石膏基厚层保温自流平砂浆的制备及性能研究
2022-05-09廖大龙焦嘉伟李东旭韩超
廖大龙,焦嘉伟,李东旭,韩超
(1.南京工业大学,江苏 南京 211816;2.福建越秀联合新材料有限公司,福建 福州 350109)
目前,我国的建筑能耗占比较高,使用节能型建筑材料已成为行业的主要发展趋势[1-2]。节能环保的石膏建材引起了高度重视,与水泥基材料相比,石膏建材在生产过程中能源消耗少,对环境危害小,是一种绿色环保的建筑材料,有许多水泥基材料所不具备的突出性能,如早期强度高、凝结硬化无收缩、热稳定性好、隔声效果好、保温性优良、对环境友好等优点[3-6]。
在石膏众多功能型制品材料中,通过结合石膏自流平和轻质保温性能制备的轻质石膏基自流平材料,保温性能、热稳定性好,能减少建筑热量通过楼地面,提高居住舒适度,降低建筑能耗。可应用于钢结构、装配式建筑及地暖回填保温层中。张蔚等[7]研究了再生橡胶颗粒与玻化微珠对轻质自流平砂浆的影响。研究发现,适量的再生橡胶颗粒与玻化微珠复掺能改善自流平砂浆的流动度。在复掺体系中橡胶颗粒与玻化微珠比例不超过1∶1 时,砂浆压折比降低,具有较好的韧性。张雨薇[8]研究发现,掺入玻化微珠能优化石膏基自流平材料的热工性能,降低石膏基自流平材料的力学性能。
采用石膏基材料制备厚层保温自流平材料,以代替挤塑板作为保温层应用于钢结构、装配式建筑楼地面以及地暖回填地面系统中。采用预拌砂浆的方式,提高与基层粘结性,减少施工流程,效率高。针对各种用户需求,可自由设计不同厚度,避免挤塑板铺装过程中的问题。本文研究了不同改性EPS颗粒、引气剂掺量对石膏基厚层保温自流平砂浆平均扩展厚度、干密度、7 d 抗折及抗压强度、导热系数的影响,得出最佳改性EPS 颗粒、引气剂掺量。针对地面材料日常服役中可能出现的积水和返潮现象,以EVA(乙烯-醋酸乙烯酯共聚乳液)和PVA(聚乙烯醇粉末)混合制备复合防水剂,研究不同EVA-PVA 比例和总掺量对石膏基厚层保温自流平砂浆强度、吸水率及微观形貌影响,为配制厚层保温自流平砂浆提供参考。
1 实验
1.1 实验原料
脱硫建筑石膏:山东信发集团有限公司,XRD 图谱见图1,粒径分布见图2,主要技术性能见表1。水泥:P·Ⅱ52.5,南京小野田公司生产,比表面积372 m2/kg,基本性能见表2。脱硫建筑石膏和水泥的主要化学成分见表3。引气剂:AE-1420,南京磬海商贸有限公司生产,为混凝土开发的专用型表面活性剂的混合物,含固量92%~99%,pH 值(1.0%水溶液)为9.0~11.0。改性EPS 颗粒:0.5~1.0 mm,以三乙醇胺作为表面活性剂和乙烯-醋酸乙烯酯共聚乳液(EVA 乳液)作为高分子粘结剂表面改性后,再用水泥造壳[9]。其具体工艺为:EPS 颗粒+三乙醇胺/EVA(表面改性)→自来水(表面润湿)→水泥(造壳)→陈化24 h。
图1 脱硫建筑石膏的XRD 图谱
图2 脱硫建筑膏的粒径分布
表1 脱硫建筑石膏的技术性能
表2 水泥的物理力学性能
表3 脱硫建筑石膏、水泥的主要化学成分 %
1.2 样品制备
