聚苯颗粒保温砂浆的配方优化的重要性

1 前言

    世界范围内的研究和实践表明，做为建筑节能的墙体保温材料，膨胀聚苯乙烯板薄抹灰系统无疑具有最优的性价比。同膨胀聚苯板薄抹灰系统相比，聚苯颗粒砂浆作为一种保温材料，或与其他保温体系复合可以在一定程度上适应我国某些地区的建筑节能市场需求，这是由材料本身的性能所决定的，虽然其导热系数较膨胀聚苯乙烯板大，但是该类保温砂浆的涂抹施工能够较好的解决墙体基层平整度较差的问题；并具有相对高的表观感觉硬度能够给用户以安全感；同时通过表面钢丝网的安设在其上面能够粘贴瓷砖。聚苯颗粒保温砂浆通常是以聚苯颗粒和胶粉料这种双包装的形式供应给施工现场，在施工现场工人先将胶粉料加水拌和成浆体，然后加入定量的聚苯颗粒混和成轻质砂浆；然而，在施工现场的工人私自减少聚苯颗粒的加入量以便砂浆容易涂抹的现象经常发生，这就导致涂抹在实际墙体上聚苯颗粒砂浆的容重超过标准的要求（胶粉料多而聚苯颗粒少），这就增大了砂浆的密度、降低了砂浆的实际保温效果。决定聚苯颗粒保温砂浆的施工性、吸水性、内聚强度、抗压强度等硬化之后性能的因素，除了聚苯颗粒的加入量以及其形态、粒径及分布之外，胶粉料的性能也非常关键。瓦克上海技术中心针对胶粉料的影响作了具体的研究。

    2 试验设计

    2.1 原材料

    回收破碎的聚苯乙烯泡沫颗粒 2-6mm,堆积密度 13.75kg/m3；海螺明珠水泥42.5 R ；上海石洞口电厂二级粉煤灰；上海群贤熟石灰；山西晋马半水石膏粉，南京硬石膏粉；上海产325目重质碳酸钙粉；进口Mipolite®  918F 功能性助剂；四川好易特PP纤维6mm；德国JRS木纤维ZZC 500；美国Hercules 淀粉醚ST 2000 ；国产纤维素醚保水剂 KH 75000S；乙烯-醋酸乙烯酯共聚物可再分散乳胶粉V1， Tg= -7℃，乙烯-氯乙烯-月桂酸乙烯酯三元共聚物可再分散乳胶粉V2，聚合物结构本身具有憎水性能， Tg= 0℃；乙烯-醋酸乙烯酯共聚物可再分散乳胶粉E，Tg= 3℃；憎水剂S，为聚乙烯醇包裹硅烷粉末。基准混凝土板，用于涂抹聚苯颗粒保温砂浆。

    2.2 试验仪器与设备

    无锡建仪JJ-5水泥胶砂搅拌机用于干拌胶粉料和拌和聚苯颗粒砂浆；铝合金圆环，内径30mm,高50mm,用于测试砂浆的湿容重；德国Herion 拉拔仪，拉拔速度50N/S，用于测试聚苯颗粒砂浆的本体内聚强度；卡斯通管用于测试保温砂浆表面吸水量。钢制三联试模40×40×160mm，用于成型抗压抗折试块；钢制三联试模20×20×300mm，用于测试线收缩；德国Tonic 万能试验机， 用于测试砂浆的抗压抗折强度。

    2.3 试验配方的设计及试验项目

    2.3.1胶粉料的配方设计见表1

     2.3.2保温砂浆拌和比例

    按200L聚苯颗粒：25kg 胶粉料的比例进行，先按表一配好胶粉料，然后加入定量的水搅拌至均匀的浆体，再徐徐地加入定量的聚苯颗粒搅拌至均匀的轻质砂浆。

    2.3.3 试验项目

    a)  胶粉料施工性的评价

    用小刮刀（医院压舌用）从浆料中部划过，观察浆料的愈合快慢；用小刮刀挑起浆料，观察浆料滴落快慢。

    b)  聚苯颗粒砂浆施工性的评价

    将搅拌好的聚苯颗粒砂浆用橡胶取料刀取出，观察砂浆的松散程度，记作松散程度；同时观察砂浆是否易下垂；将砂浆用不锈钢抹刀抹至涂有湿的混凝土界面剂上，观察砂浆是否易抹平及掉料程度；观察干燥硬化后砂浆的表面是否存在较大的凹坑。

