玻化微珠-聚苯颗粒保温砂浆的性能

玻化微珠-聚苯颗粒保温砂浆的性能研究

陈玉鹏，付兴华，陶文宏

(济南大学材料科学与工程学院，山东济南250022）

摘要：采用正交试验法研究了聚苯颗粒、憎水剂、引气剂、聚丙烯纤维的掺量对复合保温砂浆干密度、抗压强度、吸水率及软化系数等性能的影响规律，获得的最优配比为：聚苯颗粒3%、憎水剂0.2%、引气剂0.4%、聚丙烯纤维0.6%，其性能为干密度228kg/m3，28d 抗压强度0.54MPa ，导热系数0.0596W/(m·K)。利用SEM 扫描电镜对复合保温砂浆进行了微观结构形貌分析，初步探讨了作用机理。

关键词：复合保温砂浆；聚苯颗粒；憎水剂；耐水性

Study on Properties of Vitrified Beads-polystyrene Particles Insulation Mortar

CHEN Yupeng ，FU Xinghua ，TAO Wenhong

(Schoolof Materials Science and Engineering, University of Jinan, Shandong, Jinan, 250022)

:Orthogonal testing method was used to study the effects of polystyrene particles, hydrophobic agent, air-entraining Abstract Abstract:

agent, polypropylene monofilament fiber on dry density, compressive strength, water absorption and softening coefficient of composite insulation mortar. The optimal ratio was obtained as:3%of the weight are polystyrene particles, 0.2%is hydrophobic agent, air-entraining agent counts for 0.4wt%，and polypropylene monofilament fiber 0.6%.The main performances of the mortar were recorded as:dry density was 228Kg/m3, 28day compressive strength after conserved for 28days was 0.54MPa, and thermal conductivity 0.0596W/(m•K).Microstructure of the composite insulation mortar was analyzed by SEM (scanningelectron microscopy) and its function mechanism was studied preliminarily.

Keywords :nsulation mortar, polystyrene particles, air-entraining agent, water resistance Keywords:

复合保温板材的问世及发展解决了有机保温材料易燃、防火等级低而无机保温材料保温性能差的矛盾，新型的高性能有机-无机复合保温材料将是墙体保温材料未来的发展方向[1-5]。将聚苯颗粒与膨胀玻化微珠颗粒复合，制备玻化微珠-聚苯颗粒保温砂浆，既利用玻化微珠颗粒相对低廉的价格、优异的隔热防火性能、良好的耐久和耐候性克服了聚苯颗粒的缺点，又解决了玻化微珠颗粒自身导热系数高，保温性能差的问题[6]。

本文研究聚苯颗粒、憎水剂、引气剂、聚丙烯纤维的掺量对复合保温砂浆干密度、抗压强度、吸水率及软化系数等性能的影响规律，得到合理配比，使其具有良好的力学性能、保温性能及耐水性能。

1原材料及试验方法

1.1原材料

玻化微珠：山东圆友集团有限公司生产，堆积密度105kg/m³。聚苯颗粒：粒径为2~5mm，堆积密度8.9kg/m³。水泥：山东水泥厂生产的42.5#普通硅酸盐水泥。粉煤灰：济南黄台电厂排放的Ⅱ级粉煤灰。外加剂：EVA 可再分散乳胶粉，济南铭仕臣工贸有限公司生产；聚丙烯单丝抗拉纤维，山东安顺达公司生产；羟丙基甲基纤维素醚，山东方达康公司生产；引气剂，主要成分为松香热聚物；憎水剂为易来泰SEAL80。1.2试验方法

因素及水平的选取如表1所示，原料配比选取L 16(45) 正交试验表。试验考察样品的干密度、14(28)天的抗压强度、28天的1(24)h吸水率、软化系数。

作者简介：陈玉鹏（1988–），男，山东菏泽人，硕士生。通信作者：付兴华（1963–），男，山东曹县人，教授，博士，硕（博）士生导师。邮箱：[email protected]

1.3砂浆性能测试及设备

复合保温砂浆干密度、抗压强度的测定按照GB/T26000-2010《膨胀玻化微珠保温隔热砂浆》进行，导热系数按GB/T10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法》进行测定。试验所用主要仪器设备有：UJZ-15型砂浆搅拌机；IMDRY3001型智能型双平板导热系数测定仪；CMT5504型微机控制电子万能试验机；QUANTA 250FEGSEM 型扫描电子显微镜。