本实验以92%脱硫建筑石膏和8%水泥为主要胶凝材料,以25%~45%改性EPS 颗粒和0.06%~0.10%引气剂作为变量,制备厚层轻质保温自流平砂浆,用于地暖回填保温层和装配式建筑等地面保温材料。具体实验配比分布点以Design Expert10 软件设计,由13 个实验配比点组成,如图3 所示。测试引气剂和改性EPS 颗粒掺量对厚层保温自流平砂浆平均扩展厚度、干密度、抗折及抗压强度、导热系数的影响。随后使用EVA 和PVA 质量比分别为1∶1、2∶1、1∶2 作为复合防水剂,总掺量分别为1%、2%、3%、4%、5%,研究增强厚层保温自流平砂浆的耐水性,固定砂浆中减水剂0.25%、缓凝剂0.1%、可再分散乳胶粉0.9%、纤维素醚0.05%,加水量为胶凝材料的50%。
图3 实验具体配比分布点
将粉状原料按比例混合后,加入预定水量在水泥砂浆搅拌机中搅拌,再加入改性EPS 颗粒搅拌。搅拌结束后马上将浆体倒入钢模中,并随钢模一起置于相对湿度≥90%、温度(20±1)℃的标准恒温恒湿养护箱内养护1 d。随后将脱模的试块放在标准恒温恒湿养护箱中养护7 d。然后,将试样放入(40±1)℃的恒温干燥箱中干燥至恒重,进行绝干强度、干密度、导热系数及吸水率的测试,使用Design Expert10 软件拟合等高线或响应曲面图。
1.3 测试方法
厚层保温自流平砂浆的干密度、抗压和抗折强度按JC/T 1023—2021《石膏基自流平砂浆》进行测试。
流动性能按CB/T 3361—2019《甲板敷料》进行测试。根据试模体积和流动度按式(1)计算平均扩展厚度:
式中:V——流动度试模体积,cm3;
R——流动度半径,cm。
采用平板法,使用DRE-2C 导热系数测试仪对试样的导热系数进行测试。
吸水率测试:将标准养护7 d 的样品烘干至恒重,浸于20℃水中24 h,擦掉试件的表面水分,2 次测得的质量差值与原质量的比值为吸水率。
2 结果与讨论
各配比厚层保温自流平砂浆抗折断裂截面如图4 所示。
图4 各配比厚层保温自流平砂浆的断裂截面
由图4 可见,在预定用水量下改性EPS 颗粒均能在试样内部均匀分布,没有出现在高流动度砂浆中EPS 颗粒因其疏水性导致的上浮情况[10]。改性EPS 颗粒能紧密镶嵌在水泥造壳中。有一部分EPS 颗粒在抗折断裂过程中裂开,说明改性EPS 颗粒能很好地与石膏基材料接触连接,提高试样强度。由于引气剂在保温自流平砂浆中产生细小气泡,导致凝结硬化后形成微孔。与改性EPS 颗粒共同作用下降低试样整体干密度,对于热传导有着一定的阻碍作用。有利于减小厚层保温自流平砂浆导热系数,提高保温隔热性能。
2.1 引气剂和改性EPS 颗粒掺量对厚层自流平砂浆性能的影响
2.1.1 引气剂和改性EPS 颗粒掺量对厚层自流平砂浆平均扩展厚度及干密度的影响(见图5)
图5 引气剂和改性EPS 颗粒掺量对厚层自流平砂浆平均扩展厚度及干密度的影响
由图5(a)可见,平均扩展厚度随着改性EPS 颗粒掺量的增加而增大,当改性EPS 颗粒掺量为25%~35%、35%~45%时,平均扩展厚度分别为0.57~0.80、0.80~0.92 cm。在相同改性EPS 颗粒掺量下,引气剂掺量增加平均扩展厚度也增大。这是由于EPS 颗粒在水泥造壳过程中加水少,水泥没有完全水化。改性EPS 颗粒掺量越多,类似表面的总表面积越大,润湿及水化需要水也越多,导致在相同加水情况下流动性能降低。同时纤维素醚增加砂浆黏度,减小了引气剂产生的细小泡沫对砂浆流动度的促进作用[11]。而引气剂主要是表面活性剂,掺量增加也有提高砂浆黏度的作用,使得流动度降低、平均扩展厚度增大。但厚层保温自流平砂浆平均扩展厚度最小为0.57 cm,最大为0.92 cm,这说明在配合施工情况下,可以使厚层保温自流平施工厚度达到1.00 cm 以下,能符合不同施工场地的要求。
