EPS保溫砂漿性能試驗(yàn)研究

陳兵，劉寧，鄧初晴

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240)

以聚苯乙烯泡沫(EPS)顆粒作為輕骨料制備的EPS保溫砂漿，由于可用于外墻外保溫體系，突破了傳統(tǒng)保溫砂漿只能用于內(nèi)保溫的局限，受到了工程界的關(guān)注.自2000年左右，國內(nèi)便開始了EPS保溫砂漿研究與開發(fā)，并已經(jīng)在工程中得到應(yīng)用［1-3］.目前研究較多的是EPS保溫砂漿配比、工藝過程、性能及工程應(yīng)用等方面.王鵑［4］研究了引氣劑、乳膠粉和纖維素醚對EPS保溫砂漿性能的影響，并認(rèn)為EPS保溫砂漿的工作性能隨引氣劑和乳膠粉的摻量增加而改善，隨纖維素醚摻量的增加而先變好后變差，并認(rèn)為能通過測量EPS保溫砂漿的含氣量，可以預(yù)測保溫砂漿的干表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù);張桂紅［5］研究了通過在砂漿拌合物中添加聚丙烯纖維對砂漿抗裂性能的改善作用，認(rèn)為聚丙烯纖維摻量在0.1%時(shí)其阻裂性能最好.針對EPS顆粒與水泥漿體不親合的現(xiàn)象，研究人員采用往砂漿拌合物中摻加粘結(jié)劑成份的方式改善EPS顆粒與水泥漿體的粘結(jié)性能［6-7］，并在此基礎(chǔ)上提出二次混合制備工藝的方法［8］.盡管目前已經(jīng)有不少的研究工作圍繞EPS保溫砂漿開展，但對于如何提高和改善EPS保溫砂漿的綜合性能未有較為系統(tǒng)的研究.本文在作者前期研究工作的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)系統(tǒng)探討了EPS摻量、粘結(jié)劑、引氣劑和粉煤灰摻量對EPS保溫砂漿綜合性能，包括工作性、力學(xué)性能、吸水率、軟化系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)等影響，并在此基礎(chǔ)提出配制綜合性能較佳的EPS保溫砂漿的技術(shù)手段.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥:42.5級普通硅酸鹽水泥，其28 d抗壓強(qiáng)度為57.5 MPa，礦物組成見表1.

2)粉煤灰:上海吳涇發(fā)電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，具體成分見表1.

3)EPS顆粒:原發(fā)性聚苯乙烯泡沫顆粒，粒徑1.0～2.5 mm，堆積密度為11 kg/m3.

4)粘結(jié)劑:采用市售水溶性聚乙烯醇縮甲醛膠粘劑(即建筑801膠水，簡稱JZ)和聚醋酸乙烯酯乳液(即白乳膠，簡稱BR).

5)引氣劑:采用上海格雷斯建材有限公司生產(chǎn)的DARAVAIR110號引氣劑.

表1 膠凝材料化學(xué)成分Table 1 Chemical composition(by mass)of cementitious materials

1.2 試樣制備

將水泥、粉煤灰及各種添加劑混合均勻，加水?dāng)嚢? min后加入EPS顆粒，繼續(xù)攪拌3 min后得到新拌砂漿拌合物，一部分用于工作性及含氣量的測試，另一部分用于干表觀密度、導(dǎo)熱系數(shù)及其它性能的測試.試件成型后置于溫度為(20±2)℃，相對濕度為(60±10)%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，72 h后拆模，并繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).

1.3 性能測試

1)和易性測試:參照中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ70-90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》測試稠度和分層度.

2)強(qiáng)度測試:抗壓與抗折強(qiáng)度參照GB/T17671－1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行，試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm.

3)干密度:參照J(rèn)GJ51-2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行.

4)吸水率和軟化系數(shù)試驗(yàn):參照J(rèn)GJ51-2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行.

5)導(dǎo)熱系數(shù)測試:參照J(rèn)GJ51-2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)中采用的試件以3塊為一組，取自相同配合比的砂漿，3塊試件分別為:薄試件1塊(200 mm×200 mm×20 mm)，厚試件2塊(200 mm×200 mm×60 mm).

