EPS保温砂浆性能试验研究

陈兵，刘宁，邓初晴

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240)

以聚苯乙烯泡沫(EPS)颗粒作为轻骨料制备的EPS保温砂浆，由于可用于外墙外保温体系，突破了传统保温砂浆只能用于内保温的局限，受到了工程界的关注.自2000年左右，国内便开始了EPS保温砂浆研究与开发，并已经在工程中得到应用［1-3］.目前研究较多的是EPS保温砂浆配比、工艺过程、性能及工程应用等方面.王鹃［4］研究了引气剂、乳胶粉和纤维素醚对EPS保温砂浆性能的影响，并认为EPS保温砂浆的工作性能随引气剂和乳胶粉的掺量增加而改善，随纤维素醚掺量的增加而先变好后变差，并认为能通过测量EPS保温砂浆的含气量，可以预测保温砂浆的干表观密度和导热系数;张桂红［5］研究了通过在砂浆拌合物中添加聚丙烯纤维对砂浆抗裂性能的改善作用，认为聚丙烯纤维掺量在0.1%时其阻裂性能最好.针对EPS颗粒与水泥浆体不亲合的现象，研究人员采用往砂浆拌合物中掺加粘结剂成份的方式改善EPS颗粒与水泥浆体的粘结性能［6-7］，并在此基础上提出二次混合制备工艺的方法［8］.尽管目前已经有不少的研究工作围绕EPS保温砂浆开展，但对于如何提高和改善EPS保温砂浆的综合性能未有较为系统的研究.本文在作者前期研究工作的基础上，通过试验系统探讨了EPS掺量、粘结剂、引气剂和粉煤灰掺量对EPS保温砂浆综合性能，包括工作性、力学性能、吸水率、软化系数和导热系数等影响，并在此基础提出配制综合性能较佳的EPS保温砂浆的技术手段.

1 试验

1.1 原材料

1)水泥:42.5级普通硅酸盐水泥，其28 d抗压强度为57.5 MPa，矿物组成见表1.

2)粉煤灰:上海吴泾发电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，具体成分见表1.

3)EPS颗粒:原发性聚苯乙烯泡沫颗粒，粒径1.0～2.5 mm，堆积密度为11 kg/m3.

4)粘结剂:采用市售水溶性聚乙烯醇缩甲醛胶粘剂(即建筑801胶水，简称JZ)和聚醋酸乙烯酯乳液(即白乳胶，简称BR).

5)引气剂:采用上海格雷斯建材有限公司生产的DARAVAIR110号引气剂.

表1 胶凝材料化学成分Table 1 Chemical composition(by mass)of cementitious materials

1.2 试样制备

将水泥、粉煤灰及各种添加剂混合均匀，加水搅拌2 min后加入EPS颗粒，继续搅拌3 min后得到新拌砂浆拌合物，一部分用于工作性及含气量的测试，另一部分用于干表观密度、导热系数及其它性能的测试.试件成型后置于温度为(20±2)℃，相对湿度为(60±10)%的环境中养护，72 h后拆模，并继续养护至规定龄期进行相关试验.

1.3 性能测试

1)和易性测试:参照中华人民共和国行业标准JGJ70-90《建筑砂浆基本性能试验方法》测试稠度和分层度.

2)强度测试:抗压与抗折强度参照GB/T17671－1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行，试样尺寸为40 mm×40 mm×160 mm.

3)干密度:参照JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》进行.

4)吸水率和软化系数试验:参照JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》进行.

5)导热系数测试:参照JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》进行.实验中采用的试件以3块为一组，取自相同配合比的砂浆，3块试件分别为:薄试件1块(200 mm×200 mm×20 mm)，厚试件2块(200 mm×200 mm×60 mm).

2 结果分析与讨论

2.1 EPS掺量的影响

研究中，水灰比控制为0.45，采用水溶性聚乙烯醇缩甲醛胶粘剂(JZ)，掺加不同体积的EPS颗粒制备试样.试验结果见表2.

