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外墙外保温系统是实现建筑物围护结构的重要举措，具有防止建筑热桥、避免墙面冬季结露、保护主体结构、不影响使用面积、可对旧房进行改造以及美化建筑物的外观等优点。保温砂浆外墙外保温系统的构造如图1所示。该系统保温效果的好坏直接取决于保温砂浆性能的好坏，而保温砂浆性能则取决于其组成和生产工艺。因此，保温砂浆的组成研究和生产工艺研究是研究保温砂浆的根本出发点。 干混保温砂浆一般是由水泥、矿物外加剂、轻骨料和砂、化学外加剂等固体材料组成，经工厂准确配料和均匀混合而制成的砂浆半成品，不含拌和水。拌和水是在使用前在施工现场搅拌时加入。
④ ⑤ 图1保温砂浆保温体系外墙外保温系统基本构造 工作性能、表观密度、含气量和导热系数是保温砂浆的几项重要性能指标。工作性能是保温砂浆最基本的性能之一，它的好差直接决定着保温砂浆的使用效果；导热系数是保温砂浆的重要性能之一，它直接决定着保温砂浆的实用价值。导热系数与表观密度、含气量与工作性之间存在确定的关系，当保温砂浆其中某一性能发生变化时，其它几项性能都有规律地随之变化。在一定范围内，保温砂浆工作性随着含气量增大而改善；保温砂浆表观密度与含气量及导热系数具有较好的相关性，保温砂浆表观密度增大，则含气量减小，而导热系数增大。因此了解了保温砂浆三种表观密度之间的关系，就可以通过新拌砂浆表观密度大致推断出保温砂浆的硬化砂浆表观密度及硬化砂浆干表观密度数值范围，进而判断出保温砂浆含气量及导热系数，从而可大致分析估计出保温砂浆的工作性能及热工性能，得到保温砂浆实用性与否，为进一步研究保温砂浆的其他性能提供参考和依据。保温砂浆上述性能之间的关系如图2~图7所示。
图2新拌保温砂浆表观密度—含气量之间的关系 图3保温砂浆工作性—含气量之间的关系
图4保温砂浆表观密度之间的关系 图5保温砂浆导热系数—含气量之间的关系
图6保温砂浆导热系数随湿表观密度的变化 图7保温砂浆导热系数随硬化表观密度的变化 虽然由保温砂浆上述一种性能可以推断出其他几种性能大致情况，但决定保温砂浆各种物理力学性能的还是其组成成分。在保温砂浆中，无机胶凝材料遇水反应，生成CSH凝胶等水化产物，起到胶结骨料的作用，但水泥用量过多或过少，则保温砂浆容重会过大或骨料不能被充分包裹，影响其工作性和其他性能，因此，应通过实验研究，确定水泥等无机胶凝材料用量。随着水泥用量增加，EPS保温砂浆工作性呈现出先逐渐改善而后又有所下降的趋势。当水泥用量较小时，水泥浆体相对较少，不能充分润湿包裹轻骨料，因此使得砂浆轻骨料与浆体之间结合不紧密，出现骨料与浆体分离现象，保温砂浆工作性相对较差。当水泥用量适当时，骨料易被水泥浆体充分润湿包裹，砂浆工作性较好。但当水泥用量过大时，虽然骨料与浆体之间粘结得到改善，但水泥用量过多增加了保温砂浆浆体表观密度，使砂浆在施工过程中易产生下滑现象。保温砂浆中水泥用量增多，一方面可以使其浆体自身强度得到提高，另一方面可以使砂浆内部与基材粘结的浆体量增加，润湿包裹EPS颗粒的水泥浆体增多，浆体与颗粒之间粘结逐渐紧密，保温砂浆密实度逐渐提高，提高了保温砂浆与基材之间粘结力，从而改善保温砂浆力学性能。随着水泥掺量增大，保温砂浆含气量显著降低，表观密度、抗压强度和抗折强度逐渐增大，压剪、拉伸粘结强度以及软化系数等性能也均逐渐增加。 保温砂浆中胶凝材料起到胶结作用，而各种化学外加剂则起到改善保温砂浆性能的作用。化学外加剂中选择了纤维素醚、引气剂、乳胶粉以及淀粉醚等四种高分子聚合物。其中，纤维素醚是一种水溶性高分子材料，分离子型和非离子型两类。