2 結(jié)果分析與討論

2.1 EPS摻量的影響

研究中，水灰比控制為0.45，采用水溶性聚乙烯醇縮甲醛膠粘劑(JZ)，摻加不同體積的EPS顆粒制備試樣.試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 EPS體積摻量對EPS保溫砂漿性能影響Table 2 Effect of EPS volume fraction on the properties of EPS mortar

從表中可以看出，隨著EPS顆粒體積比的增加，砂漿拌合物的稠度值逐漸變差.這主要是因?yàn)樗酀{體除用于包裹EPS顆粒后，用于連接、潤滑骨料的漿體部分變少，導(dǎo)致流動性能降低.由于EPS顆粒質(zhì)量明顯輕于水泥漿，因而EPS保溫砂漿的干密度隨著EPS體積摻量的增大而降低.對于EPS保溫砂漿的吸水率，隨著EPS體積摻量的變化，存在一個(gè)最佳值，這主要是由于EPS顆粒本身是憎水的，隨著EP體積摻量提高其吸水率降低，但當(dāng)EPS摻量較高時(shí)，其內(nèi)部的孔隙增多，結(jié)構(gòu)不密實(shí)，導(dǎo)致其吸水率增大.對于力學(xué)性能，隨著EPS體積摻量的增加，用于包裹骨料所需的水泥漿體增加，而用于粘結(jié)骨料的水泥漿體相對減少，輕骨料之間的粘結(jié)力變小，砂漿的抗壓及抗折強(qiáng)度都呈明顯下降趨;相比之下軟化系數(shù)與EPS體積摻量的關(guān)系較復(fù)雜，初始軟化系數(shù)隨EPS顆粒體積百分比增加而明顯降低，在EPS顆粒體積占到砂漿拌合物的82%以上后，砂漿試塊的軟化系數(shù)減幅變小，軟化系數(shù)保持在0.35左右.

圖1 EPS保溫砂漿干密度與導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.1 Relationship between dry bulk density and thermal conductivity and compressive strength

圖1給出了EPS保溫砂漿干密度與導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強(qiáng)度關(guān)系.從圖1中可見，EPS砂漿的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均隨其干密度增大而增大.對于EPS保溫砂漿，為了實(shí)現(xiàn)其保溫隔熱性能，希望其導(dǎo)熱系數(shù)越小越好，同時(shí)為了保證其良好的工程應(yīng)用，需要其具有足夠的強(qiáng)度，這兩者是相互矛盾的.圖1顯示，在EPS砂漿干密度為250～320 kg/m3時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度隨干密度變化比較平緩，且均能滿足其工程應(yīng)用要求.

2.2 粘結(jié)劑的影響

EPS顆粒是一種非極性的輕質(zhì)材料，用它作為主要輕骨料配制EPS保溫砂漿時(shí)，若直接與水泥砂漿拌合，則水泥砂漿對其不潤濕不親合，兩者界面粘結(jié)力弱，導(dǎo)致砂漿的施工和易性差，難于施工.為了提高水泥砂漿與EPS泡沫顆粒間的潤濕親合性，在砂漿拌合物中添加粘結(jié)劑是行之有效的方法［9-10］.目前進(jìn)行的研究中多是使用可分散乳膠粉對EPS顆粒進(jìn)行表面改性，并取得較好的結(jié)果.但由于可分散乳膠粉價(jià)格昂貴，不利于制成產(chǎn)品的推廣和使用.本研究選用2種常見且價(jià)格低廉的粘結(jié)劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn):水溶性聚乙烯醇縮甲醛膠粘劑(即建筑801膠水，簡稱JZ)及聚醋酸乙烯酯乳液(即白乳膠，簡稱BR).實(shí)驗(yàn)中，EPS體積摻量固定為81.8%，對于JZ膠水灰比控制為0.45，其取代水泥用量分別為10%、12%、14%、16%;而BR膠由于其含水量較少，為達(dá)到合適的稠度值范圍，經(jīng)試驗(yàn)后調(diào)整水灰比為0.55，其取代水泥摻量分別為4%、6%、8%、10%.