表2 EPS体积掺量对EPS保温砂浆性能影响Table 2 Effect of EPS volume fraction on the properties of EPS mortar

从表中可以看出，随着EPS颗粒体积比的增加，砂浆拌合物的稠度值逐渐变差.这主要是因为水泥浆体除用于包裹EPS颗粒后，用于连接、润滑骨料的浆体部分变少，导致流动性能降低.由于EPS颗粒质量明显轻于水泥浆，因而EPS保温砂浆的干密度随着EPS体积掺量的增大而降低.对于EPS保温砂浆的吸水率，随着EPS体积掺量的变化，存在一个最佳值，这主要是由于EPS颗粒本身是憎水的，随着EP体积掺量提高其吸水率降低，但当EPS掺量较高时，其内部的孔隙增多，结构不密实，导致其吸水率增大.对于力学性能，随着EPS体积掺量的增加，用于包裹骨料所需的水泥浆体增加，而用于粘结骨料的水泥浆体相对减少，轻骨料之间的粘结力变小，砂浆的抗压及抗折强度都呈明显下降趋;相比之下软化系数与EPS体积掺量的关系较复杂，初始软化系数随EPS颗粒体积百分比增加而明显降低，在EPS颗粒体积占到砂浆拌合物的82%以上后，砂浆试块的软化系数减幅变小，软化系数保持在0.35左右.

图1 EPS保温砂浆干密度与导热系数及抗压强度关系Fig.1 Relationship between dry bulk density and thermal conductivity and compressive strength

图1给出了EPS保温砂浆干密度与导热系数及抗压强度关系.从图1中可见，EPS砂浆的抗压强度和导热系数均随其干密度增大而增大.对于EPS保温砂浆，为了实现其保温隔热性能，希望其导热系数越小越好，同时为了保证其良好的工程应用，需要其具有足够的强度，这两者是相互矛盾的.图1显示，在EPS砂浆干密度为250～320 kg/m3时，其导热系数和抗压强度随干密度变化比较平缓，且均能满足其工程应用要求.

2.2 粘结剂的影响

EPS颗粒是一种非极性的轻质材料，用它作为主要轻骨料配制EPS保温砂浆时，若直接与水泥砂浆拌合，则水泥砂浆对其不润湿不亲合，两者界面粘结力弱，导致砂浆的施工和易性差，难于施工.为了提高水泥砂浆与EPS泡沫颗粒间的润湿亲合性，在砂浆拌合物中添加粘结剂是行之有效的方法［9-10］.目前进行的研究中多是使用可分散乳胶粉对EPS颗粒进行表面改性，并取得较好的结果.但由于可分散乳胶粉价格昂贵，不利于制成产品的推广和使用.本研究选用2种常见且价格低廉的粘结剂进行实验:水溶性聚乙烯醇缩甲醛胶粘剂(即建筑801胶水，简称JZ)及聚醋酸乙烯酯乳液(即白乳胶，简称BR).实验中，EPS体积掺量固定为81.8%，对于JZ胶水灰比控制为0.45，其取代水泥用量分别为10%、12%、14%、16%;而BR胶由于其含水量较少，为达到合适的稠度值范围，经试验后调整水灰比为0.55，其取代水泥掺量分别为4%、6%、8%、10%.

表3给出了JZ和BR胶在取代不同水泥用量下对EPS保温砂浆性能的影响.从表中可以看出:对于JZ胶，其掺量对稠度值影响较大，稠度值随胶掺量的增加而增加，掺量为10%时配制的砂浆拌合物基本不能满足施工要求;同时也发现，砂浆试件干密度随着粘结剂的用量增加而增大，但增幅不大，掺量为16%时其干密度仅增加了3.8%;试件吸水率随着 JZ胶掺量的增加而略有增加，当掺量达到14%后，其吸水率出现较快增大.而对于BR胶，其影响规律与JZ胶相同.