由图5(b)可见,厚层保温自流平砂浆干密度等高线斜率大,这说明改性EPS 颗粒主要影响保温自流平砂浆的干密度,而由引气剂产生的泡沫气孔主要是微小气孔,所以对干密度的影响程度较低,最低干密度可达到744.89 kg/m3。
2.1.2 引气剂和改性EPS 颗粒掺量对厚层自流平砂浆7 d 强度的影响(见图6)
图6 不同引气剂和改性EPS 颗粒掺量对厚层自流平砂浆7 d 强度的影响
由图6 可见,随着改性EPS 颗粒以及引气剂掺量增加,厚层保温自流平砂浆的抗折、抗压强度有明显降低趋势。根据不同配合比,改性EPS 颗粒掺量为25%、引气剂为0.06%,增加到改性EPS 颗粒为45%、引气剂为0.10%,抗折强度从3.05 MPa 降至1.62 MPa(降低了46.89%),抗压强度从6.88 MPa降至3.05 MPa(降低了55.67%)。当改性EPS 颗粒掺量从35%增加到45%,抗压强度下降趋势减缓。而在相同改性EPS 掺量下,引气剂掺量增加使得保温自流平砂浆中微气孔增多,使强度降低。与众多关于轻质石膏材料文献的结论相类似[12-13]。这是由于改性EPS 颗粒和引气剂掺量增加,导致在单位体积内胶凝材料减少,因而降低了抗折及抗压强度。
2.1.3 引气剂和改性EPS 颗粒对厚层自流平砂浆导热系数的影响(见图7)
由图7 可见,随着改性EPS 颗粒掺量增加,厚层自流平砂浆导热系数呈先减小后增大趋势。而在相同EPS 颗粒掺量下随引气剂掺量增加,导热系数减小。当改性EPS 颗粒掺量为35%、引气剂掺量为0.09%时,导热系数最小,为0.0946 W/(m·K)。这是因为改性EPS 颗粒由水泥造壳,相对于石膏材料导热系数大,改性EPS 颗粒增多,在单位体积内热桥增多,使得导热系数增大。而引气剂增加,在保温自流平材料中细小微孔增多,使得热量传递受到阻碍,导热系数减小。因此,当改性EPS 颗粒掺量为35%、引气剂掺量为0.09%时,7 d 抗折强度为1.89 MPa,7 d 抗压强度为4.13 MPa,导热系数为0.0946 W/(m·K),作为后续研究复合防水剂对厚层保温自流平影响最佳掺量。
图7 引气剂和改性EPS 颗粒掺量对厚层自流平砂浆导热系数的影响
2.2 EVA-PVA 复合防水剂对厚层自流平砂浆性能的影响
2.2.1 EVA-PVA 复合防水剂对厚层自流平砂浆7 d 抗折、抗压强度的影响(见图8)
图8 EVA 与PVA 质量比及总掺量对厚层自流平砂浆7 d 强度的影响
