三元轻集料地面砂浆配制与性能研究

张国永，岑如军，董泽，李杰

（浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江杭州 310012）

0 引言

随着建筑节能要求的提高，楼地面节能保温引起各方关注。在夏热冬冷地区，各地的节能设计标准均要求居住建筑分户楼板传热系数不超过2.0 W/（m·K），而120 mm厚的钢筋混凝土分户楼板的传热系数约为3.5 W/（m·K），为了满足节能要求，必须进行保温处理[1]。目前最常用的楼地面保温措施是在楼板上设置保温层加刚性防护层[1-2]，其中保温层为10～30 mm厚的各类保温板材或无机轻集料保温砂浆[3]，刚性防护层一般是40～50 mm厚的内置钢筋网片C20细石混凝土。工程实践发现，这种构造做法空鼓、开裂问题较为普遍[4]，而且构造总厚度达50～80 mm，影响建筑室内净高。

本研究拟采用陶砂、膨胀玻化微珠、空心微珠3种轻质集料配制三元轻集料地面砂浆，兼顾力学性能和热工性能。将其用作楼地面保温层兼防护层材料，可直接铺设于楼板结构层上，构造简单，施工便捷。三元轻集料地面砂浆的28 d抗压强度等级应达到M15，符合GB 50037—2013《建筑地面设计规范》对地面砂浆强度等级要求，导热系数宜小于0.23 W/（m·K），控制应用厚度不超过50 mm。针对上述目标开展了系列试验研究。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：海螺牌P·O52.5水泥；轻集料：采用陶砂、膨胀玻化微珠和空心微珠组成的三元轻集料，技术性能见表1；纤维：单丝聚丙烯纤维，长度12 mm，市售，符合GB/T 21120—2018《水泥混凝土和砂浆用合成纤维的要求》；复合添加剂：减水、增稠复合型添加剂，公司自制。

表1 轻集料的技术性能

1.2 试验配合比

为确定空心微珠的最佳掺量，采用空心微珠为单一轻集料配制轻质砂浆，空心微珠掺量（按占水泥质量计）分别为0、5%、10%、15%、20%，空心微珠砂浆配合比见表2。固定空心微珠掺量为15%，保持陶砂与膨胀玻化微珠的堆积体积总和为1.2 m3不变，采用文献[5]所述的基于干密度配合比设计方法，设计了9组三元轻集料地面砂浆，配合比见表3，分别研究水泥用量以及体积砂率VPe（膨胀玻化微珠堆积体积与陶砂和膨胀玻化微珠堆积体积之和的比值）对三元轻集料地面砂浆性能的影响。

表2 空心微珠砂浆配合比

表3 三元轻集料地面砂浆配合比

1.3 试验方法

根据配合比准确称量水泥、轻集料、纤维、添加剂等，在行星式搅拌机中混合均匀，边搅拌边加入拌合用水，搅拌2 min，暂停2 min清理搅拌机内壁和搅拌叶上的砂浆，继续搅拌1 min，控制砂浆稠度为（90±5）mm。

砂浆抗压强度、吸水率和收缩率按JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测试，其中计算抗压强度时换算系数取1.0；砂浆干密度按GB/T 26000—2010《膨胀玻化微珠保温隔热砂浆》进行测试；砂浆导热系数按GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》进行测试；微观分析采用场发射扫描电镜观察。

2 结果与讨论

2.1 空心微珠砂浆的性能（见表4）

表4 空心微珠砂浆的性能测试结果

由表4可知：

（1）随着空心微珠掺量的增加，砂浆的抗压强度、干密度均降低。空心微珠掺量为0～10%时，砂浆的28 d抗压强度下降幅度较大；空心微珠掺量为10%～15%时，砂浆的28 d抗压强度下降幅度相对平缓。导热系数与空心微珠掺量大致成线性关系，随其掺量的增加而不断减小。

（2）当空心微珠掺量为15%时，砂浆的28 d抗压强度较空白组KZ0降低了34.9%，但仍保持较高水平（56 MPa）；导热系数降至0.43 W/（m·K），较空白组KZ0降低了31.7%。综合考虑性能和材料成本，后续选择空心微珠掺量为15%进行三元轻集料地面砂浆试验。

图1为空心微珠掺量为15%的砂浆养护28 d后的硬化体在场发射扫描电镜下的微观照片。

图1 空心微珠砂浆28 d硬化体的SEM照片

由图1可见，空心微珠均匀分散在水泥石中，空心微珠表面平滑，未参与水化反应。这与上述宏观物理性能相吻合，在水泥石中引入空心微珠，相当于在水泥石引入规则的球形孔隙，必然导致力学性能下降，但有利于提高水泥石的热工性能。

