（材料物理与化学专业论文）发泡聚苯乙烯eps颗粒表面改性工艺及其保温砂浆性能的研究.pdf

摘要 摘要 利用废弃的发泡聚苯乙烯( e p s ) 颗粒制备的e p s 保温砂浆具有良好的保 温性能、耐久性、抗裂性能和施工性能，并能节能利废，已广泛应用于我国的 建筑节能工程。但近年来随着国家建筑节能工作力度加大，e p s 保温砂浆外保 温系统相关标准的出台，原有e p s 保温砂浆的某些性能不再满足标准的要求， 有必要对其性能进行优化提升，开发出具有更高性能的e p s 保温砂浆产品。 本课题利用三乙醇胺和聚合物乳液b 对e p s 颗粒表面进行改性预处理，并 通过在e p s 表面包裹无机胶结料等措施，解决了保温砂浆搅拌过程中的分层问 题，改善了界面粘结力。并通过正交试验确定这些改性剂以及改性后e p s 颗粒 表面包裹胶结料的适宜掺加量。 e p s 粒径与级配对保温砂浆的和易性与施工性有显著的影响，单纯调整 e p s 颗粒级配不能得到施工和易性满意的e p s 保温砂浆，采取复合使用e p s 颗粒和玻化微珠的办法，并通过优化复合骨料级配，降低了保温骨料的空隙率， 节省了胶结料用量，并优化了保温砂浆的综合性能。 通过研究各外加剂对e p s 保温砂浆性能的影响，确定各主要外加剂的种类 与最佳掺量，进一步提升保温砂浆的综合性能。在保证e p s 保温砂浆的工作性 能和力学性能的基础上，通过减少胶凝材料用量、粉煤灰取代部分水泥用量、 掺入引气剂等方法减少e p s 保温砂浆的干密度，进一步提升其保温性能。 研究结果表明：通过测定表面接触角可知，三乙醇胺和聚合物乳液b 对 e p s 颗粒具有较好的表面改性效果，其最佳改性的条件为：包裹胶结料用量、 三乙醇胺掺量和聚合物乳液b 掺量分别为e p s 质量的2 倍、3 和2 ；骨料 对砂浆性能的影响试验显示，采用破碎e p s 颗粒配制的保温砂浆的和易性和粘 聚性优于预发泡e p s 颗粒；复合骨料中玻化微珠与e p s 颗粒质量比定为4 4 时， 砂浆的综合物理、力学和保温性能达到最佳。 关键词：e p s 保温砂浆；表面改性；力学性能；工作性能；保温性能：级配 i i a b s t r a c t a b s t r a c t e p st h e r m a li n s u l a t i o nm o r t a ri sm a d ef r o md i s c a r d e de x p a n d e dp o l y s t y r e n e p a r t i c l e s ( e p s ) a sm a i nl i g h ta g g r e g a t e t h i sm o r t a rc a l l s a v ee n e r g ya n du t i l i z e w a s t e sw i t he x c e l l e n tt h e r m a l p r o p e r t y ，d u r a b i l i t y ，w e a t h e r a b i l i t y a n dc r a c k i n g r e s i s t a n c e ，a sw e l la sg o o dc o n s t r u c t i o nw o r k a b i l i t y ，w h i c hh a v eb e e nu s e dw i d e l yi n a r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g b u t ，a l o n gw i t ho u rc o u n t r y sb u i l d i n ge n e r g ye f f i d e n c y w o r ka d v a n c e m e n ta n dt h er e l e v a n c es t a n d a r di sp u b l i s h e d ，t h eo r i g i n a le p s i n s u l a t i o nm o r t a rc e r t a i np e r f o r m a n c ed on o ts a t i s f yt h es t a n d a r d sr e q u e s t i no r d e r t oh a v eh i g hp e r f o r m a n c ee p si n s u l a t i o nm o r t a rp r o d u c t ，w en e e dt op r o m o t ei t s p e r f o r m a n c e t h ei s s u e so fl a y e r i n ga n di n t e r f a c eb o n di nt h es t i r r i n gp r o c e s so fi n s u l a t i o n m o r t a ra r es o l v e db yt h eu s eo ft r i e t h a n o l a m i n ea n dp o l y m e