矿渣基地质聚合物轻质保温砂浆的制备与性能研究

2022-12-06张卫鹏葛雪祥樊传刚朱泽天牛茂祥华磊李圣军

新型建筑材料 2022年11期

张卫鹏，葛雪祥，樊传刚，朱泽天，牛茂祥，华磊，李圣军

（安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山 243032）

0 引言

建筑保温是实现建筑节能减排的重要途径，然而，随着建筑防火要求的提升，挤塑聚苯板、聚氨酯泡沫板、酚醛泡沫板等有机保温材料面临着防火性能不足、耐久性差、强度低等一系列问题[1]。轻质保温砂浆作为重要的无机保温材料，具有轻质保温、防火耐久，且施工便捷等特性，常用于建筑墙体、屋面以及楼面的保温隔热[2]。目前，采用聚苯（EPS）颗粒和玻化微珠制备的水泥基保温砂浆得到了广泛的研究和应用。邓思捷和范杰[3]采用聚合物改性EPS颗粒制备了体积密度为850～950 kg/m3、抗压强度为5.20～7.15 MPa的保温砂浆。吴文杰等[4]系统研究了玻化微珠、纤维素醚等材料配比对保温砂浆制备与性能的影响，并制备了干密度为294.3～295.1 kg/m3，抗压强度为0.75 MPa左右的玻化微珠保温砂浆。然而，以硅酸盐水泥制备的轻质保温砂浆，仍存在粘结强度低、吸水率高、干缩大等性能不足，在使用过程中常引起墙体空鼓、开裂等质量问题[5-6]。为降低保温砂浆因高吸水率导致的性能劣化，Gong等[7]采用有机硅疏水剂对玻化微珠预处理，以增强玻化微珠的憎水性能。Dong等[8]采用可再分散乳胶粉和固体含量为30%的乳化沥青改性保温砂浆，有效降低了保温砂浆的吸水率，并提高了砂浆黏度和力学性能。然而，普通硅酸盐水泥作为高能耗、高碳排放的建筑材料，其大掺量使用已经成为制约建筑材料绿色、可持续发展的重要因素。因此，研究以新型低碳胶凝材料制备节能保温砂浆具有重要意义。

地质聚合物是一种具有三维网络结构的铝硅酸盐大分子材料，主要以粉煤灰、赤泥、矿渣等固体废弃物或偏高岭土等矿物为原料，在碱性激发剂作用下通过“溶解-聚合”反应形成硬化体[9]。地质聚合物不仅能资源化利用固体废弃物，且无需高温煅烧，被认为是最具发展潜力的绿色胶凝材料之一。Gao等[10]研究指出，地质聚合物浆体具有优异的粘聚性，可用于制备高粘结性的修补砂浆。Hamdi等[11]采用粉煤灰地质聚合物制备混凝土，其具有优异的抗压强度和粘结强度。因此，若采用地质聚合物制备轻集料保温砂浆，可在不添加胶粉和纤维素醚的条件下，制备出低吸水率、高粘聚性的保温砂浆。基于此，本文以矿渣微粉和粉煤灰为主要原料，通过添加玻化微珠和EPS颗粒，制备矿渣基地质聚合物保温砂浆，系统研究EPS颗粒掺量与级配对保温砂浆物理力学性能的影响，并深入研究玻化微珠掺量对砂浆力学性能的影响机理。为矿渣基地质聚合物保温砂浆的制备，以及保温砂浆的绿色低碳发展提供参考。

1 试验

1.1 原材料

矿渣微粉：S95级，质量系数为1.80，安徽马钢嘉华新型建材有限公司；粉煤灰：Ⅰ级，河南恒新能源新材料有限公司，主要化学成分如表1所示。

表1 矿渣微粉和粉煤灰的化学成分 %

采用模数为3.3、固含量为35.5%的硅酸钠溶液（浙江省嘉善县优瑞耐火材料有限公司）与片状NaOH（化学纯，国药集团化学试剂有限公司）为复合激发剂，萘系减水剂（麦克林生化科技有限公司）为外加剂。此外，试验选用0.5～1、2～4 mm两种粒径的EPS颗粒与玻化微珠（VMB）为轻集料，其基本物理性能如表2所示，微观形貌如图1所示。

表2 轻集料基本物理性能

图1 轻集料的微观形貌

1.2 试验设计与样品制备

以质量比4∶1混合矿渣微粉和粉煤灰，作为制备本试验地质聚合物的主要原料。通过添加NaOH，将液体硅酸钠调节为模数n=1的硅酸钠溶液，作为复合激发剂。试验中，按照碱当量6%、水灰比0.32分别添加激发剂溶液和水，制备矿渣基地质聚合物浆体。同时，通过添加2种粒径的EPS颗粒与玻化微珠为轻集料，研究轻集料种类和质量掺量对矿渣基地质聚合物保温砂浆性能的影响，试验配合比设计如表3所示。