表3給出了JZ和BR膠在取代不同水泥用量下對EPS保溫砂漿性能的影響.從表中可以看出:對于JZ膠，其摻量對稠度值影響較大，稠度值隨膠摻量的增加而增加，摻量為10%時(shí)配制的砂漿拌合物基本不能滿足施工要求;同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，砂漿試件干密度隨著粘結(jié)劑的用量增加而增大，但增幅不大，摻量為16%時(shí)其干密度僅增加了3.8%;試件吸水率隨著 JZ膠摻量的增加而略有增加，當(dāng)摻量達(dá)到14%后，其吸水率出現(xiàn)較快增大.而對于BR膠，其影響規(guī)律與JZ膠相同.

表3 JZ和BR膠不同摻量對EPS保溫砂漿性能的影響Table 3 Effect of glue addition on the properties of EPS mortar

圖2分別給出了JZ和BR膠不同摻量對EPS保溫砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響，從圖2和表3測試數(shù)據(jù)可以看出:

1)對于JZ膠.隨著膠摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度略有下降，在摻量為10%～12%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降幅較大;抗折強(qiáng)度則略有增加，當(dāng)摻量大14%時(shí)，抗折強(qiáng)度轉(zhuǎn)為下降;折壓比在摻量為14%時(shí)達(dá)到最大，為0.45;粘結(jié)強(qiáng)度也在膠摻量為12%～14%時(shí)達(dá)到最大值;軟化系數(shù)隨著JZ膠的增加而有所降低，在摻量大于14%時(shí)趨于平緩，且均低于0.5.

2)對于BR膠.隨著膠摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度值先是略有增加，在摻量大于8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)降低;抗折強(qiáng)度在摻量介于6%～10%時(shí)，增幅較大(增加了21.6%);粘結(jié)強(qiáng)度也隨BR膠摻量的增加而增加，其中摻量10%時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度值較摻量4%時(shí)增長了27.8%;本組試件軟化系數(shù)值均大于0.6，且隨著BR膠摻量的增加而增加.

從測試結(jié)果可以看出:隨著粘結(jié)劑摻量的增加，EPS砂漿試件的抗壓強(qiáng)度變化較小，甚至略有下降;抗折強(qiáng)度和折壓比則均有提高，說明EPS保溫砂漿的韌性和粘結(jié)力得到了改善.加入粘結(jié)劑后EPS保溫砂漿的抗折強(qiáng)度、折壓比得到提高的原因有3方面:1)在砂漿的凝結(jié)硬化過程中，粘結(jié)劑會在EPS顆粒與水泥漿體之間的過渡區(qū)干燥成膜，使二者的界面結(jié)合更密實(shí)牢固;2)有一部分粘結(jié)劑分散到水泥漿體中，隨著水泥水化的進(jìn)行，粘結(jié)劑凝聚成膜形成聚合物網(wǎng)絡(luò)，這種聚合物網(wǎng)絡(luò)的彈性模量較水泥硬化體的彈性模量低，使硬化水泥漿體的韌性得到改善;3)聚合物分子中某些極性基團(tuán)還可能與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)作用，形成特殊的橋鍵作用，改善水泥水化產(chǎn)物的物理組織結(jié)構(gòu)，緩解內(nèi)應(yīng)力，從而減少水泥漿體中微裂紋的產(chǎn)生.

圖2 JZ和BR膠的不同摻量對EPS保溫砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of different addition of JZ and BR glue on the compress and flexural strength of EPS mortar

2.3 引氣劑的影響

研究中，試樣的水灰比控制為0.55，EPS體積摻量為81.8%，BR膠摻量為6%，引氣劑摻量分別為EPS體積摻量的0%、0.05%、0.10%、0.15%.引氣劑不同摻量對EPS保溫砂漿性能影響結(jié)果見表4.