离子型纤维素醚有羧甲基纤维素钠等。非离子型纤维素醚有羟乙基纤维素醚、羟丙基甲基纤维素醚、甲基纤维素醚等。纤维素产品的结构是由纤维素聚合物骨架形成的，它含有一个基本重复失水葡萄糖结构的天然碳水化合物。纤维素醚主要物理性能有醚化度和粘度。醚化度亦称取代度，它是指在纤维素脱水葡萄糖基因上取代的基团数，可以用接于环上羟基的重量百分比来表示。如果每个基团上的三个有效位置都被取代，则醚化度为3；如果每个环上平均一个被取代，则醚化度为1。纤维素醚粘度是指在 纤维素醚在水泥砂浆中具有良好的增稠作用，可以提高保温砂浆密实度，降低由于干燥失水而留在砂浆中的孔隙，减少水分向砂浆内部迁移的通道，降低了砂浆浸水后通过孔隙向内部迁移的水量，减少了由于水分迁入而形成的连通孔隙，因此降低了水入浸对砂浆结构的破坏；并改善保温砂浆粘聚性及保温砂浆与基体之间的粘结力；另一方面纤维素醚具有一定的引气作用，可以向砂浆内引入大量彼此独立的微气泡，砂浆硬化后，在砂浆内部形成彼此独立的封闭孔隙，阻断毛细孔，阻断了水分迁入的通道，但其掺量过大则会造成砂浆中微小气泡间相连变成大气泡而从浆体中溢出。纤维素醚还具有良好的保水性，可以使得足够的水分保持在水泥浆体内部，从而促进了水泥的水化变硬并完全发展其强度。 正是因为纤维素醚具有这些作用，纤维素醚及其掺量对EPS保温砂浆各项物理力学性能都有较大影响。随着纤维素醚掺量增加，保温砂浆工作性逐渐改善，且纤维素醚有利于提高保温砂浆的抗压、抗折强度及压剪、拉伸粘结强度，有利于减小保温砂浆的干燥收缩率。但纤维素醚却也降低了保温砂浆含气量，增加了硬化砂浆干表观密度，导致保温砂浆导热系数随之增加，从而对保温砂浆热工性能产生了不利影响。因此，纤维素醚掺量应通过实验研究分析，结合具体情况，而控制在一定的适当范围内。 引气剂，属于阴离子型表面活化剂，是一种能向水泥浆体内引入大量气泡的化学外加剂。其原理在于在水—气界面上，憎水基向空气一面定向吸附，在水泥—水界面上，水泥或其水化颗粒与亲水基相吸附，憎水基背离水泥及其水化颗粒，形成憎水吸附层，并力图靠近空气表面，这种颗粒向空气表面靠近和引气剂分子在空气—水界面上的吸附作用，将显著降低水的表面张力，使砂浆在拌合过程中产生大量微细气泡，这些气泡具有带相同电荷的定向吸附层，因此可以相互排斥并能够均匀分布；另一方面，许多阴离子引气剂在含钙量高的水泥水溶液中会产生钙盐沉淀，并吸附于气泡膜上，能有效防止气泡破灭，引入细小均匀的气泡能在一定时间内稳定存在。引气剂主要作用首先是引入气泡，其次是分散与润湿作用。 引气剂加入到水泥浆体中，向砂浆中引入了大量微小而独立的气泡，增加了砂浆浆体体积；这些气泡在砂浆中起到润滑作用，减小了保温砂浆内部骨料之间以及骨料与浆体之间的摩擦力，显著增加了砂浆流动性；也提高了砂浆孔隙率，因而降低了砂浆浆体与基体之间的接触面积，影响了砂浆浆体与基体之间的粘结。尤其当引气剂掺量较大时，砂浆浆体不仅孔隙率大幅度增加，砂浆内部分微气泡还会相互连接转变成大气泡，导致砂浆干燥固化后内部出现出现很多较大的孔隙。当引气剂过量，甚至在砂浆表面出现可见气泡，更加不利于砂浆浆体与基体的粘结以及其他性能。 正是引气剂具有良好的引气作用，能显著改善保温砂浆工作性，使砂浆流动度增大，易于上墙施工；并大幅度提高保温砂浆含气量，降低保温砂浆表观密度，使得保温砂浆导热系数随之减小，热工性能得到显著提高。但由于引气剂的引气作用，引气剂也降低了保温砂浆的抗压强度、抗折强度、压剪拉伸强度以及拉伸粘结强度，增大了保温砂浆的干燥收缩率。