橡胶颗粒对玻化微珠保温砂浆基本性能的影响

蒋连接 朱方之 马 静 施 云 罗海艳 高 立

（宿迁学院建筑工程学院，宿迁223800）

0 引 言

在2019 年中国废橡胶综合利用行业高峰论坛上专家指出：随着汽车保有量的持续增长，2018年我国产生了3.8亿条废旧轮胎，废橡胶产生量约1 500 万吨，较上年继续攀升，解决废橡胶产生的黑色污染，实现废橡胶资源化循环利用，具有深远的现实意义。橡胶颗粒是我国废橡胶综合利用的主要方式之一［1］。橡胶颗粒的堆积密度小、导热系数低，作为轻骨料应用于保温材料中，既可以提高保温材料的保温性能，减少建筑能耗，又可以提高废橡胶的循环利用，减轻环境污染，具有广阔的发展前景［2-5］。

玻化微珠保温砂浆是一种常用于建筑物外墙和屋面工程中的保温材料，在其中掺入适量的橡胶颗粒制备新型复合保温砂浆可以拓宽废橡胶的利用途径。抗压强度和导热系数是玻化微珠保温砂浆重要的性能指标，已有少数学者研究了橡胶颗粒掺量对上述指标的影响［6-7］。在此基础上，本文先对橡胶颗粒表面进行改性处理，再将其掺入玻化微珠保温砂浆中制备20 组复合保温砂浆试块，研究了橡胶颗粒掺量和粒径对复合保温砂浆抗压强度和导热系数的影响规律，为其推广应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

采用以下试验材料：上海舜安建材有限公司生产的玻化微珠保温砂浆预拌干粉；宿迁兴亚橡胶有限公司生产的（0.38～0.55）mm、（0.55～2.36）mm、（2.36～4）mm 三种细度的橡胶颗粒；东莞鼎海塑胶化工有限公司生产的硅烷偶联剂KH-550改性剂；烟台远东精细化工有限公司生产的乙醇；自来水。

1.2 试块设计

玻化微珠保温砂浆的配合比由厂家提供，水灰比为0.8；橡胶颗粒掺量取预拌干粉质量的0、10%、20%、30%，橡胶颗粒粒径范围为（0.38～0.55）mm、（0.55～2.36）mm、（2.36～4）mm，分别用A、B、C 表示。设计10 组70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 复合保温砂浆试块，每组3 个，用CM-mn 表示，用于测定28 d 立方体抗压强度；设计10 组300 mm×300 mm×30 mm 复合保温砂浆试块，每组2 个，用TM-mn 表示，用于测定28d 绝干状态下的导热系数。试块分组详见表1，其中CM 代表测定抗压强度用试块，TM 代表测定导热系数用试块，m代表橡胶颗粒粒径，n代表橡胶颗粒掺量（%）。

表1 复合保温砂浆试块分组Table 1 Group of composite thermal insulation mortar samples

1.3 试块制备

试块制备前先对橡胶颗粒表面进行硅烷偶联剂KH-550改性处理，以减小橡胶颗粒对试块抗压强度的不利影响。具体步骤如下：称取1.5%橡胶颗粒质量的硅烷偶联剂KH-550，按KH-550∶乙醇∶水=20%∶72%∶8%的比例混合、配制偶联剂溶液，然后将橡胶颗粒与偶联剂溶液充分搅拌均匀，最后放在阴凉处直至橡胶颗粒颗粒表面完全干燥［8］。

称取各材料用量，向搅拌机中倒入预拌干粉和橡胶颗粒，干拌2 min，使橡胶颗粒在干粉中分散均匀，徐徐加入水，搅拌3 min，倒出均匀膏状料浆，分别装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 和300 mm×300 mm×30 mm 模具中，振捣后用塑料薄膜覆盖，放入养护室中进行养护。

1.4 试验方法

养护28 d 后取出70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm试块，参照《建筑砂浆基本力学性能试验方法标准》（JGJ∕T 70—2009）测定试块的立方体抗压强度。养护28 d 后取出300 mm×300 mm×30 mm 试块，采用砂纸打磨试块表面，保证试块不平行度不超过试块厚度的2%，每组两个试块的厚度差不超过2%；将试块放入（105±5）℃烘箱中烘干至恒重，待试块冷却至室温，参照《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定-热流计法》（10295—2008）利用北京建通JTRG-III导热系数测试仪测定绝干状态下试块的导热系数。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