rl a t e xt op r e t r e a t m e n to n e p sp a r t i c l ef o rs u r f a c em o d i f i c a t i o na n db yw r a p p i n gs i l i c a t eb i n d i n gm a t e r i a lo n t h es u r f a c eo fe p sp a r t i c l e s w i t ht h eh e l po fo r t h o g o n a ld e s i g n ，t h eb e s ta d d e d q u a n t i t yo ft r i e t h a n o l a m i n e ，p o l y m e rl a t e xa n dw r a p p e d s i l i c a t eb i n d i n gm a t e r i a la r e o b t a i n e d t h ei n f l u e n c eo fg r a i ns i z ea n dd i s t r i b u t i o no fe p sp a r t i c l e so ne p st h e r m a l i n s u l a t i o nm o r t a r sw o r k a b i l i t ya n dc o n s t r u c t i o ni ss i g n i f i c a n t i ti sd i f f i c u l tt og a i n e p st h e r m a li n s u l a t i o nm o r t a rw h i c ho w ng o o dw o r k a b i l i t yb ya d j u s ts i m p l yt h e d i s t r i b u t i o no fe p sp a r t i c l e s i nt h i ss t u d y ，t h r o u g hb yu s e d o ft h em i x t u r ee p s p a r t i c l e sa n dv i t r i f i e dm i c r o s p h e r et oa c h i e v eo p t i m i z e da g g r e g a t eg r a d a t i o na n dt o r e d u c et h ep o r o s i t yo ft h ea g g r e g a t e ，t or e d u c et h en e c e s s a r ya m o u n to fs i l i c a t e b i n d i n gm a t e r i a li ni n s u l a t i o nm a t e r i a l t h ei n f l u e n c e so fv a r i o u sa d d i t i v e so nt h ep r o p e r t i e so fe p si n s u l a t i n gm o r t a r w e r ei n v e s t i g a t e dt os e l e c tt h ea p p r o p r i a t ek i n da n do p t i m a ld o s a g eo ft h em a i n c o m p o n e n t sa n df u r t h e ri m p r o v ei t si n t e g r a t i v ep e r f o r m a n c e s b a s e do nt h ee x c e l l e n t w o r k a b i l i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，r e d u c et h ed r yd e n s i t yo fe p si n s u l a t i o n m o r t a ra n df u r t h e re n h a n c ei t st h e r m a li n s u l a t i o np r o p e r t i e sb yu s e dr e d u c i n gt h e a m o u n tr e d u c i n gt h ea m o u n t ，f l ya s hr e p l a c e dp a r to ft h ec e m e n ta n dt h ea d d i t i v eo f a i re n t r a i n i n g i l l a b s t r a c t w ec a r ld r a ws o m ec o n c l u s i o n sf r o mt h ee x p e r i m e n t a la sf o l l o w i n g s ：t h e d e t e r m i n a t i o nc o n