因此考虑引气剂掺量时，应在保证保温砂浆物理力学性能满足要求的前提下，尽可能提高引气剂掺量，以减小硬化砂浆干表观密度，提高保温砂浆的热工性能。 可再分散性乳胶粉是一种聚合物乳液经过喷雾干燥后得到的改性粉末，它具有良好的可再分散性，并且其化学性能与初始乳液完全相同。当混合料与水拌和后，乳胶粉遇水变成乳液。在砂浆凝结硬化过程中，乳液再一次脱水，聚合物颗粒在砂浆中形成聚合物结构，与聚合物乳液的作用过程相似，对砂浆起到改性作用。 乳胶粉掺加到保温砂浆中，乳胶粉对聚苯乙烯颗粒具有表面改性作用，使其表面由憎水性变为亲水性，使颗粒逐渐易被浆体润湿包裹，改善了EPS颗粒与水泥浆体之间粘结性，使其可以均匀分布于水泥浆体中。而且乳胶粉遇水后，其颗粒自行分散，对空气具有一定诱导效应，赋予了砂浆可压缩性。乳胶粉也可以在聚苯乙烯颗粒表面形成聚合物膜，膜的部分表面上气孔被浆体填充，降低了应力集中，当外力作用时会产生松弛而阻止砂浆破坏。另外，砂浆中的水泥水化后形成刚性骨架，而聚合物膜可以提高刚性骨架的弹性和韧性，从而改善了保温砂浆性能。乳胶粉也可在聚苯乙烯颗粒与水泥浆体间界面区干燥成膜，聚合物膜的网络结构使二者结合更密实，粘结更牢固，改善聚苯乙烯颗粒与水泥浆体之间的粘结力。因此，乳胶粉在保温砂浆中具有改性作用，主要是其能在水泥砂浆内部硬化成膜，起到网络搭接作用，以及可以对聚苯乙烯颗粒表面起到一定改性作用，提高聚苯乙烯颗粒与水泥浆体粘聚力。 由于乳胶粉上述作用，其能对保温砂浆性能起到一定改善作用，具体体现在乳胶粉的加入，显著改善了保温砂浆施工和易性，颗粒被浆体充分包裹，颗粒与浆体紧密粘结，上墙涂抹后浆体均匀一致，不出现颗粒与浆体分离的现象。且其成膜网络结构，明显提高了保温砂浆的抗压强度、抗折强度以及粘结强度，降低干燥收缩率。但是乳胶粉掺量的增加会降低保温砂浆含气量，提高硬化砂浆干表观密度，导致保温砂浆导热系数增加，对保温砂浆热工性能产生不良影响。乳胶粉在保温砂浆中起着重要作用，是保温砂浆配制中不可缺少的组成部分，但是由于乳胶粉会对砂浆热工性能产生不良影响，因此其掺量也不宜太大。 淀粉醚是淀粉葡萄糖分子上的羟基与化学试剂反应而生成的。淀粉醚能够在水泥基体的强碱体系中保持良好的稳定性。淀粉醚具有以下优良性能：非常好的快速增稠能力，中等粘度，有一定的保水性；用量小，极低的掺量即能达到很高的效果；可以提高材料自身的抗下垂能力；有很好的润滑性，能改善材料的工作性能。淀粉醚掺加到水泥砂浆中，主要起到提高水泥砂浆抗垂挂性和工作性的目的，并且其对水泥砂浆其他物理力学性能影响很小。 保温砂浆中骨料包括聚苯乙烯颗粒和砂两种骨料。聚苯乙烯颗粒在其中起到骨架和保温作用，其颗粒堆积密度、颗粒大小、颗粒级配、用量等显著影响着保温砂浆性能。聚苯乙烯颗粒堆积密度较大，则聚苯乙烯颗粒粒径较小，颗粒比表面积大，水泥浆体与聚苯乙烯颗粒之间接触面积也大，润湿包裹EPS颗粒表面所需要的水泥浆体较多，易于出现聚苯乙烯颗粒包裹不充分，颗粒与浆体分离的现象。聚苯乙烯颗粒堆积密度较小，则聚苯乙烯颗粒粒径大，颗粒比表面积小，润湿包裹EPS颗粒表面所需要的水泥浆体较少，且颗粒间空隙较大，多余的浆体就会集中在颗粒间的空隙中，导致砂浆上墙涂抹时，集中在颗粒之间的浆料被挤出摊开，使墙面上出现浆料多，颗粒少的不均匀现象。聚苯乙烯颗粒弹性性质决定了骨料能够抑制收缩的程度，聚苯乙烯颗粒堆积密度增大，则骨料弹性模量有所增加，因此可以提高保温砂浆抵抗收缩变形能力。且EPS颗粒粒径的减小，使得单位体积砂浆内所需用的聚苯乙烯颗粒数量增加，由于聚苯乙烯颗粒在砂浆中起着骨架支撑作用，因此骨料自身弹性模量增加以及单位体积浆体中轻骨料数量增加均可使得骨料的骨架支撑作用增强。