表4 引氣劑摻量對EPS保溫砂漿性能的影響Table 4 Effect of addition of air entraining agent on the property of EPS mortar

從表4可以看出，由于加入引氣劑后，砂漿的稠度得到明顯提高;而分層度隨引氣劑用量的增加也略有增加;試樣的干密度隨含氣量的增加而下降，編號Y3的試樣干密度較Y0降低了13%.試樣的抗壓強(qiáng)度隨含氣量的增加出現(xiàn)逐漸降低，在含氣量達(dá)到20.1%之前，其抗壓強(qiáng)度下降并不明顯，同時(shí)可看出引氣劑的使用對軟化系數(shù)影響并不顯著，且呈現(xiàn)出引氣劑的引入有利于改善其耐水性.引氣劑的摻入對于EPS保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)的影響最為顯著，隨著含氣量的增加，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)呈明顯下降趨勢，其中編號Y3的試樣較Y0試樣的導(dǎo)熱系數(shù)下降了36.3%，吸水率隨著含氣量的增加也出現(xiàn)較大幅度地下降.

對比試件的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)隨含氣量的增加而下降幅度不同，適當(dāng)?shù)囊霘馀萦欣谂渲聘咝阅艿腅PS保溫砂漿.

2.4 粉煤灰摻量的影響

研究中試樣的水灰比控制為0.55，EPS體積摻量為81.8%，BR膠摻量為6%，粉煤灰分別取代水泥0%、0%、20%、30%、40%，分別測試其不同齡期的抗壓強(qiáng)度、干縮率和導(dǎo)熱系數(shù)等性能指標(biāo).圖3分別給出了不同粉煤灰摻量對EPS保溫砂漿抗壓強(qiáng)度的影響.從圖3(a)可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，試樣的抗壓強(qiáng)度不斷提高，摻加粉煤灰的試塊在后期其抗壓強(qiáng)度提高明顯，且均超過未摻加粉煤灰的試樣.圖3(b)表明:在28 d齡期時(shí)，粉煤灰摻量為20%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度最高;而當(dāng)齡期達(dá)到90 d時(shí)，摻量為30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高.可見，粉煤灰的摻加對于提高EPS保溫砂漿后期強(qiáng)度時(shí)發(fā)出有利的.

圖3 不同粉煤灰摻量對EPS保溫砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of different fractions of fly ash on the compress strength of EPS mortar

圖4給出了不同粉煤灰摻量對EPS保溫砂漿干縮率的影響.由圖4可看出，28天齡期之后，摻加粉煤灰后試件的干縮率均有降低，其中，粉煤灰摻量40%試塊干縮率最小，90 d時(shí)其干縮率為1.87‰，與不摻粉煤灰試塊90 d齡期時(shí)的干縮率相比，降低了67.9%.對比28 d齡期時(shí)試樣干縮率與粉煤灰摻量的關(guān)系，可見不摻粉煤灰和摻加30%時(shí)干縮率較大，其中不摻粉煤灰試樣干縮率最大為1.99‰，摻加40%時(shí)干縮率最小為0.99%，與不摻粉煤灰試樣相比，其干縮率降低了101%.實(shí)驗(yàn)表明加入適量的粉煤灰對改善EPS顆粒保溫砂漿的收縮性能是有利的.

圖4 不同粉煤灰摻量對EPS保溫砂漿干縮率的影響Fig.4 Effect of different fractions of fly ash on the shrinkage rate of EPS mortar

圖5 不同粉煤灰摻量對EPS保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.5 Effect of different fractions of fly ash on the heat conductivity coefficient of EPS mortar

圖5給出了粉煤灰摻量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響.從圖中可以看出，隨著測試齡期的延長，其導(dǎo)熱系數(shù)降低.粉煤灰摻量對EPS保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響沒有明顯的規(guī)律:粉煤灰摻量為40%時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)最大，其次是粉煤灰摻量為30%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)最小的為粉煤灰摻量20%.這可能原因是體系中增加粉煤灰的摻量后，水泥膠凝材料過少，體系中形成了貫通的空隙，引起空氣對流，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增加.此外粉煤灰中含有的球形玻璃微珠也對改善砂漿的導(dǎo)熱性能有一定貢獻(xiàn).但當(dāng)粉煤灰摻量較大時(shí)，則可能起到相反的作用.

3 結(jié)論

1)隨著EPS體積摻量的增加，砂漿拌合物的稠度值逐漸變差，抗壓及抗折強(qiáng)度、軟化系數(shù)都呈明顯下降趨勢.在EPS體積摻量為81%左右時(shí)，吸水率最低，此后隨著EPS體積百分比增大，吸水率增大.導(dǎo)熱系數(shù)隨EPS體積百分比增加而降低，配制EPS保溫砂漿，EPS適宜體積摻量為81%～82%.