t a c ta n g l eo fs u r f a c ei n d i c a t et h a tt r i e t h a n o l a m i n ea n dp o l y m e r l a t e xbh a sg o o ds u r f a c em o d i f i c a t i o ne f f e c to nt h es u r f a c eo fe p sp a r t i c l e ，a n dt h e b e s ts u r f a c em o d i f i c a t i o nc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w s ：t h eb e s ta d d e dq u a n t i t yo f w r a p p i n gs i l i c a t eb i n d i n gm a t e r i a l ，t r i e t h a n o l a m i n ea n dp o l y m e rl a t e xba r e2 t i m e s ，3 a n d2 o fq u a l i t yo fe p sp a r t i c l e t h er e s e a r c ho ni n f l u e n c e so f a g g r e g a t eo nt h ep r o p e r t i e so fe p si n s u l a t i n gi n d i c a t et h a tt h ew o r k a b i l i t ya n d a d h e s i v ea g g r e g a t i o np r o p e r t yo fi n s u l t i o nm o r t a rp r e p a r e db yc r u s h i n ge p s p o w d e r sa r eb e t t e rt h a nt h a to fi n s u l a t i o nm o r t a rp r e p a r e db yp r e f o m i n g i ti sb e s t t h a tt h ep h y s i c a l ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e r m a li n s u l a t i o np r o p e r t i e so fe p s i n s u l a t i n gm o r t a rw h e nm a s sr a t i oo fe p sp a r t i c l e sa n dv i t r i f i e dm i c r o s p h e r ei s4 4 i nt h em i x t u r e a g g r e g a t e k e yw o r d s ：e p si n s u l a t i n gm o r t a r ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； w o r k a b i l i t y ；t h e r m a li n s u l a t i o np r o p e r t i e s ；d i s t r i b u t i o n i v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特秀j 加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛昌盔堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一竺位论文作者签名( 手写) t ，岛欠签字日期： 2 0 0 8 年1 2 月 弘舀 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌叁堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权壶曼太堂可以将学位论文的全部或部分蠹容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名浮勖：t f j 白欠 签字日期；2 0 0 8 年1 2 月仉日 导师签名( 手写) ： 签字日期：2 0 0 8 年1 2 月日 ( 引言 第1 章引言 1 1 课题来源 本课题来自导师的横向开发项目。 1 2 研究背景及意义 1 2 1 能源现状 人类的现代文明依赖于能源、信息和材料三大支柱。能源问题是当前世界各 国普遍重视的问题，同粮食问题、人口问题、环境问题被列为人类面临的四大 问题之一1 1 】【2 】。 在当代社会，能源消费与经济发展的关系更是越来越紧密，经济越发展，对 能源的依赖也就越大。随着生产力的快速发展，世界各国能源消耗量越来越高， 世界能源需求量以每年2 的比率增长，对世界能源消费的长期预测表明，到 2 0 5 0 年全世界总能源耗费将达到1 9 7 5 年的4 倍f 3 】。