不断搅拌，待EPS颗粒表面充分被聚乙烯醇溶液润湿后，将表面处理的EPS颗粒和部分水泥置于搅拌机中低速搅拌，使EPS颗粒表面包裹一层水泥浆体，即制得表面为“亲水性”的EPS颗粒。之后，将“亲水性”处理的EPS颗粒、剩余水泥、减水剂按一定比例混合并置于搅拌机中进行干拌处理，得到较为均匀分布的干拌保温砂浆集料。最后，将干拌集料与剩余水混合，搅拌均匀后置于试模中振捣成型。

试件的养护：试件成型24 h后拆模编号，并置于清水中常温养护28 d，试件规格为40 mm×40 mm×160 mm。

1.3 加载装置和试验方法

力学性能测试：试件养护28 d后，擦干表面水分，置于（65±2）℃的烘箱中烘干至恒重，冷却至室温后，在三思集团生产的CMT－5105型电子万能试验机上进行抗折试验，测试过程按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行。抗折强度测试完成后，折断的试件采用压力接触面积为40 mm×40 mm的模具置于万能试验机上进行抗压强度测试。

流动度测试：保温砂浆的试件流动度测试参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》采用“跳桌法”进行。试验前先进行10次试跳，之后，将拌合完成的砂浆集料均匀装满于跳桌模具中，并用抹刀将砂浆表面刮平，使其高度与模具表面保持一致。跳桌在15 s内跳动25次，并在相互垂直的2个面上对砂浆集料的平均直径进行测试。

体积密度测试：试件养护完成后，将其置于干燥空气中静置24 h，使试件达到干燥状态。之后采用电子天平和游标卡尺测试试件质量与尺寸，计算体积密度。每组选取3个试件进行测试，取其平均值。

微观分析：完成宏观性能测试后，敲碎相应试件，取薄片状样品置于无水乙醇中终止水化保存。采用FEI公司制造的Quanta 200 FEG型场发射环境扫描电子显微镜进行微观形貌测试，分析材料内部结构及作用机理。

2 试验结果与分析

2.1 聚合物及掺量对保温砂浆工作性能的影响

保温砂浆的工作性能代表其施工难易程度，是评价EPS保温砂浆的重要性能指标之一，根据砂浆的稠度和分层度，可将保温砂浆的工作性能分为很差、差、较差、较好4个等级[11]。表4为不同聚合物掺量的EPS保温砂浆工作性能。

表4 不同聚合物及掺量对EPS保温砂浆工作性能的影响

由表4可知：（1）随着聚乙烯醇掺量的提高，保温砂浆的工作性能得到优化。当聚乙烯醇掺量达到0.4%时，可满足保温砂浆的施工要求。聚乙烯醇掺量进一步提高时，过量的聚合物导致砂浆粘性太大，流动性不足，反而不利于施工，且砂浆施工成本增大。（2）适量纤维素醚的掺入有利于保温砂浆稠度和保水性改善。其掺量达到0.2%时，保温砂浆的工作性能较好。当其掺量进一步增大时，过量的纤维素醚吸附大量水分，并引入较多空气（引气性），使砂浆拌合物的流动性下降，砂浆的施工性能反而降低。

2.2 聚乙烯醇掺量对保温砂浆力学性能的影响

固定水灰比为0.36，包裹EPS颗粒的水泥用量为EPS质量的9倍，纤维素醚掺量为水泥质量的0.2%，PVA掺量对保温砂浆抗压、抗折强度及体积密度的影响如图1所示。

图1 PVA掺量对保温砂浆性能的影响

由图1可知：随着聚乙烯醇掺量的增大，保温砂浆的抗压、抗折强度均呈现出先升高后降低的特征。聚乙烯醇掺量为0.4%时，砂浆具有最佳的力学性能，其抗压强度、抗折强度相对于未掺聚乙烯醇时分别提高了37.9%、25.4%。出现该变化趋势主要是由于作为EPS保温砂浆改性材料的聚乙烯醇在纤维素醚溶液中形成凝胶体系，将其与EPS颗粒混合时会在颗粒表面形成包裹状的聚合物薄膜，以此提升EPS颗粒与水泥基体之间的粘结作用，并提高保温砂浆的力学性能。不掺聚乙烯醇或少掺聚乙烯醇时，EPS颗粒表面的亲水性较差，难以有效与水泥砂浆形成界面粘结，故其强度较低。而当聚乙烯醇掺量过高时，将形成大量的薄膜对水泥水化起到抑制作用，从而使得强度明显降低。由图1还可明显看出，随着聚乙烯醇掺量的增加，保温砂浆的粘聚力和密实度增强，其体积密度明显提高，当聚乙烯醇掺量由0增大到0.7%时，EPS保温砂浆的体积密度增大了4.3%。综合分析，从技术和经济角度考虑，纤维素醚掺量固定为0.2%时，EPS砂浆中聚乙烯醇的合理掺量为0.2%～0.4%。