随着聚苯乙烯颗粒堆积密度逐渐增加，保温砂浆含气量减小，表观密度增大，而抗压强度、抗折强度、粘结强度、软化系数等力学性能则逐渐增大，保温砂浆干燥收缩率和热工性能则逐渐有所降低。因此，为确保保温砂浆的各项性能均达到要求，聚苯乙烯颗粒的堆积密度应控制在合理的范围内。 不同颗粒粒度、表面形状等的聚苯乙烯颗粒也对保温砂浆性能影响不同。通过电子显微镜得到了三种不同聚苯乙烯颗粒保温砂浆的断面形貌，第一种是粒径不同的球形聚苯乙烯颗粒；第二种是通过机械破碎废弃物后得到的聚苯乙烯颗粒；第三种是使用单一粒径且尺寸较小的球形聚苯乙烯颗粒，如图8所示。由图8(a)~(c)可以看出，粒径不同的聚苯乙烯颗粒砂浆表面具有规则的蜂窝状的空腔，这些空腔被一些很薄的膜分隔开。机械破碎的聚苯乙烯颗粒具有不规则的表面形貌，直径最小为
图8不同聚苯乙烯颗粒保温砂浆断面形貌
图9则是不同聚苯乙烯颗粒保温砂浆经过破坏后，聚苯乙烯颗粒与浆体之间的电子显微图像。当砂浆被破坏后，混合粒径的聚苯乙烯颗粒保温砂浆中只是粒子之间开裂，但并没有从胶凝材料中分离开来，包裹在粒子表面的胶凝材料与所有的结合点都保持了紧密的结合，如图9(a)所示，显微结构的左边是聚苯乙烯颗粒，右边是水泥浆体。砂浆破坏后，聚苯乙烯颗粒与水泥浆体之间仍然保持了很好的胶结状态，浆体之间的孔和聚苯乙烯颗粒之间是不交联的，在大多数地方，把浆体与聚苯乙烯颗粒分隔开的薄膜厚度不超过10μm。而图9(b)为单一粒径且尺寸较小的球形聚苯乙烯颗粒保温砂浆被破坏后的界面形貌。可以看出破坏点出现在聚苯乙烯颗粒与浆体的粘结处，这种现象是由砂浆的特殊结构决定的。这些粒子的表面没有裂缝可以让水泥浆体渗透进入，在破坏处，可以看到粒子被拉拔出来，在界面留下壳状的浆体。图9(c)则是由机械破碎聚苯乙烯颗粒制成的砂浆被破坏后的表面形貌图，聚苯乙烯颗粒破裂开后，与浆体之间的结合仍然是非常紧密。通过以上微观分析也表明，聚苯乙烯颗粒轻骨料的形状、颗粒级配不同，显著影响着保温砂浆的性能。
图9聚苯乙烯颗粒与浆体的界面形貌 砂是保温砂浆中的另一种骨料，砂在保温砂浆中主要起到一定的润滑作用，可以减小骨料与浆体之间的摩擦力，提高砂浆浆体的流动性，使得保温砂浆易于涂抹上墙。也可以起到一定的骨架支撑作用，由于砂的弹性模量比聚苯乙烯颗粒的弹性模量大得多，因此砂可以增强砂浆的骨架支撑能力，提高砂浆抵抗外力的能力；另一方面是因为砂与聚苯乙烯颗粒的粒径有一定差距，所以砂可以起到改善骨料级配的作用，在砂浆搅拌过程中，砂填充到聚苯乙烯颗粒之间的空隙或聚苯乙烯颗粒与水泥浆体之间的缝隙中，提高砂浆密实度。但是由于砂表观密度比聚苯乙烯颗粒的大很多，砂掺量增加将会显著提高保温砂浆的表观密度，对砂浆的抗垂挂性产生不利影响，从而对保温砂浆工作性产生不利影响。砂掺加到保温砂浆中，可以使得保温砂浆含气量减小，表观密度增大，提高保温砂浆抗压强度、抗折强度、压剪拉伸强度以及拉伸粘结强度，降低保温砂浆干燥收缩率。但是砂掺量过大会降低保温砂浆含气量，提高硬化砂浆干表观密度，对保温砂浆的保温性能造成不利影响。因此在确定砂掺量时，应在满足保温砂浆热工性能要求前提下适当提高砂的掺量。 矿物掺合料也是水泥砂浆一种重要的组分，其具有微集料作用，在砂浆内起到一定的填充作用，提高砂浆浆体的密实度，改善保温砂浆的抗下垂性。一定掺量范围内，矿物掺合料的掺加，可以使得保温砂浆工作性有所改善，并对保温砂浆的其他物理力学性能无不利影响。但应严格控制其掺量。