而与此同时，随着工业文明的 快速发展，地球上可被人类利用的石油、煤炭等资源正在日渐枯竭，据专家们 估计，如果按目前的消费增长率持续下去，石油和天然气将会在今后3 0 - 4 0 年 内枯竭；即使把煤炭、核燃料( 不包括增殖反应堆) 计算在内，枯竭性能源也只能 维持2 0 0 - - - 3 0 0 年左右，因受科学技术发展水平的制约，人类开发能够从根本上 解决能源危机的新能源尚需时日。全球能源供应日益紧张，生产力发展与能源 短缺的矛盾日益加剧，能源问题直接制约着全球经济的发展。 我国能源资源丰富，为世界第三大能源生产国，但由于我国人口众多，人均 能源资源低于世界平均值。煤炭及水利已探明储量占世界总量的1 1 0 及1 3 2 ， 但人均占有量只分别是世界平均值的4 5 5 及5 5 1 ，而人均石油及天然气探明 储量更低，只为世界平均值的1 1 3 及3 8 。同时，与世界相比，我国能源储采 比相对偏低，石油、天然气和煤炭储采比分别为1 9 9 ，4 5 1 和5 0 l 引。我国从 1 9 9 3 年就开始成为能源净进口国。经济、能源尤其是能源与环境的协调和可持 引言 续发展，是实现我国现代化目标的重要前提。从国际国内的能源形势可以清楚 的知道，解决能源问题的出路之一在于提高能源利用效率和节约能源。 1 2 2 建筑节能的意义 建筑节能是指在保证建筑物使用功能和室内热环境温度和空气质量条件下， 通过提高建筑围护结构保温隔热性能和采暖、空调调温系统的效率，使建筑物 的采暖与空调调温能耗降低到规定的水平【5 】【6 l 。即采取积极有效的措施在建筑物 中合理的使用能源，有效地利用能源。建筑节能主要包括三个方面：一是建筑 本体的节能，包括建筑规划与设计、围护结构的设计等节能；二是建筑系统的 节能，包括采暖与制冷系统等设备的节能；三是能源管理，规范管理的方式做 到合理使用能源1 7 j i 8 i 。 自1 9 7 3 年爆发世界能源危机以来，节能受到各国政府的高度重视，国外把节 能称为“第五常规能源”，同石油、煤、天然气和电力并列为五大常规能源。 建筑能耗指的是建筑物在整个生产和使用过程中的能耗，而建筑使用能耗主 要包括采暖、空调、照明、炊事、家用电器、热水供应等方面能耗1 5 j 。建筑能 耗在社会总能耗中所占的比例较大，建筑节能作为世界节能浪潮的主流之一正 日益受到人们的重视。相对我国而言，建筑能耗占总能耗的比重较大，约3 0 左 右，根据发达国家经验，这个比例还将逐步提高至i j 3 5 左右。建筑将超越工业等 其他行业成为能耗的主要增长点。有关部门发出警示，如不加快推行建筑节能， 至1 j 2 0 2 0 年，全国建筑的能耗将高达1 1 亿吨标准煤，是目前全国所有建筑消耗能 源的3 倍以上1 9 】。面对我国日益严峻的能源短缺现实，加快推行建筑节能工作已 刻不容缓。 1 2 3 国内外建筑节能的发展状况 随着经济的发展和生活质量的提高，建筑能耗占社会总能耗的比重越来越 大。在1 9 7 3 年石油危机后，各国政府就大力推进建筑节能，进展迅速。西方发 达国家如法国、英国、瑞典、美国和德国等研究并开发了很多有关建筑节能的 新技术、新产品，并带动大批相关产业发展，形成了完整的体系，包括规范、 标准、技术细则的制定及建筑的开发、设计、建造、经营管理等【7 j 【引。我国从1 9 8 6 年开始实行第一步节能标准，即达到节f i 皂3 0 的要求，1 9 9 6 年又提高了2 0 达到 2 引言 节能5 0 的要求。节能建筑和墙体材料的改革，已取得了明显的成效和发展，全 国的新型墙体材料由“九五 初期的1 6 3 提高到2 8 。在节能、节土利废和改 革供暖方式等诸多方面，都取得了明显的进展。但目前我国的节能指标仍低于 西方发达国家的标准，且有关建筑节能材料不配套，建筑设计、施工、建材等 尚未形成一个完整的体系，节能保温技术正处于推广阶段1 9 j ，与发达国家相比， 差距还是有所拉大。具体表现为：在建筑保温状况上，与气候条件相近的发达 国家相比，我国多层住宅单位能耗外墙为发达国家的4 - - - 5 倍，屋面为2 5 - 5 5 倍， 外窗为1 5 2 2 倍，门窗空气渗透为3 - - 6 倒1 0 l 。在建筑节能标准上，近2 0 年来， 发达国家每修订一次标准，都将节能要求提高一步。如法国现行标准已是第三 阶段节能2 5 的标准。又如英国标准在能源危机前外墙传热系数为1 6 w m z ； 丹麦经过四次修订标准后，现已降n o 3w m 2 1 2 和0 2w m ： 。而我国采暖 居住建筑第一阶段的节能标准北京地区才降到1 2 8w m 2 ；武汉市居住建筑 的平均传热系数却普遍为3 5 6w m 2 左右。在旧房改造上，不少发达国家的 旧房节能改造工作早己结束，其他国家也已大部分完成，并已取得成效。如丹 麦每平方米建筑面积供暖能耗2 0 年来已降低5 0 ，同时舒适度有所提高，而我国 只开始搞了几幢试点建筑。在建筑节能产业上，由于广阔的建筑节能市场的迫 切需要，发达国家己形成了保温隔热材料、保温门窗、密封材料、面层抹灰及 加强材料、采暖空调系统调控元器件、管道及其配件等多种高新技术产业部门， 进行工业化大生产，而我国其中多数部门才刚刚起步。