預拌玻化微珠保溫砂漿技術性能研究

張澤平，呂沖飛，劉 鴿，李 珠

（太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原030024）

預拌玻化微珠保溫砂漿作為建筑節能領域一種新型的保溫功能砂漿，當其用于有保溫節能要求的建筑物時，不僅要求具有保溫性能以滿足保溫節能的要求，而且要求其方便地實現砂漿制備、運輸、儲貯等商品化，滿足普通建筑工程用砂漿的物理力學性能，滿足施工工藝要求。

1 預拌玻化微珠保溫砂漿保溫性能指標分析

1.1 機理分析

導熱系數是影響預拌玻化微珠保溫砂漿保溫性能最主要的技術性能指標，它的大小直接決定著預拌玻化微珠保溫砂漿的品質及工程項目保溫節能效果。

由預拌玻化微珠保溫砂漿的概念我們可以知道，預拌玻化微珠保溫砂漿就是在普通砂漿中摻入了無機絕熱材料玻化微珠，由于玻化微珠材料本身具有99%以上表面玻化封閉率，在形成預拌玻化微珠保溫砂漿成品的同時，玻化微珠本身的空腔就均勻地分布在砂漿中，大量的空腔氣孔阻隔了砂漿材料的熱傳導通道，提高了砂漿的熱阻性能，使預拌玻化微珠保溫砂漿具有了良好的保溫隔熱性能。

本課題組通過正交試驗得到影響預拌玻化微珠保溫砂漿導熱系數各因素的排列順序為：玻化微珠摻量→水泥用量→石灰用量→外加劑種類→外加劑的用量→玻化微珠容重［1］。本節就影響預拌玻化微珠保溫砂漿最主要的因素玻化微珠摻量對預拌玻化微珠保溫砂漿導熱系數的影響來做分析，為預拌玻化微珠保溫砂漿的配比設計開發提供理論指導。

在預拌玻化微珠保溫砂漿中，保溫成分玻化微珠是均勻分布在復合材料中，故本文采用文獻［2］中提出的方法考慮玻化微珠體均勻分散在復合材料的理論計算模型，利用概率理論，建立水泥基預拌玻化微珠保溫砂漿導熱系數的預測模型，計算不同玻化微珠摻量的預拌玻化微珠保溫砂漿的導熱系數。

1.1.1 計算模型思路與模型假設

將預拌玻化微珠保溫砂漿視為由熱學性能差異很大的兩相材料所組成的復合材料，將導熱系數較低的保溫組分玻化微珠材料作為熱流阻點。預拌玻化微珠保溫砂漿的綜合導熱系數大小取決于熱流穿過其中碰到的熱流阻點次數或是概率。本模型不再將保溫組分玻化微珠和基體進行明確劃分，考慮玻化微珠均勻分布在砂漿中對復合材料預拌玻化微珠保溫砂漿導熱系數的影響。

本計算模型是在以下假定的基礎上進行的：

1）將除玻化微珠外的其他組分形成的基體視為均勻體，不考慮其中缺陷、氣孔分布以及水泥漿體本身對基體導熱性能產生的影響（事實上，水泥品種、礦物組成、水化程度等因素會對水泥漿體導熱性能產生一定影響［3］，故應在試驗前先測試純水泥試件的導熱系數以消除這種影響）；

2）不考慮基體和保溫組分玻化微珠之間界面的影響；

3）將保溫組分玻化微珠視為均勻球體，在預拌玻化微珠保溫砂漿基體中均勻分布。

1.1.2 模型計算

假定預拌玻化微珠保溫砂漿中水泥選用P·O42.5，水灰質量比為0.50，所成型的除玻化微珠外的水泥基體導熱系數為0.439W／（m·K），玻化微珠顆粒平均直徑為1mm，導熱系數為0.045W／（m·K）；試件尺寸為30mm×300mm×30mm。