表3 试验配合比设计 %

首先，试验采用2～4 mm大粒径EPS颗粒为轻集料，按照质量掺量3%～6%制备保温砂浆试样（编号分别为E3～E6），并研究其性能；其次，以质量掺量5%大粒径EPS颗粒的试样E5为基础，通过引入0.5～1.0 mm小粒径EPS颗粒，研究其掺量对保温砂浆性能的影响。最后，同样以试样E5（编号分别为Ee0.5～Ee2）为基础，添加粒径0.15～0.55 mm的玻化微珠为轻集料，进一步分析玻化微珠与EPS颗粒复合制备地质聚合物基保温砂浆的性能（编号分别为EG5～EG30）。考虑到玻化微珠较高的吸水率对浆体拌合性能的可能影响，使用前，将玻化微珠泡水24 h、过滤、表面风干，制成饱和面干状态。

1.3 测试方法

试验参照GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》，按照体积法测试试样的干密度，并参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》测试其吸水率。此外，采用电子万能试验机测试70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体试样的抗压强度，并测试砂浆试样与70.7 mm×70.7 mm×20 mm基准砂浆试块的粘结拉伸强度。试样的导热系数采用YBF-3导热系数测定仪以稳态平板法测试。试样的断面形貌与轻集料的外观形貌，均采用体视显微镜（深圳北银狐科技有限公司，ZS7045）进行表征，轻集料结合面的微观形貌则采用场发射扫描电子显微镜（SEM，FEI NANO SEM430）进行表征。

2 结果与讨论

2.1 EPS颗粒掺量与粒径对保温砂浆性能的影响

轻集料掺量是影响保温砂浆密度、力学性能以及保温性

能的主要因素。大粒径EPS颗粒掺量对矿渣基地质聚合物保温砂浆干密度与吸水率的影响如图2所示。

图2 大粒径EPS颗粒掺量对砂浆密度与吸水率的影响

由图2可见，仅以2～4 mm大粒径EPS颗粒为轻集料时，保温砂浆的干密度随掺量增加迅速减小，但吸水率逐渐增大。其中，掺加3%的EPS颗粒即可制备出密度796 kg/m3，吸水率仅为3.6%的保温砂浆试样。这表明，矿渣基地质聚合物的硬化浆体不但具有较低的密度（表观密度约为1950 kg/m3），且其抗渗性优异。当EPS掺量由3%增至6%时，保温砂浆的干密度逐渐降至446 kg/m3，而吸水率增至13.4%。分析表明，当EPS颗粒掺量增至6%时，其占保温砂浆的理论体积含量由57.66%增至73.13%，这是砂浆干密度快速降低的主要原因。由于EPS颗粒的堆积空隙量随掺量增加而增大，但填充于堆积空隙的浆体量不变，因而砂浆内部产生大量空隙，这是导致试样的吸水率快速增大的主要原因。

图3为掺EPS颗粒制得保温砂浆试样的切面形貌。

图3 不同粒径EPS颗粒掺量试样的切面形貌

由图3可见，随着EPS颗粒掺量的增加，浆体占据颗粒间隙量逐渐减少。其中，仅以大粒径EPS颗粒为轻集料时，当EPS颗粒掺量超过5%，地聚物浆体已无法完全填充颗粒堆积空隙，在砂浆试件内部产生连通空隙（如试样E6）。尽管内部空隙有效降低了保温砂浆的干密度，但也将严重影响其抗冻性及其在浸水条件下的保温性能[7]。

为实现低密度保温砂浆的制备，同时避免砂浆内部产生大量堆积空隙，在掺加5%大粒径EPS颗粒的基础上，添加粒径0.5～1.0 mm小粒径EPS颗粒，制备保温砂浆试样。图4为小粒径EPS颗粒掺量对保温砂浆密度和吸水率的影响。

图4 小粒径EPS颗粒掺量对保温砂浆密度和吸水率的影响

由图4可见：

（1）小粒径EPS颗粒紧密填充在大粒径EPS颗粒之间，占据了原先由浆体填充的部分空隙，促使颗粒堆积空隙降低。然而，当EPS颗粒掺量超过1.5%，因包裹EPS颗粒的浆体量不足，试样Ee1.5内部开始出现空隙，这将进一步影响砂浆的吸水率和干密度。