2.1.1 橡胶颗粒掺量对抗压强度的影响

图1 给出了橡胶颗粒掺量对复合保温砂浆抗压强度的影响规律。从图1 可以看出，相比于未掺橡胶颗粒砂浆CM-0的抗压强度3.49 MPa，掺入10%、20%、30%（0.38～0.55）mm 橡胶颗粒后砂浆CM-A10、CM-A20、CM-A30 的抗压强度分别下降了30.7%、32.7%、49.3%，掺入10%、20%、30%（0.55～2.36）mm 橡胶颗粒后砂浆CM-B10、CMB20、CM-B30 的抗压强度分别下降了14.6%、19.8%、32.4%，掺入10%、20%、30%（2.36～4）mm橡胶颗粒后砂浆CM-C10、CM-C20、CM-C30 的抗压强度分别下降了32.4%、46.1%、51.0%。以上数据表明：随着橡胶颗粒掺量的增加，各组砂浆的抗压强度均逐渐降低，且降低速度较为迅速；掺量10%时，砂浆CM-A10、CM-C10的抗压强度已经下降约30%，掺量30%时，砂浆CM-A30、CM-C30 的抗压强度甚至下降了约50%。因此，橡胶颗粒严重降低了砂浆的抗压强度。

图1 橡胶颗粒掺量对复合保温砂浆抗压强度的影响Fig.1 Effect of rubber particle content on compressive

橡胶颗粒导致砂浆抗压强度降低的主要原因是［9-10］：橡胶颗粒具有较好的憎水性，无法与具有亲水性的水泥基体产生良好的粘结，两者之间形成了大量的薄弱界面，从而降低了砂浆的抗压强度；橡胶颗粒具有较好的引气性，在砂浆搅拌过程中容易包裹空气，形成大量的孔隙，从而降低了砂浆的密实度和抗压强度；橡胶颗粒具有较好的弹性，弹性模量比较小，受压时其变形与其他材料不相协调，而且砂浆的横向变形增大，从而加速砂浆内部微裂缝以及橡胶颗粒、水泥基体之间裂缝的发展，从而降低了砂浆的抗压强度。上述三种不利影响随着橡胶颗粒掺量的增加愈发显著，导致砂浆的抗压强度不断下降。

橡胶颗粒表面虽然已经进行了KH-550 改性处理，但是砂浆的抗压强度仍然产生了大幅度降低。因此，工程应用时仍需寻求更好的改性方式，以减小橡胶颗粒对砂浆抗压强度的不利影响。

同时发现，在相同橡胶颗粒掺量的情况下，掺（0.55～2.36）mm 橡胶颗粒砂浆的抗压强度大于掺其他橡胶粒径的砂浆，显示出橡胶颗粒粒径对砂浆抗压强度也有一定的影响。以下将讨论该问题。

2.1.2 橡胶颗粒粒径对抗压强度的影响

图2 反映了橡胶颗粒粒径与复合保温砂浆抗压强度的变化关系。对比各组砂浆的抗压强度可知，当橡胶颗粒掺量相同时，随着橡胶颗粒粒径的增大，砂浆的抗压强度呈现先增大后减小的趋势。与掺（0.55～2.36）mm 橡胶颗粒砂浆CM-B 的抗压强度相比，掺（0.38～0.55）mm 细橡胶颗粒砂浆CM-A10、CM-20、CM-A30 的抗压强度分别仅为砂浆CM-B10、CM-B20、CM-B30 的81.2%、83.9%、75%，说明掺入的橡胶颗粒粒径越大，砂浆的抗压强度越高。但是当掺入更粗的（2.36～4）mm 橡胶颗粒时，砂浆CM-C 的抗压强度相较于砂浆CM-B反而降低了，砂浆CM-C10、CM-C20、CM-C30 的抗压强度分别约为砂浆CM-B10、CM-B20、CM-B30的79.2%、67.1%、72.5%。

究其原因，在橡胶颗粒掺量相同的情况下，橡胶颗粒粒径越大，橡胶颗粒的表面积越小，与水泥基体的粘结薄弱界面越少，砂浆的抗压强度越高；再者，橡胶颗粒粒径越大，引气作用不显著，砂浆中的含气量减少［11］，其抗压强度也越高。因此，随着橡胶颗粒粒径的增大，砂浆的抗压强度逐渐变大。但是，由于橡胶颗粒的弹性模量比较小，在相同压力作用下，橡胶颗粒粒径越大，其变形与其他材料越不协调，砂浆的横向变形越大，砂浆内部微裂缝以及橡胶颗粒、水泥基体之间裂缝的发展越快，从而导致抗压强度大幅下降。当橡胶颗粒粒径增加到（2.36～4）mm 时，由橡胶颗粒弹性模量小导致抗压强度降低的不利影响因素逐渐占据了主导作用，因此砂浆CM-C 的抗压强度反而比砂浆CM-B有所降低。

图2 橡胶颗粒粒径对复合保温砂浆抗压强度的影响Fig.2 Effect of rubber particle size on compressive strength