設玻化微珠的體積分數φ1為10%。

1）沿熱流傳遞方向將厚度為c的預拌玻化微珠保溫砂漿均分為n層，每層厚度等于玻化微珠顆粒平均直徑d，則

2）由于玻化微珠在基體中均勻分散，則熱流在任意薄層內碰到玻化微珠的概率相等，同時考慮熱流一維傳遞，則在第i層薄板中，熱流碰到玻化微珠顆粒的概率為：

3）熱流穿過薄板時通過K層熱阻的概率為：

分別令K＝0，1，2，3…，30代入上式即可求得熱流通過0，1，2，3，…，30層熱阻的概率。

依次計算出n＝2，3，…30對應的概率值分別為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）假設每個薄層的玻化微珠面均勻分散在30㎜厚預拌玻化微珠保溫砂漿分成的30個薄層內，則每一層玻化微珠顆粒體積分數φ1為

按式（4）計算對應于0，1，2，…，30層熱阻時玻化微珠顆粒的體積分數，

5）求解最大概率所對應的熱阻層數目。式（3）為二項式分布函數，對x求導，并令導數為0，即可求得熱流最大概率所對應的熱阻層數。利用展開式求導可得：

令式（5）為零，即可求得最大概率所對應熱阻層數。

不考慮保溫組分玻化微珠之間的空隙，將每個薄層視為一個整體，用多層復合保溫板理論［4］來計算每一薄層預拌玻化微珠保溫砂漿的導熱系數：

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）進行計算即可得到體積分數為10%的水泥基預拌玻化微珠保溫砂漿的導熱系數。

應用此模型計算水泥基預拌玻化微珠保溫砂漿的導熱系數時，若層數n值較小，即保溫組分玻化微珠顆粒直徑與薄板厚度具有可比性，此時可分別計算K＝0，1，2，3…，n的概率；不考慮保溫組分玻化微珠之間的空隙，將每個薄層視為一個整體，用多層復合保溫板理按式（1）～（6）來計算每一薄層預拌玻化微珠保溫砂漿的導熱系數，然后按式（7）進行計算即可得到水泥基預拌玻化微珠保溫砂漿的導熱系數。若層數n值較大，計算工作量較大時，可先根據式（1）—（5）計算出最大概率層數，然后依次計算K±1，K±2，…，直至滿足總通過概率大于等于所要求的概率值，然后按式（7）進行計算，所要求的概率值越大，則計算工作量越大。

按上述計算方法和步驟，在采用預拌玻化微珠保溫砂漿保溫系統進行保溫設計時，可以按滿足不同保溫要求來確定保溫材料玻化微珠的摻量。分別計算當水泥基預拌玻化微珠保溫砂漿中玻化微珠顆粒體積分數為20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%時其綜合導熱系數，結果見表1。

表1 不同玻化微珠摻量的導熱系數值

1.2 不同地條件下導熱系數理論計算

由于我國地域遼闊，東西南北地區氣候差異較大，經濟發展不平衡，建筑物的建筑結構體系種類多，所用建筑原材料不同，導熱性能有差異。鑒于此，本課題組以滿足建筑節能65%為目標，對商品化預拌玻化微珠保溫抹灰砂漿在嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區等不同地區、用于不同基材墻體、不同保溫層構造情況下，通過理論分析計算出玻化微珠保溫砂漿的不同導熱系數指標值，作為各地區玻化微珠保溫砂漿保溫系統設計的理論依據及編制技術規程的依據。

采用玻化微珠保溫砂漿做保溫層時，其構造做法從內到外分別為玻化微珠保溫砂漿層（厚度根據設計要求確定，如果保溫節能目標較低，外墻內側不做保溫層時，可以是混合砂漿層）、基層墻體、界面砂漿層、玻化微珠保溫砂漿保溫層（厚度根據設計要求確定）、抗裂砂漿層。

預拌玻化微珠保溫砂漿保溫系統墻體部分的傳熱系數Kp的計算公式為：

式中：Ri為內表面換熱阻；R1為混和砂漿層熱阻；R2為基材墻體熱阻；R3為玻化微珠保溫砂漿層熱阻；R4為抗裂砂漿層熱阻；Re為外表面換熱阻，單位均為（m2·K）／W。

以北京地區、200厚鋼筋混凝土剪力墻為例，假設所使用的預拌玻化微珠保溫抹灰砂漿的設計厚度為30mm，預拌玻化微珠保溫砂漿導熱系數的修正系數取1.15，墻體內表面采用20mm混合砂漿抹灰，5mm厚的抗裂砂漿，使其滿足表1中65%節能目標，所需預拌玻化微珠保溫砂漿的導熱系數λ的計算過程如下：