2试验结果与讨论

2.1保温性能和力学性能的影响规律

随着干密度的提高，复合保温砂浆的导热系数增加，因此应在保证强度的前提下，尽可能的降低干密度。从表2的极差分析可知，影响复合保温砂浆干密度因素的顺序为：聚苯颗粒A>引气剂C>憎水剂B>聚丙烯纤维D ；影响复合保温砂浆抗压强度因素的顺序为：聚苯颗粒A>引气剂C>聚丙烯纤维D >憎水剂B 。聚苯颗粒掺量对复合保温砂浆干密度和抗压强度的影响趋势基本相同，干密度和抗压强度均随其掺量的增加而减小。随引气剂掺量的增加，干密度和抗压强度均呈下降趋势。随憎水剂掺量的增加，干密度和抗压强度均呈上升趋势。随聚丙烯纤维掺量的增加，干密度和抗压强度均呈上升趋势。对于干密度最优组合为A4B1C4D1，对于抗压强度最优组合A1B3C1D2。

表2正交试验极差分析

A 14d 抗压

因素

干密度

强度

/(kg/m)

/MPa

/MPa

3

B

28d 抗压

干密度

强度

/(kg/m)

/MPa

/MPa

3

C

28d 抗压

干密度

强度

/(kg/m)

/MPa

/MPa

3

D

28d 抗压

干密度

强度

/(kg/m)

/MPa

/MPa

3

14d 抗压强度

14d 抗压强度

14d 抗压强度

28d 抗压强度

k1k2k3k4极差

[**************]

1.090.540.480.330.76

1.310.650.570.460.85

[1**********]839

0.500.650.640.650.15

0.690.750.770.760.08

[1**********]651

0.710.700.570.470.24

0.950.800.650.580.37

[1**********]621

0.540.650.630.630.10

0.700.820.770.700.13

2.2耐水性能的影响规律

从表3的极差分析可知，影响复合保温砂浆1h 吸水率因素的顺序为：引气剂C >憎水剂B >聚丙烯纤维D >聚苯颗粒A ；影响24h 吸水率因素的顺序为：憎水剂B >引气剂C >聚苯颗粒A >聚丙烯纤维D ；影响保温砂浆软化系数因素的顺序为：聚苯颗粒A >憎水剂B >引气剂C >聚丙烯纤维D 。随聚苯颗粒掺量的增加，复合保温砂浆的吸水率呈上升趋势，软化系数呈下降趋势。随憎水剂掺量的增加，吸水率呈下降趋势，软化系数呈上升趋势。在吸水率分析中，憎水剂取0.2%最好；在软化系数分析中，憎水剂取0.3%最好。随引气剂掺量的增加，吸水率呈上升趋势，软化系数呈上升趋势。在吸水率分析中，引气剂取0.2%、0.4%较好；在软化系数分析中，引气剂取0.6%最好。随聚丙烯纤维掺量的增加，复合保温砂浆的吸水率呈下降趋势，软化系数呈上升趋势。在吸水率和软化系数分析中，聚丙烯纤维掺量0.6%最好。对于1h 吸水率最优组合为A1B3C2D4，对于24h 吸水率最优组合为A1B3C1D1，对于软化系数最优组合为A1B4C3D4，并结合保温性能和力学性能及保温砂浆的工作性，确定最优组合A3B2C4D3和A4B3C2D4。

表3正交试验极差分析

A

B

C

D

因素1h 吸水率/%

24h 吸水率/%

软化系数

1h 吸水率/%

24h 吸水率/%

软化系数

1h 吸水率/%

24h 吸水率/%

软化系数

1h 吸水率/%

24h 吸水率/%

软化系数

k1k2k3k4极差

66.566.770.667.14.1

78.4103.7105.1109.531.0

1.010.650.600.580.43

68.776.459.366.717.1

152.889.475.079.577.8

0.600.710.730.820.22

65.552.279.174.126.9

77.691.4116.8110.939.2

0.600.730.800.720.21

77.268.164.361.415.9

92.5104.5100.499.212.0

0.620.780.650.800.18

2.3最优方案验证

由上述正交分析，以最优组合A3B2C4D3作为C1；以最优组合A4B3C2D4作为C2；以试验中干密度最优组合A4B1C4D1作为C3进行如下实验，各物料的配合比及验证试验结果分别见表4和表5。

