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可再分散乳胶粉在EPS 保温砂浆中的作用机理及性能
周竹发, 王淑梅, 寇秀蓉, 吴铭敏
（苏州大学材料工程学院，江苏苏州215021）
0 前言
建筑能耗是我国能源消耗的大户，在建筑围护结构中，建筑外墙部分占了围护结构总能耗的1/3 以上，因而外墙保温已成为建筑节能的重点。外墙保温装饰系统（Exterior Insulationand Finish System，以下简称EIFS）是施工在建筑物外墙外侧的一种被覆层，它以整体多层复合系统的形式提供保温功能、耐候性和丰富的饰面。外墙外保温的优势在于将保温隔热体系置于外墙外侧，从而使主体结构所承受的温差作用大幅度下降，对结构墙体起到保护作用，并可有效消除冷（热）桥，有利于延长建筑物的结构寿命[1]。近10 多年来随着国家建筑节能工作的不断推进，加快了外墙外保温技术的研究开发工作，目前开发应用的外墙外保温技术主要有EPS 板外墙外保温体系[2]、EPS 颗粒保温砂浆外墙外保温体系和聚氨酯外墙外保温体系等。EPS 颗粒保温砂浆外墙外保温体系由界面层、保温层、防护层、饰面层组成，具有热工性能较好、施工方便、可以通过改变保温砂浆密度和厚度调节墙体热阻和工程造价的特点。
EPS 颗粒保温砂浆是由无机胶结料、有机粘结料、掺和料、添加剂和轻集料等按一定比例混合而成的轻质保温材料，目前研究和应用的EPS 颗粒保温砂浆中，可再分散乳胶粉对砂浆性能影响较大，在成本中占有比例高，是人们一直关注的焦点。EPS 颗粒保温砂浆外墙外保温体系的粘结性能主要来自聚合物粘结剂，其组成大多为醋酸乙烯酯/乙烯类共聚物，将这类聚合物乳液喷雾干燥可制得可再分散乳胶粉。可再分散乳胶粉在施工中由于配制精确、运输方便、便于保存的特点成为发展的趋势。EPS 颗粒保温砂浆性能很大程度上取决于所使用的聚合物的种类和掺入量。具有高乙烯含量和低Tg（玻璃化温度）值的乙烯- 醋酸乙烯胶粉（EVA）在抗冲击强度、粘结强度和耐水性方面均有优异的表现。国内对EPS 保温砂浆的研究已有不少，多数在配比、工艺过程、性能及应用等方面[3]，本研究主要探讨可再分散乳胶粉的作用机理及对EPS 保温砂浆强度等性能的影响。
1 试验
1.1 原材料及配比
主要原料型号及供应商见表1，在确定纤维素醚0.5%、淀粉醚0.3%、增水剂0.2%及其它组成的基础上，试验样品可再分散乳胶粉掺量及试样编号见表2。
1.2 试样制备
将水泥、粉煤灰及各种添加剂按上述配比称量并混合均匀，加水搅拌后加入一定量的EPS 颗粒，继续搅拌3～5 min 得到新拌保温砂浆，浇入成型模具，自然养护28 d，测其性能。导热系数试样尺寸：Φ120 mm×20 mm，抗拉强度试件尺寸：100 mm×100 mm×50 mm，抗折强度试件尺寸：160 mm×40mm×40 mm，抗压强度试件尺寸：70.1 mm×70.1 mm×70.1 mm。
1.3 性能表征
1.3.1 测试仪器
显微结构：采用美国NAVITAR 公司视频ZFL 光学显微镜；胶态结构：采用日本日立公司S- 4700 冷场发射扫描电镜（SEM）；力学性能测试：采用上海安又达仪器设备有限公司AET- 100K- B 100kN 微机控制电子万能试验机；导热系数测试：采用杭州大华仪器制造有限公司YBF- 2 型导热系数测试仪。
1.3.2 测试方法
干密度：参照GB/T 6343—1995 测试；线性收缩率：参照GBJ 82—85 测试；抗拉强度：用环氧树脂将试样与金属试验板粘结，拉伸速度5 mm/min；抗压强度：参照JGJ 70—90《建筑砂浆基本性能测试方法》测试；抗折强度：参照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》测试；导热系数：参照GB 10294—1988 测试。
2 测试结果分析与讨论
2.1 可再分散乳胶粉的特征及作用机理
