新型墙体保温砂浆的组成设计与性能研究

吕良宇 刘 伟 褚金鑫

中国建筑第二工程局有限公司 重庆 471000

目前，国内建筑工程墙体保温砂浆应用较多的为珍珠岩保温砂浆和EPS（可发性聚苯乙烯）保温砂浆，但这2种保温砂浆在应用过程中都存在一定的性能缺陷。普通珍珠岩保温砂浆存在脆性大、易开裂、易空鼓以及抗冻性能差等缺陷[1-3]。普通EPS保温砂浆存在易空鼓、耐久性能差等问题，而且EPS颗粒本身具有很强的“憎水性”，容易导致集料和浆体之间不亲和，从而致使EPS保温砂浆离析现象严重，这些问题已严重影响了建筑墙体的使用性能[4-5]。目前，实际工程中多采用墙体硬质保温制品内贴、外贴保温板材以及合成高分子卷材等来解决墙体防水保温问题，这些新材料及新方法在一定程度上提高了墙体的使用性能，但在应用过程中存在一定的局限性，往往致使施工过程繁琐，施工工期长，经济效益低[6-8]。

因此，对新型珍珠岩保温砂浆进行研究，改善传统墙体保温砂浆的性能缺陷，符合我国节能环保与可持续发展的理念，对于提高我国墙体保温材料的使用性能与经济性能具有重要意义。

1 新型珍珠岩保温砂浆组成设计

墙体保温砂浆由于材料成分复杂，其物理力学性能也不同，影响因素较多。本文采取正交试验方法，对砂浆的水灰比、各影响因素的掺量进行确定。

1.1 原材料掺量

1）水灰比。由于珍珠岩具有很强的吸水性，因此，其水灰比比其他砂浆水灰比要高出很多。在珍珠岩掺量（珍珠岩和水泥的质量比）为35%时，对珍珠岩砂浆的水灰比进行试验，结果如表1所示。珍珠岩保温砂浆的水灰比取0.90。

表1 水灰比对稠度的影响

2）橡胶粉掺量。在水灰比为0.90时，改变橡胶粉的掺量，观察试块成形质量。试验结果如表2所示。

3）丁苯乳液掺量。在橡胶粉掺量为8%，确定水灰比为0.90的配比下，其丁苯乳液掺量对砂浆的影响如表3所示。

4）有机纤维掺量。在橡胶粉掺量为8%，丁苯乳液掺量10%，水灰比为0.90的配比下，砂浆稠度受聚酯纤维掺量的影响如表4所示。由表4可知，聚酯纤维掺量越高，砂浆稠度越低，主要原因是纤维的掺量加大后，成团现象明显，结成团的纤维会阻止试锥的沉入。纤维的最大掺量为0.15%。

表2 橡胶粉掺量对试块成形的影响

表3 丁苯乳液掺量对砂浆稠度的影响

表4 有机纤维掺量对砂浆稠度影响

1.2 正交试验设计

正交设计时，橡胶粉掺量为0～18%，聚合物掺量为0～15%，聚酯纤维掺量为0～0.15%，珍珠岩掺量为30%～45%。正交试验情况如表5所示。

表5 正交试验

1.3 试验结果与分析

通过对新型珍珠岩保温砂浆进行正交试验，得到其稠度、稠度保留率、干密度、抗压强度、折压比、软化系数、质量损失率、强度损失率以及导热系数，如图1～图5所示。

图1 砂浆稠度和稠度保留率试验结果

图2 砂浆抗压强度和黏结强度试验结果

图3 砂浆强度损失和质量损失试验结果

图4 砂浆折压比和软化系数试验结果

图5 砂浆干密度和导热系数试验结果

1.3.1 珍珠岩掺量对砂浆性能影响

根据试验结果，珍珠岩掺量对稠度、稠度保留率、抗压强度、软化系数、拉伸黏结强度影响较大。保温砂浆的稠度、抗压强度、拉伸黏结强度随着珍珠岩掺量增加逐渐减小，砂浆质量损失率和软化系数随着珍珠岩掺量增加而增大。