表4验证试验配比

A

编号

聚苯颗粒/w %

C1C2C3

233

憎水剂/w %

0.10.20

引气剂/w %

0.80.40.8

聚丙烯纤维/w %

0.40.60

B

C

D

表5验证试验结果

干密度

编号

/（Kg/m³）

C1C2C3

235228200

0.510.540.36

0.05970.05960.0581

28d 抗压强度/MPa

导热系数/[W/(m·K)]

根据《膨胀玻化微珠保温隔热砂浆

GB/T

26000

—

2010》性能指标要求，可以看出C2各性能均比较优异，因此C2为最佳配比，即聚苯颗粒3%、玻化微珠37%、水泥60%、水料比1.0、可再分散乳胶粉3%、聚丙烯纤维0.6%、纤维素醚0.3%、引气剂0.4%、憎水剂0.2%。

3机理分析

为进一步研究各因素对复合保温砂浆的作用机理，采用SEM 扫描电镜对最优组C2进行微观结构形貌分析。

(a)(b)(a)(b)

图1复合保温砂浆14d 的SEM 图2复合保温砂浆28d 的SEM

从图1(a)可以观察到复合保温砂浆的空隙较少，聚苯颗粒粒径较大，堆积密度、导热系数小，玻化微珠粒径小，堆积密度、强度较大，采用聚苯颗粒等量取代玻化微珠，可以改善颗粒级配[7]，可以减少骨料之间的空隙，减少胶凝材料的用量，在保证抗压强度达到标准的同时，尽可能的降低干密度，提高保温性能，同时胶结料对骨料的包裹性受到影响，结果吸水率增加，软化系数下降。

从图1(b)及图2可以观察到骨料和水泥水化产物间的界面结合良好，有机硅型憎水剂溶解于水释放出包裹的硅烷，使其再分散到拌合水中。硅烷基粉末中亲水的有机官能团水解形成高反应活性的硅烷醇基团，硅烷醇基团继续同水泥水化产物及玻化微珠表面的羟基基团进行不可逆反应，形成化学结合，从而使通过交联作用连接在一起的硅烷牢固地固定在水泥砂浆中孔壁及玻化微珠的表面，为保温砂浆带来了较好的整体憎水效果，同时强度有一定的提高[8]。

从图1和图2中可以观察到一定气孔的存在，这主要是引气剂引起的，引气剂是憎水性表面活性物质，表面活性剂分子可以在气泡周围作定向排列，降低表面张力而使砂浆拌合内部形成稳定均匀的小气泡[9]，从而降低保温砂浆的干密度，改善保温性能，并且随着引气剂的增加，砂浆内引入的微小气泡增多使砂浆的孔隙率提高，进而引起砂浆强度降低，吸水率上升。

从图2(a)可以观察到聚丙烯纤维在砂浆中以三维网络状均匀分布，并且从图2(b)可以观察到聚丙烯纤维与水泥浆体结合良好，这样能够分散和传递砂浆受到的应力，提高抗裂性[10]，改善复合保温砂浆的防水性，降低吸水率，提高软化系数，同时在一定程度上提高砂浆的抗压强度，但是当掺量过大时，纤维在砂浆中分布不均匀，纠结成团的纤维在砂浆中形成薄弱点多，在受到外界应力时，反而最先遭到破坏，因此

抗压强度下降

4结论

(1)影响复合保温砂浆干密度因素的顺序为：聚苯颗粒A>引气剂C>憎水剂B>聚丙烯纤维D ；影响复合保温砂浆抗压强度因素的顺序为：聚苯颗粒A>引气剂C>聚丙烯纤维D >憎水剂B 。

(2)影响复合保温砂浆1h 吸水率因素的顺序为：引气剂C >憎水剂B >聚丙烯纤维D >聚苯颗粒A ；影响24h 吸水率因素的顺序为：憎水剂B >引气剂C >聚苯颗粒A >聚丙烯纤维D ；影响保温砂浆软化系数因素的顺序为：聚苯颗粒A >憎水剂B >引气剂C >聚丙烯纤维D 。

(3)最优组合的干密度为228kg/m3，28d 抗压强度为0.54MPa ，导热系数为0.0596W/(m·K)，各性能指标均比较优异，其配比为聚苯颗粒3%、玻化微珠37%、水泥60%、水料比1.0、可再分散乳胶粉3%、聚丙烯纤维0.6%、纤维素醚0.3%、引气剂0.4%、憎水剂0.2%。参考文献：

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