    c)  聚苯颗粒砂浆湿密度

    将搅拌好的砂浆填充在铝合金圆环中，并左右敲击各20次，再将表面抹平称重，记录增加的重量，除以圆环的体积即得砂浆的湿密度。

    d) 砂浆表面的卡斯通管吸水性

     将聚苯颗粒砂浆涂抹至涂有混凝土界面剂的混凝土板上，厚度控制在20± 5mm，砂浆经过14天标养（23℃+50% R.H.）后，将卡斯通管用橡皮泥固定在砂浆表面，加入水至初始刻度，记录1小时、2小时被砂浆吸收的水量。

    e) 聚苯颗粒砂浆干密度的测试

    将聚苯颗粒砂浆填充在三联试模中,2天标养（23℃+50% R.H.）后拆摸，标养7天后在测试抗压强度之前称重计算其干密度。

    f) 聚苯颗粒砂浆内聚强度的测试

    将聚苯颗粒砂浆涂抹至涂有混凝土界面剂的混凝土板上，厚度控制在20± 5mm，标养3天后直接在砂浆面层将50×50×15mm拉拔铁块用触变型快速固化环氧树脂粘在砂浆表面，待7天标养（23℃+50% R.H.）、14天标养（23℃+50% R.H.），7天标养（23℃+50% R.H.）+7天水养+2小时标养龄期到达时进行拉拔测试。

    g) 聚苯颗粒砂浆抗压强度的测试

    将聚苯颗粒砂浆填充在三联试模中并压实抹平，2天标养（23℃+50% R.H.）后拆摸，然后分别测试7天标养（23℃+50% R.H.）、14天标养（23℃+50% R.H.），7天标养（23℃+50% R.H.）+7天水养+2小时标养下的抗压强度。

    h) 聚苯颗粒砂浆的线收缩测试

    将砂浆填入线收缩试模并压实抹平，标养2天后拆摸，测试其初始长度，然后分别测试3天、7天、14天、28天标养后的长度，计算线收缩量。

    2.4 试验结果与讨论       试验结果见表2

    表2   试验结果

    2.4.1胶粉料施工性:

    配方S0-S4 # 胶粉料愈合较慢，且不易滴落；配方S5-S8# 胶粉料愈合很快，且容易滴落（加水量已经调整至110%），见照片1-4。结果说明配方体系1聚有较好的触变性能，配方体系2 无触变性。同时观察到，同样重量的胶粉料加水后，配方体系1可以产生较多的浆体量，这是聚苯颗粒能够被包裹，具有良好施工性（上料、抹压密实等）的基础。

    2.4.2聚苯颗粒砂浆施工性

    配方体系1 S0-S4 # 砂浆较为紧密，具有抗下垂性；配方体系2 S5-S8# 砂浆较为松散，有下垂的倾向。同时观察到配方体系1砂浆容易上料至界面剂层上，且一次厚度最多可达4cm,易于反复压实抹光；配方体系2容易上料，但当上料厚度增加，就不易反复压实抹光，表现为掉料量增大。观察干燥后的砂浆，配方体系1 S0-S4 #表面基本平整，而配方体系2 S5-S8#仍存在较多的凹坑（表面聚苯颗粒间缺少浆料填充）。

    2.4.3  聚苯颗粒砂浆湿密度

    结果见图1。配方体系1 S0-S4#相对配方体系2 S5-S8#具有较大的湿密度，这是由于其较好的施工性使得砂浆易于压实抹光。

    2.4.3  砂浆表面的卡斯通管吸水量

    结果见图2。图中未列出的配方其1小时已将卡斯通管中18ml水全部吸走。配方体系1 S0-S4#较配方体系2 S5-S8#更有利于砂浆憎水性能的发挥，砂浆的配方对砂浆憎水性的发挥至关重要。单掺的憎水剂S在配方体系1中表现出的憎水性较强，而当同时掺入有机聚合物粘接剂E时，其憎水效果却明显降低，明显不如S3#砂浆。
 
    2.4.4  聚苯颗粒砂浆干密度和抗压强度

    结果见图3。由图3可见，配方S0#-S4#与配方S5#-S8#的砂浆干密度相差不大。

    作为聚苯颗粒保温砂浆其抗压强度通常较为人们关注，因此在控制干密度在合理的范围既能够保证设计的砂浆保温效果又能具有较好的抗压强度，能够表现出较好的表观硬度，这就需要胶粉料具有很好的粘接包裹颗粒同时具有较强的骨架结构。配方S0#-S4#的砂浆抗压强度高于配方S5#-S8#的砂浆，而且砂浆的抗压强度与其干密度相关性不大，而与配方体系的相关性较大，说明配方体系1胶粉料高优于配方体系2。