国外对建筑节能旱己纳 入规范化、法制化轨道，在研究运用方面也卓有成效，采取了不同墙体保温措 施，既节约了大量能源，又极大地改善了居住环境。我国由于经济发展水平和 建筑造价等因素的制约，只能有选择地学习和借鉴。 1 2 4 国内外保温砂浆的研究与应用现状 各国对建筑节能都采取了许多措施，其中主要措施就是开发和应用新型保温 材料。建筑能耗往往是以采暖和空调能耗为主，因此建筑节能的重点是降低采 暖和制冷能耗。其中最经济有效的节能措施就是加强建筑保温隔热。 欧美等发达国家在保温砂浆的研究与应用方面起步较早，而且保温材料工业 已经有很长的历史，技术较为成熟，在研究和应用上已卓有成效。目前发达 国家在保温砂浆研制开发方面，主要集中在开发出新的保温材料和外加剂，在 3 引言 不同原材料配合比和热工方面的研究，多以轻质多功能复合保温砂浆为主，此 类保温砂浆的各项性能较传统保温砂浆材料明显提高，如具有较低的导热系数 和良好的使用安全性及耐久性等。同时这类复合保温砂浆又具有优异的功能性， 如无氟里昂阻燃型聚氨酷泡沫复合浆体保温砂浆、超轻质全憎水硅酸钙浆体保 温砂浆材料等，可以满足不同使用条件的要求。此外，国外非常重视保温材料 工业的环保问题，积极发展“绿色”保温材料制品，从原材料准备( 开采或运 输) 、产品生产及使用后处理问题，都要求最大限度地节约资源和减少对环境 的危害【1 2 l 。保温材料工业是国外资源重新回收利用的一个成功的典型，它节省 了自然资源，降低了废物对环境的压力，同时在生产过程中消耗较少的能量。 在应用方面，欧美等发达国家建筑节能采用保温材料占绝大多数，如美国从 1 9 8 7 年以来建筑保温材料占所有保温材料的8 1 左右，瑞典及芬兰等函欧国家 8 0 以上的岩棉制品用于建筑节能在节能标准上1 1 3 1 ，美国在1 9 7 5 年第一次颁布了 a s h r a e ( 美国采暖、制冷及空调工程协会) 标准9 0 - 7 5 “新建筑物设计节能，强 制建筑业在新建建筑中执行此节能标准。以此为基础，1 9 7 7 年1 2 月官方正式颁 布了“新建筑物结构中的节能法规”，并在4 5 个州内收到很明显的节能效果。 美国国家能源局、标准局及全国建筑法规和标准大会，不断地在建筑节能设计 等方面提出新的内容，每五年便对a s h r a e 标准进行一次修订。发达国家对建 筑节能的重视和采取一些行之有效的措施取得了巨大的成效，使整个国家的建 筑能耗大幅度下降。如丹麦1 9 8 5 年比1 9 7 2 年采暖面积增加了3 0 ，但采暖能耗却 减少了3 1 8 万吨标准煤，采暖能耗占全国总能耗的比重，也由3 9 下降为2 8 ； 美国自从制定和执行第一部节能标准至今已节约了大量资金耗费，估计至u 2 0 1 1 年，在此基础上又节约4 3 0 亿美元。由此可见，国外的建筑节能法规3 0 多年来取 得了显著的社会效益和经济效益。 我国的保温材料的研究和应用目前正处于发展时期，虽然取得了一些可喜的 进步，但总体上技术水平落后，尤其浆体保温材料的研究开发方面，更是相对 落后【l 翻。在开展建筑节能初期，我国多采用的是以加气混凝土、混凝土空心砌 块、多孔砖等做外墙的建筑外墙外保温体系，该体系在当时对减轻墙体自重、 增大热阻、取代传统的烧结砖起到一定的推动作用，也取得了一定的节能效益。 但随着节能要求的不断提高，单一材料的外墙需要增加墙体厚度才能满足节能 要求，同时采用此种系统的缺点也凸现出来，节能效率低，无法杜绝热桥现象 和室内结霉挂霜现象，为达到节能设计要求往往需要增加墙体厚度，降低了建 4 引言 筑使用面积；温度应力将引起墙体开裂，影响建筑物使用寿命；不方便业主进 行室内装修，不便于翻新与维护保养等i l 引。 保温砂浆作为外墙内保温抹灰材料，是一种传统的节能产品。在开展建筑节 能的初期，通常是以水泥为胶结材，以膨胀珍珠岩、页岩陶粒、膨胀石等做为 轻骨料，并加入适量粘结剂，按适当比例混合配制而成的。由于其具有保温性 能好、工程造价低廉、施工工艺简单等优点，在我国开展建筑节能的初期得到 了极为广泛的应用，并取得了很好的节能效益。但是，随着建筑节能工作的推 进，节能设计要求的提高，各传统保温砂浆在应用过程中均暴露出了许多的问 题。随着国内外建筑节能工作的快速发展，给传统保温砂浆市场带来了强有力 的冲击，如果不对保温砂浆的保温性能、施工性能等方面进行深入系统的研究， 不大力提升保温砂浆的热工性能、抗裂性能等方面性能，保温砂浆必将作为一 种落后过时的产品被市场所淘汰。 国内对保温材料的研究主要是集中在聚苯乙烯颗粒( e p s ) 和膨胀玻化珍珠 岩保温砂浆。2 0 0 1 年重庆大学材料学院彭家惠、陈明风等1 1 5 l 通过对e p s 表面 改性使其表面由憎水性改变为亲水性，从而改变了其施工性差、粘结强度低的 缺陷。实验结果表明e p s 保温砂浆的抗裂性、耐候性良好，并且强度也有所提 高，可用于外墙保温。2 0 0 2 年孙光萍、缪建华掣1 6 l 研究了以水泥、粉煤灰、聚 苯乙烯( e p s ) 泡沫颗粒为主要原料，辅之以少量膨胀珍珠岩、外加剂、聚丙 烯纤维的节能型保温砂浆，通过各主要性能的分析发现这种材料具有干密度低 和导热系数小的特点，收缩率、耐水性、耐高温性均能满足外墙使用要求，且 生产成本低、施工方便，是一种很有发展前途的外墙外保温材料。