北京地區、200厚鋼筋混凝土剪力墻墻體部分的熱阻

用上述相同的計算方法得到嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區等不同地區、不同基材墻體、不同保溫層構造滿足65%節能目標對預拌玻化微珠保溫砂漿導熱系數要求。

根據預拌玻化微珠保溫砂漿導熱系數的計算結果，設計、施工單位可以根據所在地區、建筑物的基材墻體類型及保溫層設計厚度要求向預拌玻化微珠保溫砂漿生產廠家提出所需預拌玻化微珠保溫砂漿的導熱系數要求，預拌玻化微珠保溫砂漿生產廠家通過企業數據庫資料系統，可以從眾多的滿足不同要求的保溫節能效果的配合比中抽取數據，根據工程項目具體條件，快速進行試配，得出合理的、符合施工要求的配比單。

2 物理力學性能指標分析

玻化微珠保溫砂漿的物理力學性能指標包括滿足施工過程可操作性的指標以及作為砂漿滿足其受力要求的指標，本章針對玻化微珠保溫砂漿的抗壓強度、稠度、保水率、凝結時間等指標，結合工程項目設計、施工實際情況，提出具體性能指標數值，為玻化微珠保溫砂漿保溫系統工程設計、施工提供理論參考依據。

2.1 抗壓強度性能指標

一般地，砂漿的抗壓強度主要取決于砂漿所選用的水泥、外加劑、骨料級配等。而玻化微珠保溫砂漿強度還直接受玻化微珠摻量指標的影響，然而，玻化微珠的摻量主要是根據玻化微珠保溫砂漿的導熱系數確定，因此，對玻化微珠摻量對強度的影響在此不做分析。主要分析水泥、部分外加劑、骨料級配對預拌玻化微珠保溫砂漿抗壓強度的影響。

2.1.1 水泥

水泥的種類和摻量直接影響到預拌玻化微珠保溫砂漿的強度。水泥是典型的水硬性膠凝材料，水泥加水拌和后，會發生水化反應，逐漸形成具有一定強度的水泥石，預拌玻化微珠保溫砂漿中因為有了水泥石的存在而具有了一定強度。另外，水泥的水化還起膠連固結砂漿骨料玻化微珠的作用，膠連過程中形成的網狀結構協同玻化微珠起承載力作用［5］。所以水泥用量的多少直接決定了預拌玻化微珠保溫砂漿的抗壓強度值。但是水泥用量的大小會影響到干密度和導熱系數，故合適的水泥用量方能具有一定強度又能保證預拌玻化微珠的保溫隔熱能力。

2.1.2 外加劑

外加劑是商品預拌玻化微珠保溫砂漿重要組成成分，它的摻入間接地影響了預拌玻化微珠保溫砂漿的抗壓強度性能指標。

可分散乳膠粉作為粉體的有機聚合物膠粘劑，在其與水接觸時會重新分散成有機聚合物乳液，而當水泥砂漿中的水消失時會形成聚合物膜，在水泥的作用下，形成的聚合物膜不會發生分散，正是基于這種原理，可再分散乳膠粉的摻入降低了預拌玻化微珠保溫砂漿的剛性，從而使其抗壓強度降低［6］。

木質纖維的加入使得在預拌玻化微珠保溫砂漿單位體積內大量分布縱橫交織纖維，使得預拌玻化微珠保溫砂漿的內聚力增強，抗壓強度得到顯著提高。

纖維素醚是一種增稠材料，在機械攪拌下有一定的引氣作用，從而隨著其摻量的增加，增稠和引氣作用明顯，導致抗壓強度降低［7］。

不同外加劑對預拌玻化微珠保溫砂漿抗壓強度的影響不同，所以在預拌玻化微珠保溫砂漿生產過程中原材料配比時，應充分考慮到各種外加劑的摻量對預拌化微珠保溫砂漿抗壓強度的影響。