（2）随着小粒径EPS颗粒的掺入，砂浆的干密度进一步减小。其中，掺加1%制得试样Ee1的干密度仅为501kg/m3。然而，试样Ee1与试样E6具有相同的EPS体积掺量，但试样E6的干密度为446kg/m3，略低于试样Ee1。这是由于小粒径EPS颗粒填充于大粒径EPS颗粒的堆积空隙，增大了试样的致密度。尽管这导致试样干密度的小幅增大，但却能有效降低其吸水率。

（3）掺加0.5%小粒径EPS颗粒后，试样的吸水率由8.9%降至7.7%。然而，随着小粒径EPS掺量的持续增多，试样的吸水率逐渐增大。其中，当掺量由1.5%增至2.0%时，试样的吸水率由12.1%快速增至18.0%，这表明过高的EPS掺量导致试样内部产生了大量空隙。然而，在体积掺量相同的条件下，添加小粒径EPS颗粒的砂浆试样吸水率更低。例如，试样Ee1的吸水率仅为9.6%，显著低于试样E6。

EPS颗粒掺量的增加不仅影响保温砂浆的干密度与吸水率，也决定其保温性能。图5为EPS颗粒总掺量对保温砂浆导热系数的影响。

图5 EPS颗粒总掺量对保温砂浆导热系数的影响

由图5可见：

（1）随着EPS掺量的增加，保温砂浆的导热系数呈近似线性降低。其中，试样E3的导热系数达到0.258W/（m·K），而试样E6的导热系数仅为0.078 W/（m·K）。研究表明，轻集料保温砂浆较低的导热系数，一方面，来源于轻集料本身较低的密度和导热系数；另一方面，无序分散于砂浆中的轻集料阻隔了热流在高导热硬化浆体中的传递路径，延长了热传递的路程，因而降低了砂浆的导热系数[12]。

（2）在试样E5的基础上掺加小粒径的EPS颗粒，砂浆的导热系数同样随掺量增加逐渐降低。然而，试样Ee1的导热系数为0.123 W/（m·K），明显高于EPS颗粒总掺量相同的试样E6。这是由于小颗粒EPS填充于颗粒堆积空隙，增大了保温砂浆的致密度，从而提升了试样的导热系数。然而，试样Ee2的体积密度与试样E6相近，但其导热系数降至0.073 W/（m·K），低于试样E6。这可能是由于小粒径EPS颗粒的大量掺入，增大了轻集料与硬化浆体之间的换热界面，热阻增大，导热系数降低。因此，保温砂浆的导热系数不仅由其自身密度决定，也受EPS颗粒粒径的影响。

图6对比了2种EPS颗粒掺量对保温砂浆抗压强度的影响。

图6 EPS颗粒总掺量对保温砂浆抗压强度的影响

由图6可见，掺加大粒径EPS颗粒制备的地聚物保温砂浆试样，随着EPS颗粒掺量的增加，其抗压强度呈近似指数降低。其中，掺量为3%的试样E3抗压强度达到6.23MPa。但随着掺量增加，试样E5的抗压强度降至1.73 MPa。由于EPS颗粒具有极低的压缩强度，可看作硬化水泥浆体的缺陷点，且随着EPS颗粒的增多，试样内部堆积空隙也显著增大，从而导致其抗压强度快速降低。然而，在试样E5的基础上继续添加0.5～1.0 mm的EPS颗粒，当EPS颗粒总掺量≤6%时，试样的抗压强度不降反升。其中，试样Ee1的干密度低于试样E5，但其抗压强度却增至2.69 MPa。由此可见，引入小粒径EPS颗粒，增加了浆体与轻集料的界面面积，在受压力破坏过程中延长了裂纹的扩展路径，从而有助于提高抗压强度。然而，随着掺量的继续增多，EPS颗粒占砂浆整体的体积分数显著增大，孔隙率升高，导致试样的抗压强度快速降低。因此，EPS总掺量为7%的试样Ee2，其抗压强度降至1.78 MPa。

2.2 玻化微珠对保温砂浆性能的影响

玻化微珠是保温砂浆常用的无机轻集料，不仅具有较低的密度，同时与水泥浆体具有优异的粘结性能。以试样E5为基础，通过掺加粒径0.15～0.55 mm的玻化微珠，制备出EPS-玻化微珠复合地质聚合物保温砂浆。图7为玻化微珠掺量对保温砂浆干密度与吸水率的影响。

图7 玻化微珠掺量对保温砂浆干密度与吸水率的影响

由图7可见：

（1）掺加5%～30%的玻化微珠并未显著降低试样的干密度，密度535～591 kg/m3内。其中，当玻化微珠掺量≤15%时，试样的密度随其掺量增加而小幅增大。而当掺量超过15%后，因低密度玻化微珠的堆积效应，促使试样的干密度持续降低。由于小粒径的玻化微珠可填充在EPS颗粒堆积空隙中，降低EPS砂浆内部空隙率，这不仅导致砂浆密度的小幅增大，也降低了试样的吸水率。