2.2 三元轻集料地面砂浆的性能

2.2.1 水泥用量对砂浆性能的影响

笔者前期开展了大量三元轻集料地面砂浆的探索试验，通过总结发现，砂浆的28 d抗压强度与其干密度存在显著线性关系，如图2所示。参照JGJ/T 98—2010《砌筑砂浆配合比设计规程》，强度等级M15砂浆的试配强度取18.0 MPa，根据图2线性规律，三元轻集料地面砂浆配合比的设计干密度取1000～1100 kg/m3。固定陶砂和膨胀玻化微珠总体积用量为1.2 m3，水泥用量由390 kg/m3逐步增加到470 kg/m3，设计了PB1～PB5试验组，三元轻集料地面砂浆性能测试结果见表5。

图2 砂浆抗压强度随干密度变化规律

表5 三元轻集料砂浆的性能测试结果

对比表5中PB1～PB5组可知，水泥用量由390 kg/m3逐步增加到470 kg/m3，所配制的砂浆干密度为977～1086 kg/m3，与设计值接近，且砂浆的28 d抗压强度与干密度也基本满足图2的线性关系。砂浆抗压强度随水泥用量增加而逐步提高，这是由于本文所用轻集料的筒压强度均较低，砂浆的力学性能主要由胶凝材料提供[5]。当水泥用量为450、470 kg/m3时，砂浆28 d抗压强度都超过试配强度要求，分别达到19.4、20.1 MPa。砂浆的导热系数也随水泥用量的增加而逐渐增大，水泥用量为450 kg/m3时，导热系数为0.24 W/（m·K），略超过目标值。

2.2.2 体积砂率对砂浆性能影响

在PB4试验基础上，减少陶砂用量，增加膨胀玻化微珠用量，且保持两者堆积体积之和为1.2 m3不变，设计了PB6～PB9试验组。在PB4和PB6～PB9这5组试样中，体积砂率VPe值分别为0.49、0.53、0.57、0.60、0.63。对比表5中这5组试样可以发现，随着VPe值的增大，砂浆的抗压强度呈下降趋势，这说明在水泥用量不变的情况下，砂浆的力学性能与各种轻集料的用量有关，陶砂用量减少，膨胀玻化微珠增加，砂浆的抗压强度降低。随着VPe值的增大，砂浆的导热系数呈阶梯状下降趋势。当VPe值为0.53时（PB6组），即三元轻集料地面砂浆配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（空心微珠）∶m（陶砂）∶m（膨胀玻化微珠）∶m（纤维）∶m（复合添加剂）∶m（水）=450∶67.5∶281∶88∶3.0∶1.13∶308，制备的砂浆28 d抗压强度达到18.6 MPa，导热系数降至0.22 W/（m·K），符合本文预设目标值要求。

2.2.3 三元轻集料地面砂浆的其它性能

PB6三元轻集料地面砂浆的吸水率随时间变化如图3所示，干燥收缩如图4所示。

图3 PB6三元轻集料地面砂浆的吸水率曲线

由图3可见，三元轻集料地面砂浆试件浸水24 h后吸水率基本到达稳定，浸水48 h的平均吸水率为12.4%。同时测试了PB6组试件绝干状态和浸水48 h后的抗压强度，分别为18.1、19.7 MPa，浸水后砂浆的抗压强度反而提高，其机理有待进一步研究。

图4 PB6三元轻集料地面砂浆的收缩率

由图4可见，三元轻集料地面砂浆试件前期（28 d以内）收缩发展较快，28 d收缩率为0.103%，之后收缩发展缓慢，绝干状态时的收缩率为0.131%，收缩率较小，在工程中应用时，可降低因干燥收缩引起的开裂风险。

3 结论

（1）空心微珠掺量为15%时，空心微珠砂浆的导热系数为0.43 W/（m·K），比未掺空心微珠的空白砂浆降低31.7%，空心微珠可有效降低胶凝材料导热系数。

（2）三元轻集料地面砂浆的抗压强度和导热系数均随水泥用量增加而逐步提高，当水泥用量为450 kg/m3时，砂浆的28 d抗压强度为19.4 MPa，导热系数为0.24 W/（m·K）。

（3）优化的三元轻集料地面砂浆配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（空心微珠）∶m（陶砂）∶m（膨胀玻化微珠）∶m（纤维）∶m（复合添加剂）∶m（水）=450∶67.5∶281∶88∶3.0∶1.13∶308，此时体积砂率为0.53，制备的三元轻集料地面砂浆性能满足预设目标要求，28 d抗压强度为18.6 MPa，导热系数为0.22 W/（m·K），48 h吸水率为12.4%，28 d收缩率为0.103%。