保温砂浆的强度与保温性能是对立的，抗渗和透气也是对立的，因此关键是必须寻找出性能兼顾的材料和配方。工作性的好坏也是直接决定着保温砂浆能否使用的性能。此外，轻骨科砂浆的拌和也是一个难题，这是因为轻骨料极易在砂浆中上浮，难以确保保温砂浆混合拌和均匀，必须对拌和工艺进行改革创新。 通过实验研究，从水泥品种的选用、聚苯乙稀颗粒不同容重的加入量及与水泥、矿物外加剂、各种化学外加剂混合以及保温砂浆应用技术、和易性、粘结性和保水性等施工性能进行了一系列的实验室和实际墙面施工试验研究。最终获得了保温砂浆的适宜组成成分以及配合比范围。并通过混合搅拌工艺研究，确定了保温砂浆的合理混合搅拌工艺过程。 预混聚苯乙烯颗粒保温砂浆的最佳混合生产工艺如下： （1）按给定的保温砂浆配合比称量好所需的各种原材料。先将称量好的水泥部分倒入混合设备中，然后将称量好的化学外加剂及掺合料倒入混合设备中，开动仪器混合搅拌，混合5分钟后将剩余部分水泥倒入混合设备，继续混合搅拌，得到均匀一致的粉料（肉眼观测不到白色粉体）。混合时间一般需要8-10分钟，具体可根据实际搅拌情况调整混合搅拌时间。 （2）将称量好的所需的聚苯乙烯颗粒倒入混合设备中，与粉料一起混合搅拌，混合搅拌到聚苯乙烯颗粒表面完全被粉料包裹即可。一般搅拌3～5分钟即可，具体可根据实际搅拌情况调整混合搅拌时间。 （3）混合搅拌好后，在搅拌机不同部位（顶部、中部、底部、左部、右部、腹侧等）取样进行质量控制检验，不同部位取得的样品外观均匀一致，松散容重差别在±2%范围内时，则认为保温材料已混合搅拌均匀，可以库存或包装。 （4）保温材料混合搅拌均匀后，用包装机装袋包装或放入料仓存放，应注意防潮、防火。 预混保温砂浆生产要点控制包括以下几点： l 原材料准备：生产所需各种原材料的质量、牌号、规格等应准确无误。 l 原材料称量：应利用经过计量认证的计算机称量控制系统对原材料用量进行严格控制。称量误差应控制在如下规定的范围内：水泥：±1% ；骨料：±1% ；掺和料：±1% ；化学外加剂：±0.5%。 l 原材料混合投料顺序：一半质量的水泥→掺合料/化学外加剂→剩下一半质量的水泥→轻骨料/砂。具体混合搅拌时间视生产量而定。 保温砂浆施工拌和过程中，如果保温砂浆为工厂预混和好的产品，则按照产品说明书加水搅拌即可；如果保温砂浆需现场搅拌拌和，则其合理拌和工艺过程为：先根据砂浆配合比，确定各种组分用量；将称量好的干粉料按照预混保温砂浆搅拌工艺倒入砂浆搅拌机内，混合搅拌3-5分钟；然后搅拌过程中缓缓加入称量好的自来水，搅拌3-5分钟；之后再徐徐加入称量好的聚苯乙烯颗粒，继续搅拌5-10分钟，得到混合均匀的保温砂浆。在整个搅拌拌和过程中，各阶段的搅拌时间可根据拌和料量的多少进行调整，但应确保干粉料混合均匀一致、无色差，加水后的浆体稠度均匀、不离析。最后得到的保温砂浆柔软、有松软奶油般的手感，涂抹在墙面上，与墙体粘结好，无下坠和滑移现象，易于施工。 实验和工程实践表明，搅拌好的预混保温砂浆，质量稳定、均一，满足要求；拌和好的保温砂浆浆体呈现出“柔软”之奶油手感，其工作施工性能良好，用抹刀扔在墙上，与墙体粘结好，无下坠和滑移现象，具有良好的工作性。施工后，保温砂浆面外观均一，无开裂现象，无裂缝产生。根据生产、施工和检验结果，保温预混（干）砂浆的搅拌、施工工艺过程简单易行、实用，保温预混（干）砂浆的产品性能以及其形成的外墙外保温系统达到设计的要求，具体测试结果见表1所示。与传统砂浆相比，保温砂浆不仅有良好的保温效果，而且和易性、粘结性和保水性均比传统保温砂浆好。对施工者来说，除了配料快以外，还具有施工快和质量保证诸多优点。取得了预期的成果。 表1保温材料检测性能及技术指标
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