这是由于珍珠岩松散多孔、吸水性很强，砂浆搅拌时间越长珍珠岩颗粒破碎现象越严重，破碎的珍珠岩颗粒起不到骨架的作用，并且珍珠岩会遇水膨胀，破坏试件的内部结构，从而引起保温砂浆的稠度和强度降低。同时，随着珍珠岩掺量的增大，当水泥含量不变时，单位体积的水泥量减少，导致砂浆骨料之间的胶结料不足，砂浆孔隙率增大，使其强度降低。因此，珍珠岩掺量对保温砂浆的强度、稠度和质量损失率的影响较其他性能大。

1.3.2 丁苯乳液掺量对砂浆性能影响

根据试验结果，保温砂浆中丁苯乳液掺量对稠度、稠度保留率、干密度、折压比、抗压强度、拉伸黏结强度影响较大。丁苯乳液掺量的越大，其稠度明显增大，脆性越低，干密度越大，强度越大。掺入丁苯乳液的保温砂浆稠度比未添加时最大增加2.1 cm，主要是由于丁苯颗粒较小，填充在水泥颗粒之间，起到填充作用，因颗粒的“滚珠效应”，减少了水泥颗粒间的摩擦作用，再加上乳液表面活性剂的影响，导致水泥颗粒分散，减少颗粒的表面张力，其减水效果大大增强，而丁苯乳液保水作用较强，能够充当减水剂的作用，在砂浆搅拌过程中，丁苯乳液掺量越大，搅拌成形时间越短，能够有效地改善砂浆浆体的和易性和黏结性，其在砂浆浆体中起到了“胶水”的作用，提高其黏结强度。丁苯乳液和聚合物的复合作用又可以减缓或阻止砂浆内部裂缝的产生。

1.3.3 橡胶粉掺量对砂浆性能影响

由试验结果可知，橡胶粉掺量对折压比、抗压强度、质量损失影响较大。保温砂浆的抗压强度、抗折强度随着橡胶粉含量的增大逐渐降低，尤其是抗压强度下降较明显，主要是由于橡胶粉亲水性弱（或惰性），表面相容性差，界面结合力弱，使其与水泥砂浆间的胶结不牢固，砂浆呈现出相分离的状态。

保温砂浆中橡胶粉掺量越高，其单位体积的水泥浆体含量减少，砂浆硬化后，由于橡胶粉的弹性模量较水泥砂浆要小得多，故砂浆的抗压强度下降较为明显，而抗折强度降低趋势较抗压强度缓，所以其折压比逐渐增大，脆性降低。对于因掺入橡胶粉而导致的保温砂浆强度降低，可通过掺加聚合物改善橡胶粉的表面惰性，提高其与水泥砂浆之间的界面结合能力。

随着橡胶粉掺量增大，质量损失率也随之增大。这是因为在砂浆振动成形时，聚合物对橡胶粉的改性及砂浆硬化都需要一定的时间，在此过程中，橡胶粉颗粒在重力作用下沉到试件底部或棱角处，导致聚合物改性不充分。在试验过程中，其底部或棱角处因黏结力不足，易发生脱落，导致砂浆的质量损失，同时也对砂浆的强度产生一定的影响。

1.3.4 聚酯纤维物掺量对砂浆性能影响

聚酯纤维掺量对软化系数和强度损失的影响较大。聚酯纤维通过对橡胶粉表面进行改性，提高橡胶粉与水泥的结合力，并且聚合物纤维作为添加剂，可大大提高水泥砂浆的密实性。水泥水化反应生成的结晶及胶体带入的微小气泡，可堵塞﹑密实水泥砂浆的毛细孔，同时水泥硬化后易形成交联的网状结构，能有效提高保温砂浆的抗冲击强度和韧性，减缓砂浆内部裂隙的扩大，提高其抗压强度和软化系数。