由图8 可见,随EVA-PVA 总掺量(1%、2%、3%、4%、5%)增加,厚层保温自流平砂浆的7 d 抗折、抗压强度先提高后降低。当EVA 与PVA 质量比为1∶1 时,抗折、抗压强度达到最高,分别为1.87、4.27 MPa。由于当EVA-PVA 掺量小时,EVAPVA 失水聚合收缩而形成网络结构,并填充晶体的间隙中,减少孔隙率起到强度增强作用[14]。当EVA-PVA 掺量较大时,大量聚合后会吸附在晶体表面,阻碍石膏晶体水化生长,破环了晶体空间结构的稳定性,晶体与晶体之间的连接被弱化[15],造成抗折、抗压强度降低。当EVA 与PVA 质量比为1∶1 时,厚层保温自流平砂浆抗折、抗压强度高于其它2 种质量比的。这可能是复合防水添加剂中的EVA 乳液和PVA 高分子聚合物分子结构及聚合方式不同,对厚层保温自流平作用效果存在差别。导致EVA 与PVA 质量比为2∶1、1∶2 时,EVA 或PVA相对较多,对厚层保温自流平抗折、抗折强度影响较大,强度比1∶1 时低。
2.2.2 EVA-PVA 复合防水剂对厚层自流平砂浆吸水率的影响(见图9)
由图9 可见,未掺入EVA-PVA 的空白组厚层保温自流平砂浆饱和吸水率为27.53%。随着EVA-PVA 总掺量增加,厚层保温自流平砂浆吸水率降低,当EVA-PVA 总掺量为5%时,质量比为1∶1、2∶1、1∶2 的厚层保温自流平吸水率分别为21.14%、20.38%、19.69%,其中当EVA 与PVA 质量比为1∶2时吸水率降低最大,较未掺的降低了28.48%。这是由于在石膏的固化过程中,EVA 和PVA 在石膏晶体之间形成具有较高粘结力的憎水性聚合物膜,在一定程度上减弱了水的润湿能力。同时聚合物填充晶体结构间的孔隙,使硬化体结构变得致密,阻止了水分子进入破坏二水石膏晶体结构[16-17]。而多余的EVA 和PVA 在石膏和水泥凝结硬化时在试件表面也形成一层保护膜,阻止水分子渗入,使得试样的耐水性能得到明显改善。
图9 不同EVA-PVA 质量比及总掺量对厚层自流平砂浆吸水率的影响
2.2.3 厚层自流平砂浆微观结构分析
图10 为空白组及不同EVA 与PVA 质量比(总掺量为3%)厚层保温自流平砂浆的微观结构。
图10 空白组及不同EVA 与PVA 质量比保温自流平砂浆的微观结构
由图10 可见,空白组试样主要以长柱状晶体为主,并包含少量的短柱状和片状晶体,晶体交错排列,晶体和晶体之间存在较大的孔隙。接触水后,水分子能很容易进入破坏晶体晶体之间的结构,耐水性差。加入EVA-PVA 复合防水剂后晶体结构变为大量的短柱状和片状晶体,有较大非晶体物质和无定型絮状物质共存,孔隙减少,耐水性提高。
3 结论
(1)平均扩展厚度随着改性EPS 颗粒掺量的增加而增大,最低可达0.57 cm,最高为0.92 cm。干密度随引气剂掺量增加而减小,改性EPS 颗粒对保温自流平砂浆干密度影响程度比引气剂高。
(2)厚层保温自流平砂浆抗折、抗压强度随引气剂和改性EPS 颗粒掺量增加有明显降低趋势,导热系数先减小后增大。当改性EPS 颗粒掺量为35%,引气剂为0.09%时,导热系数为0.0946 W/(m·K)。
(3)在不同EVA 与PVA 比例下,总掺量增加,厚层保温自流平抗折、抗压强度先提高后降低。EVA 与PVA 质量比为1∶1 时,抗折、抗压强度整体比1∶2 和2∶1 时的高。
(4)EVA-PVA 总掺量增加,厚层保温自流平砂吸水率降低。EVA 与PVA 质量比为1∶2、总掺量为5%时,吸水率较未掺的空白组降低28.48%。
(5)EVA-PVA 复合防水剂掺入使得厚层保温自流平微观结构由大量长柱状晶体变为大量的短柱状和片状晶体,有较多非晶体物质和无定型絮状物质共存,孔隙明显减少。