本实验采用国民淀粉化学（上海）有限公司提供的ELOTEXFX2350 可再分散乳胶粉，白色，具有较好的流动性，再分散后粒度均匀，具有良好的分散性。乳胶粉颗粒在与水混合后，可以恢复到它们的原始乳液状态，并保持作为有机粘结剂所具有的特性和功能。可再分散乳胶粉在保温砂浆中的作用受水泥水化和乳胶粉成膜这2 个过程的控制。水泥水化和乳胶粉成膜的复合体系形成过程由下列4 个步骤完成[4- 5]：（1）当乳胶粉与水泥砂浆搅拌后，再分散后的细小聚合物颗粒均匀地分散到浆体中。（2）聚合物/水泥浆体中通过水泥的水化逐渐形成水泥凝胶，液相被水化过程中形成的氢氧化钙所饱和，而聚合物颗粒沉积在水泥凝胶/未水化水泥颗粒混合物的部分表面。（3）由于水泥凝胶结构的发展，水分消耗，聚合物颗粒逐渐被限制在毛细孔中。随着水泥的进一步水化，毛细孔中的水分减少，聚合物颗粒聚集在水泥凝胶/未水化水泥颗粒混合物和轻集料等的表面，形成连续的紧密堆积层。此时，大的孔隙中填充了粘性或自粘性的聚合物颗粒。（4）在水泥水化、基层吸收和表面蒸发等作用下，水分进一步减少，在水泥水化物上紧密堆积的聚合物颗粒聚结成为连续的薄膜，把水化产物粘结在一起形成一个完整的网状结构，聚合物相穿插在整个水泥水化浆体当中。
水泥水化和乳胶粉成膜组成为新的复合体系，其共同作用使保温砂浆的性能得到了改善与提高。图1 为复合体系与EPS 颗粒结合微观结构。从图1（a）显微照片可看出，复合体系牢固粘结在EPS 颗粒表面；从图1（b）扫描电镜照片可看出，水泥水化物和乳胶粉膜与轻质EPS 颗粒紧密相嵌粘合在一起。
2.2 乳胶粉的添加量对保温砂浆强度的影响
乳胶粉形成的高柔性和高弹性聚合物网状膜显著改善了保温砂浆的性能，尤其是抗拉强度得到大幅度提高。当外加作用力时，由于砂浆整体内聚力的提高和聚合物的柔弹性作用，会抵消或减缓微裂纹的发生。实验在固定其它组分量情况下，考察了乳胶粉含量对保温砂浆强度的影响（见表3）。
从表3 可见，保温砂浆抗拉强度随着乳胶粉含量的增加而提高；抗折强度和抗压强度则随着乳胶粉含量的增加而有一定程度的下降，但仍可满足墙体外饰面的要求。而压折比较小，反映了该保温砂浆柔韧变形性能较好。
乳胶粉提高抗拉强度的主要原因有：在砂浆的凝结硬化过程中聚合物会在EPS 颗粒与水泥浆体之间的过渡区凝胶成膜，使二者的界面结合更密实、更牢固；一部分聚合物分散到水泥浆体中，并在水泥水化物凝胶表面凝聚成膜，形成聚合物网络，这种低弹性模量聚合物网络体使硬化水泥的韧性得到改善；聚合物分子中某些极性基团还可能与水泥水化产物发生化学反应，形成特殊的桥键作用，改善水泥水化产物的物理组织结构，缓解内应力，从而减少水泥浆体中微裂纹的产生。图2 为EPS 颗粒与乳胶粉水泥复合体系界面微观结构，左侧为EPS 颗粒，右侧为凝聚复合体系。
2.3 乳胶粉掺量与砂浆被覆工作性
被覆工作性代表了EPS 保温砂浆施工的难易程度，是评价EPS 保温砂浆的重要性能指标之一，根据被覆的难易程度将EPS 保温砂浆的被覆工作性分为很差、差、较差、较好、好5个等级[6]。保温性能是EPS 颗粒保温砂浆主要使用性能之一，为此配制的砂浆干密度要小，才能达到低的导热系数。为了实现这一目的，实验中通过外加8%EPS 颗粒，引入轻质硅微粉和引气剂等使保温砂浆干密度在232 kg/m3，导热系数为0.059 W/（m·K）。但随着轻质料和气孔的增加，砂浆的工作性能变劣，表现在内聚力下降，和易性差，抹墙时易下滑。实验考察了不同的乳胶粉掺量与砂浆工作性能的关系，结果见表4。
表4 乳胶粉掺量对EPS 保温砂浆工作性能的影响
从表4 可看出，随着乳胶粉掺量增加，内聚性和保水性明显提高，工作性能优化，当掺量达到2.5%时完全可以满足施工需要。如掺量过多，EPS 保温砂浆的粘性过大，流动性小，并不利于施工，而且砂浆成本增大。
乳胶粉对砂浆工作性能的优化原因是由于乳胶粉为带有极性基团的高分子聚合物，当乳胶粉与EPS 颗粒拌合时，乳胶粉主链中的非极性链段就会与EPS 的非极性表面发生物理吸附作用[7]。而聚合物中的极性基团就在EPS 颗粒表面向外定向排列，使EPS 颗粒由憎水性变为亲水性，由于乳胶粉对EPS 颗粒表面的改性作用，解决了EPS 颗粒遇水易上浮，砂浆分层度大的问题。此时加入水泥拌合，EPS 颗粒表面吸附的极性基团就与水泥相互作用而紧密结合，从而使EPS 保温砂浆的和易性得到显著改善。这表现在EPS 颗粒很容易被水泥浆润湿，两者间的结合力大大提高。
2.4 测试结果
以表2 中5# 配比为基础研制的EPS 保温砂浆测试结果见表5。
3 结论
可再分散乳胶粉是高性能EPS 颗粒保温浆料中不可缺少的组成部分，其作用机理主要是在体系中聚合物颗粒聚结成为连续的薄膜，把水泥水化产物粘结在一起形成一个完整的网状结构而与EPS 颗粒牢固结合。
可再分散乳胶粉与其它粘结剂的复合体系具有很好的柔弹性作用，大大提高了EPS 颗粒保温砂浆的粘结抗拉强度和施工性能。
实验得出在固定其它粘结剂量的情况下，添加2.5%可再分散乳胶粉，可制备干密度232 kg/m3，导热系数0.059 W/（m·K），抗拉粘结强度0.33 MPa 的高性能EPS 颗粒保温砂浆。