1.3.5 新型保温砂浆砂配合比

通过对比S1、S7、S8和S12四组砂浆性能，相对于空白样S1，抗折比提高了40%左右，软化系数提高28%左右，保温性能提高40%左右，抗冻性能和拉伸黏结性能也都有不同程度的提高。

分析对比试验组分的配合比，最终得到的最优配比范围为：橡胶粉掺量6%～12%、丁苯乳液掺量10%～15%、聚酯纤维掺量0.05%～0.15%、珍珠岩掺量30%～35%（其中，橡胶粉、丁苯乳液、珍珠岩的掺量是和水泥的质量比，聚酯纤维掺量为体积比）。

2 新型珍珠岩保温砂浆性能研究

2.1 珍珠岩颗粒物理性能

1）抗损伤能力。珍珠岩颗粒表面不规则、呈毛絮状，而且脆性大，在搅拌的过程中由于和易性差的问题容易致使颗粒破碎，抵抗损伤能力差，在珍珠岩保温砂浆制备的过程中，珍珠岩颗粒由于破碎，体积损失为150%～300%。

2）热工性能量。试验采用的珍珠岩堆积密度为61 kg/m3，导热系数为0.04～0.05 [W/(m·K)]，具有良好的热工性能。

3）吸水性。珍珠岩矿砂是在预热后经瞬时高温焙烧形成的，其内部为蜂窝状结构，在1 000～1 300 ℃高温条件下，矿砂中水分气化，体积迅速膨胀4～30倍，形成多孔结构，正是由于珍珠岩内部有大量的孔隙，因此珍珠岩具有很强的吸水性，吸水率可达120%～300%。

4）热稳定性。珍珠岩矿石经破碎形成一定粒度的矿砂，在1 000～1 300 ℃高温条件下其体积迅速膨胀4～30 倍，膨胀变形之后的产物就称为膨胀珍珠岩。由于膨胀珍珠岩是在高温下烘焙而成的，因而具有良好的热稳定性，可以适用于－200～800 ℃的环境条件下。

2.2 珍珠岩保温砂浆性能

根据正交试验结果，新型珍珠岩保温砂浆组成配比为：橡胶粉掺量12%、丁苯乳液掺量15%、聚酯纤维掺量0.05%、珍珠岩掺量30%。其各项性能指标如下：稠度8.70 cm，稠度保留率75.90%，干密度0.45 g/cm3，抗压强度2.21 MPa，折压比0.33，软化系数0.84%，黏结强度0.31 MPa，质量损失率3.62%，强度损失率10.20%，导热系数0.078 W/（m·K）。由试验结果可知，新型珍珠岩保温砂浆具有较好的抗软化、抗冻性能，增强墙体保温层的长期使用效果。

3 结语

本文通过正交试验设计方法，研究了3种改性材料对珍珠岩保温砂浆的性能影响，得到以下结论：

1）珍珠岩对稠度、强度降低的影响较大，而丁苯乳液会导致砂浆稠度明显增大，脆性降低。在砂浆振动成形过程中，由于珍珠岩的吸水性、丁苯乳液的保水和减水性，使水泥浆体相对湿度降低，导致稠度减小。

2）珍珠岩和橡胶粉掺量与砂浆的抗压强度、抗折强度呈负相关，改性后保温砂浆的抗压强度降低最大可达65%，抗折强度降低最大可达45%，而砂浆的折压比增大，其脆性增强。

3）聚酯纤维和丁苯乳液的复合改性，可提高砂浆的抗冻性和软化系数。聚酯纤维对橡胶粉的改性以及丁苯乳液的减水、保水作用，能有效减缓或阻止砂浆内部裂缝的产生，提高其耐久性和使用年限。

4）根据各组分的试验数据和配合比对比分析可得，最优配比范围为：橡胶粉掺量6%～12%、丁苯乳液掺量10%～15%、聚酯纤维掺量0.05%～0.15%、珍珠岩掺量30%～35%。