表3 JZ和BR胶不同掺量对EPS保温砂浆性能的影响Table 3 Effect of glue addition on the properties of EPS mortar

图2分别给出了JZ和BR胶不同掺量对EPS保温砂浆抗压强度和抗折强度的影响，从图2和表3测试数据可以看出:

1)对于JZ胶.随着胶掺量的增加，试件的抗压强度略有下降，在掺量为10%～12%时，抗压强度降幅较大;抗折强度则略有增加，当掺量大14%时，抗折强度转为下降;折压比在掺量为14%时达到最大，为0.45;粘结强度也在胶掺量为12%～14%时达到最大值;软化系数随着JZ胶的增加而有所降低，在掺量大于14%时趋于平缓，且均低于0.5.

2)对于BR胶.随着胶掺量的增加，试件的抗压强度值先是略有增加，在掺量大于8%时，抗压强度出现降低;抗折强度在掺量介于6%～10%时，增幅较大(增加了21.6%);粘结强度也随BR胶掺量的增加而增加，其中掺量10%时粘结强度值较掺量4%时增长了27.8%;本组试件软化系数值均大于0.6，且随着BR胶掺量的增加而增加.

从测试结果可以看出:随着粘结剂掺量的增加，EPS砂浆试件的抗压强度变化较小，甚至略有下降;抗折强度和折压比则均有提高，说明EPS保温砂浆的韧性和粘结力得到了改善.加入粘结剂后EPS保温砂浆的抗折强度、折压比得到提高的原因有3方面:1)在砂浆的凝结硬化过程中，粘结剂会在EPS颗粒与水泥浆体之间的过渡区干燥成膜，使二者的界面结合更密实牢固;2)有一部分粘结剂分散到水泥浆体中，随着水泥水化的进行，粘结剂凝聚成膜形成聚合物网络，这种聚合物网络的弹性模量较水泥硬化体的弹性模量低，使硬化水泥浆体的韧性得到改善;3)聚合物分子中某些极性基团还可能与水泥水化产物发生化学作用，形成特殊的桥键作用，改善水泥水化产物的物理组织结构，缓解内应力，从而减少水泥浆体中微裂纹的产生.

图2 JZ和BR胶的不同掺量对EPS保温砂浆抗压强度和抗折强度的影响Fig.2 Effect of different addition of JZ and BR glue on the compress and flexural strength of EPS mortar

2.3 引气剂的影响

研究中，试样的水灰比控制为0.55，EPS体积掺量为81.8%，BR胶掺量为6%，引气剂掺量分别为EPS体积掺量的0%、0.05%、0.10%、0.15%.引气剂不同掺量对EPS保温砂浆性能影响结果见表4.

表4 引气剂掺量对EPS保温砂浆性能的影响Table 4 Effect of addition of air entraining agent on the property of EPS mortar

从表4可以看出，由于加入引气剂后，砂浆的稠度得到明显提高;而分层度随引气剂用量的增加也略有增加;试样的干密度随含气量的增加而下降，编号Y3的试样干密度较Y0降低了13%.试样的抗压强度随含气量的增加出现逐渐降低，在含气量达到20.1%之前，其抗压强度下降并不明显，同时可看出引气剂的使用对软化系数影响并不显著，且呈现出引气剂的引入有利于改善其耐水性.引气剂的掺入对于EPS保温砂浆的导热系数的影响最为显著，随着含气量的增加，试样的导热系数呈明显下降趋势，其中编号Y3的试样较Y0试样的导热系数下降了36.3%，吸水率随着含气量的增加也出现较大幅度地下降.

对比试件的抗压强度和导热系数随含气量的增加而下降幅度不同，适当的引入气泡有利于配制高性能的EPS保温砂浆.