2.3 纤维素醚掺量对保温砂浆力学性能的影响

固定水灰比为0.36，包裹EPS颗粒的水泥用量为EPS质量的9倍，PVA掺量为0.4%，纤维素醚掺量对保温砂浆抗压、抗折强度及体积密度的影响如图2所示。

图2 纤维素醚掺量对保温砂浆性能的影响

由图2可以看出，随着纤维素醚掺量的增大，保温砂浆的抗压、抗折强度先升高后降低。纤维素醚掺量为0.3%时，保温砂浆具有最佳的力学性能，其抗压强度、抗折强度相对于未掺纤维素醚时分别提高了58.3%、45.7%。其原因可归结为：纤维素醚与聚乙烯醇的共混过程中，随着其掺量的增加，聚乙烯醇的醇解效果不断增强，混合溶液能更有效地降低EPS颗粒表面的亲水接触角，以此提高聚合物的改性作用，使保温砂浆的力学性能增强。但是当纤维素醚的掺量大于0.3%时，其本身的引气作用使得拌和砂浆的流动性明显降低，试件成型后大量的气孔存在于砂浆内部，使材料内部密实度降低，从而影响其力学性能。由图2还可明显看出，纤维素醚引气作用使砂浆密实程度降低，随着其掺量的增加，保温砂浆体积密度先减小后稍有增大，当纤维素醚掺量由0增大到0.4%时，EPS保温砂浆的体积密度减小了8.3%。通过以上分析可知，从工作性能和经济性考虑，纤维素醚的合理掺量为0.2%～0.3%。

2.4 正交试验分析

为了获取轻质、高强、工作性能较好的改性EPS保温砂浆，在固定EPS与水泥质量比为1∶9的情况下，设计正交试验因素水平如表5所示。正交试验结果如表6所示，极差分析见表7。

表5 正交试验因素水平

表6 正交试验结果

表7 正交试验极差分析

由表7可知：（1）3个因素中对于体积密度影响最显著为纤维素醚掺量（纤维素醚具有一定的引气作用，其掺量提高将使保温砂浆密实度降低），体积密度适宜组合为A3B3C1，但正交设计中并无此组合，通过表6得出正交设计中最适宜组合为A3B2C3，该组合下保温砂浆体积密度最轻，为 850 kg/m3；（2）水灰比对保温砂浆抗压强度最显著，其次为聚乙烯醇掺量（聚乙烯醇的粘聚性较强，其掺量的提升能使EPS颗粒与砂浆及砂浆集料之间的粘结更为紧密，基体抗压强度增强），最佳抗压强度组合为A3B2C3，其抗压强度达到最高值7.15 MPa；（3）对EPS保温砂浆抗折强度影响最为显著的因素为纤维素醚掺量，抗折强度适宜组合为A3B1C2，但正交设计中并无此组合，通过表6中实测数据对比，得出正交设计中最适宜组合为A3B3C2，该组合下保温砂浆体积抗折强度最高，为1.85 MPa。由于保温砂浆体积密度、抗压强度正交设计组合均以A3B2C3最优，且该组抗折强度达到1.67 MPa，可认为聚乙烯醇掺量0.4%、水灰比0.35、纤维素醚掺量0.2%的组合下，保温砂浆达到最优性能。

3 微观结构及改性机理探讨

为了进一步分析聚乙烯醇、纤维素醚的掺入对EPS保温砂浆微观结构影响及其相互作用机理，采用扫描电镜进行了细致观测。图3为改性前后EPS保温砂浆的微观形貌。

图3 改性前后EPS保温砂浆的微观结构

从图3（a）可明显看出，未经表面处理的EPS颗粒为蜂窝状膜结构，且颗粒强度较低，影响EPS保温砂浆力学性能的关键为EPS颗粒与水泥基体界面过渡区及基体本身性能。未经界面处理的EPS与水泥界面过渡区主要由水化产物填充，且存在大量有缺陷的疏松孔隙结构，从而限制了砂浆整体性能。EPS颗粒经聚乙烯醇、纤维素醚包裹处理后，表面存在大量的絮丝状聚合物薄膜[见图3（b）]，这些聚合物薄膜一方面能使EPS内部蜂窝结构更为密实，另一方面还能填充于EPS与水泥界面过渡区，起到一定的桥接作用，并改善界面孔隙结构，从而提升材料整体力学性能。

图4为改性前后EPS保温砂浆的断面破坏形态。

图4 改性前后EPS保温砂浆的断面形态

从图4（a）可以看出：未处理的EPS保温砂浆断面破坏形态主要体现为EPS颗粒与水泥基材之间的界面粘结破坏（如A、B所示），EPS颗粒破碎较少（如C所示）。造成该现象的原因可归结为EPS颗粒亲水性能较差，它与水泥材料之间仅通过部分水化产物粘结，界面性能低，材料破坏时多体现为界面粘结破坏。EPS颗粒经聚乙烯醇、纤维素醚表面处理后，亲水性有效提升，与水泥基体之间的粘结增强，界面性能提高，保温砂浆断面破坏基本体现为EPS颗粒破碎，界面粘结破坏出现较少[如图4（b）所示]，界面性能的提升使得保温砂浆的力学性能得到提高。

4 结论

（1）适量聚乙烯醇、纤维素醚的掺入对EPS保温砂浆的工作性能具有改善作用，聚乙烯醇掺量为0.4%、纤维素醚掺量为0.2%时，可较好地满足保温砂浆的施工要求。

（2）EPS保温砂浆的抗压、抗折强度随着聚乙烯醇、纤维素醚掺量提高均呈现出先升高后降低的变化规律。聚乙烯醇掺量为0.2%～0.4%、纤维素醚掺量为0.2%～0.3%时，保温砂浆具有较强的力学性能。

（3）正交试验结果表明，在EPS颗粒与水泥质量比为1∶9时，聚乙烯醇掺量0.4%、水灰比0.35、纤维素醚掺量0.2%的组合下保温砂浆达到最优性能。

（4）适量聚乙烯醇、纤维素醚掺入能有效改善EPS颗粒与水泥基体之间的界面性能，并优化砂浆内部孔结构，从而提升其宏观性能。