2.1.3 骨料級配

級配是表示骨料大小顆粒互相搭配的比例關系。預拌玻化微珠保溫砂漿的骨料主要是玻化微珠。玻化微珠顆粒級配適當與否是影響預拌玻化微珠保溫砂漿抗壓強度的一個重要因素。

不合理的玻化微珠顆粒級配使玻化微珠間的空隙率大，容易出現缺漿現象，而連續分布的膠結料漿是預拌玻化微珠保溫砂漿抗壓強度的主要來源，缺漿必然影響料漿體系的連續性和完整性，從而影響預拌玻化微珠保溫砂漿的抗壓強度［8］。所以合理的骨料級配能有效提高預拌玻化微珠保溫砂漿的抗壓強度。

2.1.4 玻化微珠保溫砂漿在不同使用要求時的抗壓強度性能指標數值

玻化微珠保溫抹灰砂漿抗壓強度應滿足大于等于300kPa，并按照山西省工程建設地方標準《玻化微珠保溫砂漿應用技術規程》中玻化微珠保溫砂漿保溫系統中規定的施工工藝進行操作。

預拌玻化微珠保溫砌筑砂漿一般應用于承重型或非承重型節能型輕質砌塊砌體工程中來消除整個砌體存在的“熱橋”現象，而預拌玻化微珠保溫砌筑砂漿的強度等級應大于M2.5，以M2.5，M5強度等級為主。

預拌玻化微珠保溫地面砂漿直接用于建筑物地面面層，在滿足要求的保溫要求下其抗壓強度應符合普通地面砂漿抗壓強度要求，所以預拌玻化微珠保溫地面砂漿抗壓強度應滿足大于等于M15。

2.2 施工性能指標

2.2.1 和易性

預拌玻化微珠保溫砂漿拌合物應具有良好的和易性，具有良好和易性的玻化微珠保溫砂漿，才能不易產生分層、離析現象，才能很好地與基層墻體粘結，才能在粗糙的砌體表面上鋪成均勻的薄層，以便于施工操作和保證建筑節能工程質量。玻化微珠保溫砂漿拌合物的和易性主要體現在流動性和保水性兩個方面，相對應的兩個技術性能指標是稠度值和保水率。

2.2.1.1 稠度

預拌玻化微珠保溫砂漿的稠度是指砂漿拌合物在自重或外力作用下產生流動的性質。影響預拌玻化微珠保溫砂漿稠度的因素有膠凝材料水泥的種類和用量、用水量、細骨料的種類、顆粒形狀、粗細程度和級配、所摻入的外摻料及外加劑的品種、用量等因素。另外，預拌玻化微珠保溫砂漿生產廠家在確定稠度時應考慮到預拌玻化微珠保溫砂漿在運輸和儲存過程中的損失。

建筑節能工程施工時，若能選用流動性（稠度）適宜的玻化微珠保溫砂漿，則能提高施工工效，有利于保證施工質量。

對于預拌玻化微珠保溫抹灰砂漿來說，其稠度的選擇應根據砂漿所處的面層及施工操作方法來選用。預拌玻化微珠保溫抹灰砂漿的稠度選用可參照表3。

表3 預拌玻化微珠保溫抹灰砂漿稠度選用 mm

預拌玻化微珠保溫砌筑砂漿稠度可根據所用砌體材料的不同及氣候條件來選用。預拌玻化微珠保溫砌筑砂漿的稠度選用可參照表4。

表4 預拌玻化微珠保溫砌筑砂漿稠度選用 mm

考慮到用于地面面層的砂漿拌合物太干，不容易操作，拌合物太濕，硬化后易空鼓，預拌玻化微珠保溫地面砂漿的稠度一般應控制在30～50mm。

2.2.1.2 保水率

保水率是反映預拌玻化微珠保溫砂漿保水性的技術性能指標。砂漿的保水性是指砂漿保持水分而不易散失的能力。如果在砂漿運輸和使用過程中產生泌水、流漿等保水性不良狀況，勢必導致砂漿干澀，不便于施工，而且會影響水泥的正常水化和凝結硬化，從而使砂漿的強度和粘結力下降。為了保證預拌玻化微珠保溫砂漿具有較好的保水性，應在預拌玻化微珠保溫砂漿中加入合適的外加劑。纖維素醚就是很好的保水增稠材料，在預拌玻化微珠保溫砂漿產品中，纖維素醚的添加量很低，但其能顯著地改善濕砂漿的性能，是一種影響砂漿施工性能的主要添加劑。應注意的是，外加劑的摻入會影響到預拌玻化微珠保溫砂漿的其他性能，所以纖維素醚等外加劑的摻量應根據試驗配比進行確定。