（2）掺加5%玻化微珠为轻集料时，试样的吸水率由8.9%降至8.3%。此后，随着玻化微珠掺量的进一步增加，砂浆试样的吸水率小幅增大，但若掺量超过20%后，将导致吸水率快速增长。其中，掺量30%的试样EG30吸水率高达47.4%。由于玻化微珠具有部分开口孔，其饱和面干吸水率高达135%。当玻化微珠掺量超过20%时，地质聚合物浆体将难以完全包裹玻化微珠，导致试样的吸水率大幅增长，而这将损害砂浆的耐水性与抗冻性。

尽管添加玻化微珠并未显著改变保温砂浆的干密度，但却明显影响其力学性能（见图8）。

图8 玻化微珠掺量对保温砂浆抗压强度和拉伸粘结强度的影响

由图8可见：

（1）随着玻化微珠掺量的增加，试样的抗压强度呈现先提高后降低的变化规律，当掺量达到20%时，砂浆试样获得最高抗压强度3.26 MPa。一方面，掺入玻化微珠填充了EPS颗粒堆积间隙，增大了试样的致密度，促使砂浆抗压强度提升；另一方面，由于玻化微珠主要组成为SiO2、Al2O3和CaO，在拌合浆体中可参与碱激发反应，形成的水化产物填补粘结界面，促使试样强度提高。当玻化微珠掺量超过20%后，由于硬化浆体难以完整包裹玻化微珠，使得砂浆体系中的孔隙率增大，干密度降低，导致其抗压强度降低。另外，参与反应的玻化微珠数量增多，降低了体系中激发剂的碱当量。碱当量过低将严重影响矿渣的溶解速率，导致硬化浆体凝结时间延长，水化程度降低，同龄期试样强度降低[13]。

（2）随着玻化微珠掺量的增加，试样的粘结拉伸强度同样出现先提高后降低的变化趋势。其中，未掺入玻化微珠的试样粘结强度高达518 kPa，拉伸断裂过程中仅有少数EPS颗粒脱离，大部分沿径向撕扯断裂（见图9）。这表明，矿渣基地质聚合物硬化浆体与EPS颗粒以及标准砂浆具有良好的粘结性能，但由于EPS颗粒自身强度较低，因而裂纹穿越EPS颗粒导致砂浆试件断裂。当掺入10%玻化微珠后，试样获得581 kPa的最高粘结强度，此时断裂面上的EPS颗粒以径向断裂为主。当玻化微珠掺量为15%时，断裂面上的EPS颗粒以整体脱离为主（见图9），而非径向撕裂，且此时试样的粘结强度降低。这表明，尽管掺加少量玻化微珠有助于提高基体的粘结拉伸强度，但也导致硬化浆体与EPS颗粒的粘结力降低。当玻化微珠掺量大于15%时，试样的粘结拉伸强度快速降低，掺量为30%的试样粘结拉伸强度仅为35 kPa。

图9 不同玻化微珠掺量试样的断面结构形貌

图10为玻化微珠掺量为15%的保温砂浆不同部位的显微形貌。

图10 玻化微珠-EPS复合保温砂浆不同部位的显微形貌

由图10（a）可见，保温砂浆中的EPS颗粒通过物理嵌合方式存在于硬化浆体中，通过水化产物相互粘结。通过观察EPS颗粒脱离后的界面过渡区，如图10（b）、（c）可见，在EPS颗粒与硬化浆体的接触界面上形成了大量的水化胶凝产物，这是矿渣基地质聚合物与EPS颗粒具有良好粘结性的主要原因。由图10（d）可见，玻化微珠与地质聚物浆体反应形成致密整体，其粘结界面紧密。因而，在砂浆试样破坏过程中，玻化微珠常以径向断裂的方式破坏，这有效阻止微裂纹的形成与扩展，提高了保温砂浆的力学性能。由图10（e）、（f）可见，不仅玻化微珠表面在浆体中参与了溶解-聚合反应，其内部空腔中也填充有大量的水化产物。由于玻化微珠具有较高的吸水率，其在浆体拌合过程中吸收部分激发剂溶液，促使水化产物的形成。这一现象将导致参与矿渣反应的激发剂浓度降低，溶解-聚合反应不充分，硬化浆体强度下降。同时，这也解释了掺入少量玻化微珠时，试样密度逐渐增大的主要原因。