2.2 导热系数

2.2.1 橡胶颗粒掺量对导热系数的影响

橡胶颗粒掺量对复合保温砂浆导热系数的影响如图3 所示。无论掺加何种粒径的橡胶颗粒，砂浆的导热系数均随橡胶颗粒掺量的增加而不断减小。未掺橡胶颗粒砂浆TM-0 的导热系数为0.115 W∕（m·K），掺入10%、20%、30%（0.38～0.55）mm 橡胶颗粒后砂浆TM-A10、TM-A20、TM-A30 的导热系数均小于0.1 W∕（m·K），比砂浆TM-0 分别下降了15.7%、17.4%、20.0%；掺入10%、20%、30%（0.55～2.36）mm 橡胶颗粒后砂浆TM-B10、TMB20、TM-B30的导热系数比砂浆TM-0分别下降了5.2%、8.7%、13.9%；掺入10%、20%、30%（2.36～4）mm 橡胶颗粒后砂浆TM-C10、TM-C20、TM-C30 的导热系数比砂浆TM-0 分别下降了2.6%、6.1%、12.2%。这说明橡胶颗粒有助于提高保温砂浆的保温性能，且橡胶颗粒掺量越大，砂浆的保温性能越好。掺入橡胶颗粒后，砂浆导热系数的下降幅度最大不超过20%，远小于抗压强度的下降幅度，因此橡胶颗粒掺量对抗压强度的影响比对导热系数的影响更显著。

图3 橡胶颗粒掺量对复合保温砂浆导热系数的影响Fig.3 Effect of rubber particle content on thermal coefficient

分析认为，复合保温砂浆的导热系数主要与砂浆内部的含气量和孔隙结构有关。橡胶颗粒本身的导热系数比较小，为（0.1～0.15）W∕（m·K）［7］，与未掺橡胶颗粒砂浆TM-0的导热系数比较接近，对导热系数的影响作用不大。但是，橡胶颗粒的掺入增大了砂浆中的含气量，且随着橡胶颗粒掺量的增加，引气作用愈发明显，含气量呈上升的趋势［11］，从而在砂浆中引入了更多细小、封闭的孔隙，减少了对流传热，从而有效地改善了砂浆的保温性能。

2.2.2 橡胶颗粒粒径对导热系数的影响

橡胶颗粒粒径对复合保温砂浆导热系数的影响规律见图4。试验数据表明，相同橡胶颗粒掺量时，随着橡胶颗粒粒径的增大，砂浆的导热系数随之增大，保温性能不断降低。当橡胶颗粒掺量为10%时，相比于砂浆TM-A10，砂浆TM-B10、TM-C10 的导热系数分别增加了12.4%、15.5%；当橡胶颗粒掺量为20%时，相比于砂浆TM-A20，砂浆TM-B20、TM-C20 的导热系数分别增加了10.5%、13.7%；当橡胶颗粒掺量为30%时，相比于砂浆TM-A30，砂浆TM-B30、TM-C30 的导热系数分别增加了7.6%、9.8%。由此可见，掺细橡胶颗粒砂浆的保温性能优于掺粗橡胶颗粒砂浆。这是因为在橡胶颗粒掺量相同的情况下，随着橡胶颗粒粒径的减小，橡胶颗粒的引气作用越显著，砂浆中的含气量越多，更多细小、封闭的孔隙提高了砂浆的保温性能。

2.3 应用建议

（2.36～4）mm 粗橡胶颗粒对复合保温砂浆的抗压强度、导热系数均有较大的不利影响，配制保温砂浆时不建议使用。

图4 橡胶颗粒粒径对复合保温砂浆导热系数的影响Fig.4 Effect of rubber particle size on thermal

（0.55～2.36）mm 橡胶颗粒对复合保温砂浆抗压强度的不利影响最小，砂浆的抗压强度几乎均在2.5 MPa 以上，满足《无机轻集料砂浆保温系统技术规程》（JGJ 253—2011）中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型保温砂浆抗压强度的指标要求，但仅在橡胶掺量30%时导热系数小于0.1 W∕（m·K）。建议使用（0.55～2.36）mm 橡胶颗粒配制保温砂浆时掺量宜控制在30%左右。

（0.38～0.55）mm 细橡胶颗粒对复合保温砂浆保温性能的改善效果最好，砂浆的导热系数均小于0.1 W∕（m.K），满足《无机轻集料砂浆保温系统技术规程》（JGJ 253—2011）中Ⅲ型保温砂浆的指标要求，但抗压强度下降较多。建议使用（0.38～0.55）mm 细橡胶颗粒配制保温砂浆时掺量宜控制在20%以下。

3 结 论

（1）无论掺何种粒径的橡胶颗粒，随着橡胶颗粒掺量的增加，复合保温砂浆的抗压强度显著降低，导热系数不断减小，保温性能随之提高；橡胶颗粒掺量对抗压强度的影响更加显著。

（2）当橡胶颗粒掺量相同时，掺细橡胶颗粒砂浆的保温性能优于掺粗橡胶颗粒砂浆，复合保温砂浆的抗压强度随着橡胶颗粒粒径的增大呈现先增大后减小的趋势。

（3）配制复合保温砂浆时不建议使用（2.36～4）mm 粗橡胶颗粒，使用（0.55～2.36）mm 橡胶颗粒时宜将掺量控制在30%左右，使用（0.38～0.55）mm细橡胶颗粒时宜将掺量控制在20%以下。