2)EPS保溫砂漿稠度值和吸水率隨JZ膠摻量的增加而增加，而各項(xiàng)強(qiáng)度值在JZ膠摻量為14%時(shí)達(dá)到最大，軟化系數(shù)隨JZ膠摻量的增加而降低; BR膠能大幅度提高EPS保溫砂漿的抗折和粘結(jié)強(qiáng)度，其適宜摻量為8%.

3)摻入引氣劑，能顯著改善EPS砂漿的稠度、吸水率、軟化系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)，但對抗壓強(qiáng)度有所降低.綜合考慮，EPS保溫砂漿中含氣量適宜控制在20%左右.

4)摻加粉煤灰能顯著提高EPS保溫砂漿的后期強(qiáng)度和降低其干縮率.粉煤灰摻量對EPS保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生不同的影響，其中粉煤灰摻量為20%左右，其導(dǎo)熱系數(shù)最小.綜合考慮，粉煤灰適宜摻量為20%.

［1］彭家惠，陳明鳳，張建新.廢聚苯乙烯泡沫塑料作保溫砂漿輕骨料的研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2002，5(2):166-169.

PENG Jiahui，CHEN Mingfeng，ZHANG Jianxin.Study on waste expanded polystyrene as lightweight aggregate for thermal insulating mortar［J］.Journal of Building Materials，2002，5(2):166-169.

［2］陳明鳳，謝厚禮，彭家惠，等.粘結(jié)劑和纖維對EPS保溫砂漿性能的影響［J］.房材與應(yīng)用，2001(5):16-19.

CHEN Mingfeng，XIE Houli，PENG Jiahui，et al.Influence of binding agent and fibre on properties of EPS thermal-insulation mortar［J］.Housing Materials＆Applications，2001(5):16-19.

［3］彭家惠，陳明鳳，張建新.EPS表面改性及其保溫砂漿的耐候性與抗裂性［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，25 (1):24-27.

PENG Jiahui，CHEN Mingfeng，ZHANG Jianxin.Investigation on EPS surface modification and EPS thermal insulation mortar＇s weather-resisting and crack-resisting［J］.Journal of Chongqing Jianzhu University，2002，25(1):24-27.

［4］王鵑，王培銘，張國防.外加劑摻量對EPS保溫砂漿性能的影響［J］.新型建筑材料，2005(11):53-55.

WANG Juan，WANG Peimin，ZHANG Guofang.Influence of additive content on the properties of EPS thermal insulating mortar［J］.New Building Materials，2005(11):53-55.

［5］周宏.再生EPS顆粒保溫砂漿性能研究［J］.混凝土，2009(12):98-100.

ZHOU Hong.Study on the performance of pellet heat preservation mortar with regenerates EPS［J］.Concrete，2009 (12):98-100.

［6］李偉，潘鋼華，雎晨光，等.高鈣粉煤灰對EPS顆粒保溫砂漿性能的影響研究［J］.混凝土與水泥制品，2007 (5):51-53.

LI Wei，PAN Ganghua，JU Chenguang，et al.Effects of high-calcium fly ash to the property of EPS thermal insulation mortar［J］.China Concrete and Cement Products，2007 (5):51-53.

［7］梁至柔，王培銘，張國防.聚合物干粉改性EPS保溫砂漿及實(shí)用性研究［J］.新型建筑材料，2004(10):48-51.

LIANG Zhirou，WANG Peiming，ZHANG Guofang.Polymer dry powder modification EPS insulation mortar and application research［J］.New Building Materials，2004(10): 48-51.

［8］王正權(quán).改善EPS砂漿保溫性和防裂砂漿抗裂性的研究［D］.南京:南京工業(yè)大學(xué)，2004:30-48.

WANG Zhengquan.Study on improving heat preservation performance of the EPS exterior thermal insulation mortar and crack-control property of crack-control mortar［D］.Nanjin:Nanjin Industry University，2004:30-48.