2 0 0 4 年南京 工业大学的王正权、龚延风【1 7 】通过e p s 保温砂浆配合比实验对比，认为水灰比 对强度影响很大，不断增大骨料的量可以降低砂浆的导热系数，乳胶粉以及纤 维的掺入可以改善其强度并减少裂纹。 当前我国外墙保温的基本形式有三种： a 外墙内保温系统：即是在外墙结构的内部加做保温层。内保温施工速度快， 操作方便灵活，可以保证施工进度。但内保温多占用使用面积，“热桥”问题 不易解决，容易引起开裂，还会影响施工速度，影响居民的二次装修，且内墙 悬挂和固定物件也容易破坏内保温结构【1 引。从工程应用实践看，存在主要问题 是当室内外温差较大时，个别部位表面形成水蒸气凝结，另一个问题是保温材 料易受潮，致使保温效果受到影响。 5 引言 b 外墙外保温系统：外墙建筑工程主体完工后，将保温层做在外墙外侧的 一种保温形式。保温层包在主体结构的外侧，能够保护主体结构，延长建筑物 的寿命，有效减少了建筑结构的热桥，增加建筑的有效空间，同时消除了冷凝， 提高了居住的舒适度。外墙外保温系统是目前我国应用最广的一种外墙保温方 法。 c 外墙夹芯保温系统：夹芯保温是指在建筑外墙结构中间夹做一层保温层。 这种保温措施因为施工工艺复杂，耗时、耗力、耗材，所以在实际工程中极少 采用。 在材料方面，我国大量应用在土建工程上的浆体保温材料仍是以传统浆体膨 胀珍珠岩保温材料为主【1 9 1 ，其吸水率很大，抗裂性、耐侯性差，应用有很大局 限性，施工时需多次成活，施工效率低下，保温砂浆为现场配制，其质量不易 控制和保证。另外，中国作为一个发展中的大国，工农业正呈现出蓬勃发展的 新局面，因此我国和其它发展中国家一样面临环境污染日益加尉的问题。所以， 如何利用工业的废弃物开发出性能优异的保温材料实现节能降耗、节约资源、 减小环境污染，是当前我国浆体保温材料研究的热点，是适合中国国情的保温 材料研究方向。 1 3 选题依据 近年来，我国聚苯乙烯泡沫( e p s ) 发展迅速，年产量己达5 0 万吨。e p s 大多为 一次性使用，每年有上千万立方米的废弃e p s 因不能进行处理与降解而成为危害 环境的白色污染；废弃e p s 在水泥基材料中的回收利用，主要是制备e p s 水泥板、 e p s 轻混凝土和e p s 保温砂浆。在目外，如德国、日本等工业发达国家，废弃e p s 己经广泛应用在建筑工程中。e p s 保温砂浆是在粉煤灰保温砂浆基础上开发出来 的新型保温砂浆。它是以e p s 颗粒作为轻骨料，其组成材料主要有水泥、粉煤灰、 可再分散乳胶粉、增稠剂、纤维等。e p s 保温砂浆具有良好的保温隔热性能、抗 裂性能，施工性能和隔音效烈2 0 j ，且其成本低于膨胀珍珠岩保温砂浆和粉煤灰 保温砂浆1 2 。以破碎e p s 颗粒作为主要轻骨料配f 1 t j e p s 保温砂浆，不仅可以变废 为宝【2 2 j ，并且只要采取适宜的技术路线，就能配制出高性能的保温砂浆。江苏建筑 科学研究院的孙光萍等人研制出的h l 型e p s 外保温砂浆i l 引，各项指标均达到了 外保温砂浆的要求，且成本低廉，具有很好的发展前景。重庆大学材料学院的 6 引言 陈明风、彭家惠等人研制的e p s 保温砂浆效果显著，己经在建筑节能的示范工程 上大量应用，得到广泛的认可1 1 5 】【2 3 。勰】。 然而，e p s 保温砂浆也存在一些性能缺陷，主要表现在： e p s 是一种非极性的轻质憎水性材料，与极性无机胶凝材料的亲合力不 够，两者界面粘结力弱，导致砂浆的力学性能差。因此大幅度提高无机胶凝材 料对e p s 颗粒的粘结强度是将e p s 用作轻骨料的技术关键。以往研究和生产e p s 颗粒保温砂浆主要依靠掺入大剂量粘结剂，e p s 颗粒大多未经表面预处理或仅进 行简单处理1 2 7 1 1 2 9 ，。是高成本技术路线。 e p s 保温砂浆外墙保温系统研制成功之初，国家相应的标准与规程尚未 出台，相关的技术经济指标尚不明确。2 0 0 4 年国家建设部相继出台了胶粉聚 苯颗粒外墙外保温系统( j g l 5 8 2 0 0 4 ) 与外墙外保温工程技术规程 ( j g j l 4 4 2 0 0 4 ) ，分别对e p s 保温砂浆外墙保温系统的产品性能与工程应用要求 做出了明确的规定。通过与国家行业标准的要求对比发现，该系统虽然在有些 性能指标远好于标准要求，但是同时也存在着一些缺点与不足，主要体现在砂 浆的干、湿容重偏高，导热系数偏大，收缩变形量大等。若要满足标准要求， 就必须对原有的e p s 保温砂浆外墙保温系统进行产品改良与性能优化，使其性能 符合国家标准的规定。本课题将在原有e p s 保温砂浆研究的基础上，配制热工、 经济和施工等性能优越并且适用于外墙外保温的e p s 保温砂浆产品。 e p s 保温砂浆技术的保温效果虽然完全能够满足长江流域现阶段正在普 及的节能5 0 的第二阶段的建筑节能的要求；但考虑到节能6 5 的第三阶段节能 目标即将推行，e p s 保温砂浆原有各项性能很难满足节能发展的要求。