目前，玻化微珠保溫砂漿的相關標準、規程中尚未對預拌玻化微珠保溫砂漿的保水率指標做出規定，參照國家、行業及各地方預拌砂漿標準規定，預拌玻化微珠保溫砂漿的保水率應滿足≥88%的要求。

2.2.2 凝結時間

凝結時間反映了預拌玻化微珠保溫砂漿失去施工可操作性的最大時間。預拌玻化微珠保溫砂漿凝結時間指標值的確定應考慮到預拌玻化微珠保溫砂漿生產廠距施工現場的距離、運輸設備的性能、施工的氣候條件及施工現場的情況包括施工部位、施工水平等因素來進行確定。

考慮到上述影響預拌玻化微珠保溫砂漿凝結時間指標值的因素，可在預拌玻化微珠保溫砂漿中加入適量的調凝劑對砂漿的凝結時間進行調整以滿足實際工程施工的需要，所以對預拌玻化微珠保溫砂漿凝結時間指標未做明確規定。

2.2.3 運輸延續時間

預拌玻化微珠保溫砂漿的運輸延續時間與施工時的氣溫條件有關，運輸時間過長會導致砂漿交貨時拌合物性能與出廠時偏差較大而影響使用，同時也會縮短砂漿有效使用時間，所以濕拌玻化微珠保溫砂漿的運輸時間應符合表5的規定［9］。

表5 濕拌玻化微珠保溫砂漿運輸延續時間

2.2.4 施工養護條件

水泥基的預拌玻化微珠保溫砂漿在抹灰工程、砌筑工程、地面工程中應用時，需要對其養護達到滿足要求的強度。所以應對其所處環境的溫濕度等條件作出規定，且若在冬季施工時，需要采取相應的保溫措施。

另外，在預拌玻化微珠保溫砂漿養護過程中，水泥的水化需要有一定的溫濕條件，而預拌玻化微珠保溫砂漿中所摻加的聚合物外加劑是通過失水凝聚成膜的，需要干燥的環境，所以水化凝結與聚合物凝聚成膜過程是一對矛盾［10］。因此，對預拌玻化微珠保溫砂漿的養護，必須既滿足水泥充分水化，又要保證聚合物能干燥凝聚成膜，從而滿足預拌玻化微珠保溫砂漿抗壓、抗裂、耐久性等要求。

根據太原理工大學玻化微珠保溫砂漿研究課題組對玻化微珠保溫砂漿的試驗及課題組合作單位太原思科達科技發展有限公司在太原紡織苑小區既有建筑節能改造工程、萬家寨引黃工程辦公樓外圍護結構保溫工程等項目施工實際情況可知：預拌玻化微珠保溫砂漿在正常施工條件下，溫度5～25℃，養護時間為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 結語

1）對預拌玻化微珠保溫砂漿保溫性能的最重要技術性能指標——導熱系數進行了機理分析。在此基礎上，計算出不同玻化微珠摻量的預拌玻化微珠保溫砂漿的導熱系數，為商品預拌玻化微珠保溫砂漿的生產提供理論配合比。

2）以滿足建筑節能65%為目標，對商品預拌玻化微珠保溫抹灰砂漿在不同地區、用于不同墻體材料、不同保溫層構造情況下，計算出玻化微珠保溫砂漿的不同導熱系數指標值，作為各地區玻化微珠保溫砂漿保溫系統設計的理論依據及編制技術規程的依據。

3）分析了預拌玻化微珠保溫砂漿原材料水泥、外加劑及骨料級配等因素對其力學性能指標抗壓強度的影響，根據現行建筑物抹灰工程、砌筑工程、地面工程技術規范、規程以及玻化微珠保溫砂漿的實際應用情況提出了預拌玻化微珠保溫抹灰砂漿、預拌玻化微珠保溫砌筑砂漿及預拌玻化微珠保溫地面砂漿的抗壓強度具體指標值。

4）根據不同的分部分項工程對預拌玻化微珠保溫砂漿施工性能的要求，對預拌玻化微珠保溫砂漿的施工性能指標包括稠度、保水率、凝結時間及施工養護條件做了理論分析，并提出了相應的指標值。

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