    2.4.5  聚苯颗粒砂浆内聚强度

    结果见图4。砂浆的内聚强度反映了聚苯颗粒与胶粉料的包裹力。从图4 可见，配方体系1 S0#-S4#砂浆的内聚强度好于配方体系2 S5#-S8#，尤其是7天标养以及耐水后的内聚强度。从图中可以看出，同样的有机聚合物粘接剂其作用的发挥，与配方体系有非常大的相关性。

    需要特别注意的是，砂浆内聚强度的 测试由于粘接拉拔铁块的环氧树脂的渗透至砂浆面层从而对砂浆面层起到加固作用，这样就无法反映砂浆最面层中胶粉料与聚苯颗粒的粘接包裹性，破坏必然发生在砂浆内部，测得的只是内部胶粉料与颗粒的包裹力。由于砂浆最表面水分的快速散失往往使得砂浆表面中无机胶凝材料无法水化发挥粘接性，只有有机聚合物在快速失水后成膜能够发挥粘接剂的作用，因此我们在试验中补充了砂浆表面抗搓性的评估方法(施工现场的一种简易评估法)。采用配方体系1，只掺憎水剂S的砂浆，即使测得的内聚强度较好，但是当用手搓其干燥后的砂浆表面，很容易将聚苯颗粒搓掉，而掺有有机聚合物的其他配方则抗搓性明显增强，表现为面层聚苯颗粒不易被搓掉。因此S0#配方在实际中由于存在着表面薄弱层，再加上其表面较强的憎水性，必然会影响后续饰面层与其粘接性，故在实际中不适用。

    2.4.5 聚苯颗粒砂浆的线收缩:

    结果见图5。由于聚苯颗粒砂浆添加有较多的无机胶凝材料，其收缩值得考虑；较大的收缩将会引起砂浆的开裂，进而引起面层饰面材料的开裂和剥落，影响保温系统的长期耐久性。由图5可见， S0#、S1#、S4#、S6#、S7#、S8#配方砂浆线收缩较大，而且体系2的砂浆线收缩较配方体系1的为大（S1#与S5#例外，需要进一步研究）。从中可以看出憎水剂S的砂浆收缩较大，尤其在配方体系2中，这需要引起注意。

    2.4.6 测试结果综合分析

    排除0#配方（ 由于只考察其在配方体系1中的效果），综合对比分析配方体系或有机粘接剂的影响，即将同一体系或含有相同添加剂的配方所有的测试值相加然后再取平均值，这样可消除不同因素的影响，同时比较不同配方体系或同样有机聚合物配方平均值的差值。综合处理数据结果见表3

    A 配方体系的影响

    卡斯通管吸水量：结果见图6。由于配方S5#-S8# 一小时已经将卡斯通管所装的18ml水全部吸走，所以这里设定其吸水量全部为18ml。(较为宽松，实际更大!)

    干密度和抗压强度 : 结果见图7。 配方体系1的干密度平均值比配方体系2 的平均值稍低，但其抗压强度却高于配方体系2，这说明配方体系1的胶粉料具有较好的粘接和骨架支撑作用，这与前面的分析结果相一致。

    砂浆内聚强度和线收缩：结果见图8。配方体系1砂浆内聚强度高于配方体系2。配方体系1砂浆的收缩低于配方体系2。

    B  有机聚合物粘接剂及憎水剂的影响：结果见表3。从表3 可以看出V1:V2=1:5的砂浆奖具有较好的内聚强度、合适的干密度、较高的抗压强度以及较低的收缩；而E:S=5:1的砂浆的收缩较大。

    3. 结语

    1.作为目前在市场上仍然存在的一种墙体保温材料，良好的施工性是是保证其在施工应用中保持准确配比和达到其设计保温性能发挥的先决条件。

    2.胶粉料配方的优化设计试验表明，基础配方的选择至关重要；综合考虑砂浆的各项性能，配方体系1优于配方体系2；而良好的基础配方体系，可使有机聚合物性能得到充分发挥。综合性能的比较表明，在本试验中，选择配方体系1和有机聚合V1:V2=1:5 可获得较高性价比的聚苯颗粒保温砂浆。

    3.施工助剂的选择应本着 简化的原则，较多种类的助剂会增加生产中出错的可能，而且成本较高。在本次试验研究中，我们发现Mipolite® 918 F对改善胶粉料的性能效果显著，值得进一步探讨研究其在聚合物砂浆间的作用机理。

    4.在试验的两种配方体系中，憎水剂S的添加都显示会增加砂浆的收缩，应引起注意和进一步研究其原因。

    5.内聚强度和砂浆表面抗搓性的实验和分析表明，实验室中的测试方法应尽量符合接近实际工程。有必要进一步探讨聚苯颗粒砂浆表面抗搓性的定量测试方法。