另外，e p s 保温砂浆系列产品目前已经在节能型建筑的工程实例中被广泛应用，但由于保 温砂浆为现场配制、其质量不易控制和保证，所以在具体的工程实践中时其各 项性能很难真正得到发挥，造成能源的不经济利用，并且不能保证得到预期的 节能效果。 本课题针对e p s 颗粒与无机胶凝材料的粘结性较小的特点，通过表面活性剂 和高分子粘结剂对e p s 颗粒表面进行改性来提高无机胶凝材料与e p s 颗粒的粘结 强度，采用正交试验来确定相关改性剂的用量及改性后e p s 颗粒表面包裹胶结料 的用量。针对由于保温砂浆容重降低带来的和易性变差、密实度降低、力学性 能下降、耐水性能降低等负面影响，采用掺加玻化微珠优化骨料配比、保证砂 浆性能前提下减少胶结料用量、粉煤灰取代部分水泥和掺入适量引气剂，配制 7 引言 出各项性能优越并且适用于外墙外保温的e p s 保温砂浆产品。 1 4 主要研究内容 本课题研究的内容主要为： ( 1 ) e p s 颗粒与玻化微珠的物理性能研究 主要包括：粒度、堆积密度、颗粒级配、导热系数、吸水率、表面形貌。 ( 2 ) e p s 颗粒表面改性研究 利用表面活性剂和高分子粘结剂对e p s 颗粒表面进行改性来解决无机胶凝 材料对e p s 颗粒的亲合性不够的问题，并通过正交试验综合分析表面活性剂与 高分子粘结剂以及改性后e p s 颗粒表面包裹胶结料用量研究最佳的改性方法， 实现对废弃e p s 的再利用。 ( 3 ) e p s 保温砂浆的配方优化 骨料优化。以废弃的e p s 颗粒为主要骨料，玻化微珠作为辅助骨料， 两者配制成复合轻质骨料。从保温骨料的粒径、级配、孔隙率入手，最大程度 地降低材料的干表观密度与导热系数，提高材料的保温效果。 胶凝材料对保温砂浆性能的影响。 各外加剂对e p s 保温砂浆的性能影响。 外加剂主要包括乳胶粉、纤维素醚、聚丙烯纤维、木质纤维、聚乙烯醇、引 气剂等；e p s 保温砂浆的性能主要包括：物理性能( 干密度、稠度、分层度、 含气量、导热系数) 、力学性能( 粘结强度、抗压强度、抗折强度) 、变形性能 ( 线收缩率) 以及和易性、流动性。 ( 4 ) 机理分析 对保温砂浆的骨料改性机理和性能作用机理进行分析。 8 实验原材料和试验方法 第2 章实验原材料和试验方法 制备干粉保温砂浆的原料种类较多，可分为无机胶凝材料、聚合物添加剂、 抗裂纤维、保温骨料以及其它功能性外加剂。不同组分材料在砂浆中所起作用 不同，无机胶凝材料主要起增强、抗水、耐侯作用；无机填料主要起替代胶凝 材料、降低成本的作用；聚合物添加剂主要起增稠、增韧、改善施工性作用； 纤维主要起抗裂作用；保温骨料则是砂浆获得良好保温性能的关键。选用原材 料的原则主要应使砂浆获得优异的性能，同时要尽可能降低制造成本，还要符 合环保要求等。 2 1 主要原材料 2 1 1 水泥 采用江西亚东水泥有限公司生产的4 2 5 r 级普通硅酸盐水泥，其物理性能 见表2 1 。 表2 1 水泥的主要物理性能 2 1 2 无机掺合料 1 ) 粉煤灰 粉煤灰( n ya s h ) ，是火电厂排放的一种粉状固体工业废渣，其主要成分为 s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，f e 2 0 3 ，c a o , m g o 等，是以直径为几个微米的实心或空心玻璃体和 极少量莫来石、石英等结晶物质组成。 在干粉砂浆中掺入适宜的粉煤灰，有利于环境保护，大大降低干粉砂浆的 9 实验原材料和试验方法 成本，而且利用粉煤灰的形态效应、微集料效应可以减少用水量，使细集料的 级配更加合理，从而改善砂浆的工作性能，提高试件的抗渗能力，降低收缩率， 此外，粉煤灰的火山灰效应可使砂浆后期强度持续增长。 本实验采用南昌电厂生产的干排二级灰，其品质要求和基本性能见表2 2 与2 3 。 表2 2 粉煤灰品质要求 表2 3 粉煤灰基本性能 2 ) 灰钙粉 主要成份为c a ( o h ) 2 和c a o ，主要起到粘结左右，并能达到防水，耐水的 效果。采用江西高安相城灰钙粉厂生产，细度1 7 0 目。 3 ) 重钙粉 主要成份是重质碳酸钙，用做填料、作填充齐i j 用于增加产品体积，降低成 本，起到骨架的作用。采用广西桂林市兴安县寻渠重钙粉厂生产，细度4 0 0 目。 2 1 3 轻骨料 1 ) e p s 颗粒 e p s 颗粒指的是e p s 泡沫塑料经粉碎而成，本试验选项用中级发泡e p s 颗 粒【矧，其具有导热系数低，保温隔热性好，并具有良好的憎水性、韧性、耐酸 碱性和化学稳定性，自然条件下难降解。其物理性能及级配见表2 4 和表2 5 。 玻化微珠与e p s 颗粒外观见图2 1 和图2 2 。 1 0 实验原材料和试验方法 粒度m m 4 7 5z 3 6 4 7 5l1 8 2 3 6 秀e p s 颗粒质量的2 4 。 3 3 4e p s 表面包裹料水泥用量对保温砂浆力学性能的影响 复合母辩的裁备以三乙醇胺翻聚合耪季液b 调截残的复合菠性裁喷滔詹，荐 包裹水泥粉，以减少骨料在搅拌过程中豹分层和上浮。包裹水泥用量( 为e p s 质 量的倍数) 对e p s 保温砂浆性能的影响见图3 7 、图3 8 。 包裹水泥用攀储 图3 7e p s 表面包裹水泥用量对保温图3 8e p s 表面包裹水泥用量对傺漱 砂浆强度的影喻 砂浆粘结强度的影l _ 每 毒圈3 7 、图3 。