2.4 粉煤灰掺量的影响

研究中试样的水灰比控制为0.55，EPS体积掺量为81.8%，BR胶掺量为6%，粉煤灰分别取代水泥0%、0%、20%、30%、40%，分别测试其不同龄期的抗压强度、干缩率和导热系数等性能指标.图3分别给出了不同粉煤灰掺量对EPS保温砂浆抗压强度的影响.从图3(a)可以看出，随着养护龄期的增长，试样的抗压强度不断提高，掺加粉煤灰的试块在后期其抗压强度提高明显，且均超过未掺加粉煤灰的试样.图3(b)表明:在28 d龄期时，粉煤灰掺量为20%时，其抗压强度最高;而当龄期达到90 d时，掺量为30%时，抗压强度最高.可见，粉煤灰的掺加对于提高EPS保温砂浆后期强度时发出有利的.

图3 不同粉煤灰掺量对EPS保温砂浆抗压强度的影响Fig.3 Effect of different fractions of fly ash on the compress strength of EPS mortar

图4给出了不同粉煤灰掺量对EPS保温砂浆干缩率的影响.由图4可看出，28天龄期之后，掺加粉煤灰后试件的干缩率均有降低，其中，粉煤灰掺量40%试块干缩率最小，90 d时其干缩率为1.87‰，与不掺粉煤灰试块90 d龄期时的干缩率相比，降低了67.9%.对比28 d龄期时试样干缩率与粉煤灰掺量的关系，可见不掺粉煤灰和掺加30%时干缩率较大，其中不掺粉煤灰试样干缩率最大为1.99‰，掺加40%时干缩率最小为0.99%，与不掺粉煤灰试样相比，其干缩率降低了101%.实验表明加入适量的粉煤灰对改善EPS颗粒保温砂浆的收缩性能是有利的.

图4 不同粉煤灰掺量对EPS保温砂浆干缩率的影响Fig.4 Effect of different fractions of fly ash on the shrinkage rate of EPS mortar

图5 不同粉煤灰掺量对EPS保温砂浆导热系数的影响Fig.5 Effect of different fractions of fly ash on the heat conductivity coefficient of EPS mortar

图5给出了粉煤灰掺量对导热系数的影响.从图中可以看出，随着测试龄期的延长，其导热系数降低.粉煤灰掺量对EPS保温砂浆导热系数的影响没有明显的规律:粉煤灰掺量为40%时，其导热系数最大，其次是粉煤灰掺量为30%时，导热系数最小的为粉煤灰掺量20%.这可能原因是体系中增加粉煤灰的掺量后，水泥胶凝材料过少，体系中形成了贯通的空隙，引起空气对流，导致导热系数增加.此外粉煤灰中含有的球形玻璃微珠也对改善砂浆的导热性能有一定贡献.但当粉煤灰掺量较大时，则可能起到相反的作用.

3 结论

1)随着EPS体积掺量的增加，砂浆拌合物的稠度值逐渐变差，抗压及抗折强度、软化系数都呈明显下降趋势.在EPS体积掺量为81%左右时，吸水率最低，此后随着EPS体积百分比增大，吸水率增大.导热系数随EPS体积百分比增加而降低，配制EPS保温砂浆，EPS适宜体积掺量为81%～82%.

2)EPS保温砂浆稠度值和吸水率随JZ胶掺量的增加而增加，而各项强度值在JZ胶掺量为14%时达到最大，软化系数随JZ胶掺量的增加而降低; BR胶能大幅度提高EPS保温砂浆的抗折和粘结强度，其适宜掺量为8%.

3)掺入引气剂，能显著改善EPS砂浆的稠度、吸水率、软化系数和导热系数，但对抗压强度有所降低.综合考虑，EPS保温砂浆中含气量适宜控制在20%左右.

4)掺加粉煤灰能显著提高EPS保温砂浆的后期强度和降低其干缩率.粉煤灰掺量对EPS保温砂浆的导热系数产生不同的影响，其中粉煤灰掺量为20%左右，其导热系数最小.综合考虑，粉煤灰适宜掺量为20%.

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