8 可知，随着苞裹水泥耀量的增多，e p s 保温砂浆蕊抗蒸强凌、 抗折强度、粘结强度均为先升后降。这可能是由于随着包裹水泥用量的增多， 超过了与改性剂进行化学吸附的最佳用量，而且骨料的空隙率增大会造成性能 下降。同时瘢东搅拌时，已发生水纯反应的包裹水泥会部分脱落，也会影响砂 浆的性畿。而且包裹水泥用量的越多，砂浆的予表观密度有一定程度的上升。 包裹水泥的适宜量为e p s 质量的2 3 倍。 3 4e p s 改性的正交试验 3 4 。1 正交试验方案与试验结巢 e p s 表面改性及其对保温砂浆力学性能的影响 在保持骨料配比、总胶结料和外加剂不变的情况下，通过正交试验分析聚 合物乳液b ( a ) 、三乙醇胺( b ) 以及e p s 颗粒表面包裹水泥( c ) 掺量对保温 砂浆力学性能的综合影响。三个因素分别设计三个水平，根据b ( 3 4 ) 正交表安 排试验方案，试验方案与试验结果见表3 3 。 表3 3 正交设计试验方案l 9 ( 3 4 ) 及试验结果 3 4 2 正交试验结果分析 对表2 列出的试验结果分别计算不同因素不同水平的测试结果加和k 和平均 值k ，并进行极差分析，结果见表3 4 。 表3 4 正交设计极差分析 e p s 表面改性及其对保温砂浆力学性能的影响 由表3 4 可知，对砂浆粘结强度、抗折强度强度、抗压强度影响程度的大小 均依次为e p s 包裹料数量( c ) 、聚合物乳液掺量( a 、三乙醇胺掺量( b ) ； 得到三个因素的适宜水平值为：e p s 包裹料胶结料量为2 倍；三乙醇胺掺量为3 ； 聚合物乳液b 掺量为2 。 3 5 本章小节 ( 1 ) 利用表面活性剂、聚合物乳液b 对e p s 进行表面改性，并对e p s 进行包裹 无机胶结料处理是提高e p s 水泥保温砂浆力学性能的有效措施。 ( 2 ) e p s 表面接触角测定结果表明，利用三乙醇胺、聚合物乳液作改性剂可获 得比偶联剂更好的改性效果。 ( 3 ) 正交试验结果显示，e p s 改性的最佳条件为：包裹料胶结料量为e p s 质量 的2 倍，三乙醇胺掺量为3 ，聚合物乳液b 掺量为2 。 e p s 保温砂浆的配方优化 4 1 引言 第4 章e p s 保温砂浆的配方优化 传统的保温砂浆是以传统多孔膨胀珍珠岩为轻骨料。膨胀珍珠岩吸水率很 高、脆性大、抗裂性差，应用受到了很大的局限。随着建筑节能在全国范围内 的展开，保温砂浆技术的升级与换代势在必行i 卅。利用e p s 颗粒轻质多孔、 导热系数低、保温隔热性好、优良的憎水性和韧性、耐酸碱、化学稳定性好、 自然条件下难降解等特点，利用本文上章已基本解决了的无机胶凝材料对e p s 界面润湿问题，可将废弃e p s 破碎加工成直径为2 0 - - 5 0 m m 的颗粒，以作为 主要轻骨料取代传统多孔膨胀珍珠岩配制高性能保温砂浆，同时还可以变废为 宝。 4 2 骨料优化 由于单掺e p s 颗粒达不到施工和易性满意的e p s 保温砂浆1 4 7 1 ，而且砂浆 干密度和导热系数很难达到行业标准规定范围内，而通过复掺e p s 颗粒和玻化 微珠作为保温砂浆主要骨料能较好地解决这些缺陷。因此在本课题中选用e p s 颗粒和玻化微珠作为主要保温骨料，并对保温砂浆骨料优化即分别对e p s 颗粒 与玻化微珠的粒径、级配、孔隙率及孔结构，以及二者掺量比入手，进行骨料 优化。 4 2 1e p s 颗粒种类对保温砂浆性能的影响 e p s 颗粒来源有两种：预发泡e p s 颗粒与破碎e p s 颗粒。预发泡e p s 颗 粒外观为球形，表面光滑，内部含有大量封闭孔隙，其内部空气含量约9 8 ， 容重较小，弹性模量很低，韧性要优于无机集料；破碎e p s 颗粒是由回收聚苯 泡沫板破碎而成，破碎e p s 颗粒大部分在相互粘结处分离，近似球形状，表面 封闭，少部分破碎严重，颗粒呈不规则形状，封闭结构被破坏。 采用预发泡e p s 颗粒与破碎e p s 颗粒配制的保温砂浆性能见表4 1 。 e p s 保温砂浆的配方优化 由表4 1 可知，在保持保温砂浆的稠度基本一致时，采用破碎e p s 颗粒配制 的保温砂浆的水灰比较大，需水量增加。这是由于破碎e p s 颗粒孔洞结构被破坏， 不规则表面及表面的开放性孔隙增大了比表面积，增加了砂浆的吸水率；采甩 破碎e p s 颗粒配制的保温砂浆的和易性、粘聚性优于预发泡e p s 颗粒，这是因为 预发泡e p s 颗粒粒径单一，级配不合理；而破碎e p s 颗粒的级配较合理，且不规 则多面体与水泥浆体间结合更牢固。与预发泡e p s 相比，采用破碎e p s 颗粒配制 的保温砂浆吸水率增大，抗压强度有所降低，但抗折强度基本不变。经综合比 较，本试验选用级配较好的破碎e p s 颗粒配制保温砂浆。 4 2 2 保温骨料配比优化 单纯调整e p s 颗粒级配，不能得到施工和易性满意的e p s 保温砂浆_ 7 l 。如果 单一的使用e p s 颗粒作为保温骨料，颗粒间仍会有较大的空隙存在。这些空隙贝i j 需要较多的胶凝材料填充，势必增大砂浆的干表观密度，不利于保温性。玻化 微珠是一种轻质无机矿物材料，将e p s 颗粒同玻化微珠以合