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ELOTEX可再分散胶粉及憎水性添加剂的应用 |
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ELOTEX可再分散胶粉及憎水性添加剂在薄抹灰外墙外保温系统中的应用
史淑兰 JAKOB WOLFISBERG 夏晔煦
ELOTEX亚太区技术中心，国民淀粉化学（上海）有限公司
前言
目前在世界范围内对节约能源与保护环境的需求不断提高，对建筑围护结构的保温要求也在日益加强，涌现出多种解决方案，其中又以外墙外保温技术的发展最为迅速。所谓外墙外保温，是指在垂直外墙的外表面上建造保温层，外墙可以是砖石、混凝土、木材等建筑材料。外墙保温和装饰系统 (EIFS) 是集节能、保温、隔音、装饰效果为一体的轻质、环保型非承重性外围护建筑墙体系统，能够防止潮气侵入内墙，可用于商业建筑和民用住宅。与其它的覆层产品相比，这种系统可以提供优异的能源利用效率和高得多的设计灵活性和创意性，是新建筑物和改造项目最经济的节能方法之一。三十多年来EIFS在欧洲的应用已超过5亿平米，研究和实践均证明它是一种可靠的保温体系。由于中国建筑规模宏大，建筑主体结构以厚重结构为主，在建筑节能跨越式发展的条件下，中国的外墙外保温市场具有巨大的发展潜力，外墙外保温也正在成为我国一项重要的建筑节能技术。
为规范和引导市场，北京市于1998年率先制订了薄抹灰外墙外保温系统的施工技术规程（北京地方标准）。2003年7月，建设部发布实施了《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统JG149-2002》的行业标准，对外墙外保温系统的各组成材料及系统本身提出了严格的要求。从我公司技术中心对薄抹灰外墙外保温系统的研究和试验结果来分析来看，抹面砂浆与聚苯板的耐水粘结强度、系统的吸水量和抗冲击强度容易达不到行业标准的要求，这些性能指标无疑对系统的耐久性有十分关键的影响。
为了适应中国外墙外保温技术的发展，美国国民淀粉化学有限公司ELOTEX部门在其位于上海的技术中心以及瑞士总部研发中心以ELOTEX产品和中国当地的材料为基础，对添加不同可再分散胶粉和憎水剂的胶粘剂和抹面砂浆的粘结强度及系统抗冲击强度和吸水量进行了测试，从而提出了可以满足行业标准要求的ELOTEX解决方案，并根据聚合物膜应力-应变曲线和抹面砂浆-聚苯板界面区微结构的研究结果对聚合物改性砂浆的作用机理进行了分析。
原材料、基础配方及试验方法
原材料
采用了海螺牌42.5 普通硅酸盐水泥、粒径为0.1-0.3mm的石英砂和粘度为15000cp的纤维素醚；选用了三种常用于薄抹灰外保温系统的可再分散聚合物粉末，包括ELOTEX柔性VA/E 粉末和一种憎水性聚合物粉末以及一种VA/VEOVA（醋酸乙烯-叔碳酸乙烯酯共聚物）聚合物粉末；选择了二种憎水性添加剂，包括ELOTEX可再分散硅烷基粉末SEAL80和工业级产品硬脂酸钙。试验中所采用的聚苯板的表观密度为19kg/m3，其它性能亦符合行业标准JG149-2002的要求。
基础配方
本文共进行了三个系列的试验，试验所使用的基础配方中水泥和纤维素醚的掺量保持不变，改变可再分散胶粉和憎水剂的品种和掺量，相应地对砂子的掺量进行调整。具体方案如下：
比较不同品种的可再分散胶粉对砂浆及系统性能的影响，基础配方为：28%的水泥、0.2%的纤维素醚、3%的可再分散胶粉、68.8%的0.1-0.3mm石英砂；
比较可再分散胶粉掺量对砂浆和系统性能的影响，基础配方为：28%的水泥、0.2%的纤维素醚、1%~4%的ELOTEX柔性VA/E粉末、其余为0.1-0.3mm的石英砂；
比较不同憎水剂及其掺量对砂浆粘结强度和系统吸水量的影响，基础配方为：28%的水泥、0.2%的纤维素醚、2.5%的ELOTEX柔性VA/E粉末、0-0.3%的ELOTEX硅烷基粉末 SEAL80 或 硬脂酸钙、其余为0.1~0.3mm的石英砂。
试验方法
按既定配方准确称取原料，并在干粉状态下搅拌均匀。 在水泥胶砂搅拌机中加水搅拌2分钟，加水量为20-21%，静置15分钟后手工搅拌15秒，按JG149-2002 规定的方法进行相关的试件成型、养护和测试。
结果与讨论
不同品种的可再分散胶粉对砂浆及系统性能的影响
采用基础配方1进行试验，测试的主要性能包括：抗冲击强度（反映了系统的抗开裂性能）；砂浆与聚苯板的原粘结强度和耐水粘结强度（反映了系统的粘结安全性）；吸水量（反映系统耐侯性）。试验结果如表1所示。
表1 不同品种的可再分散胶粉对砂浆粘结强度及系统吸水量和抗冲击强度的影响
项目 试件的
养护条件 3%
VA/E胶粉 3%
憎水性胶粉 3%
VA/VEOVA胶粉
与聚苯板的
粘结强度 (MPa) 14天标养
0.16
（EPS 板100%破坏） 0.11
（EPS板5%破坏） 0.14
（EPS板70%破坏
7天标养+
7天浸水 0.11
（EPS板10%破坏） 0.08
（EPS板0%破坏） 0.08
（EPS板0%破坏）
系统吸水量 (g/m2) 28天标养 850 450 1100
抗冲击强度 (J) 28天标养 10 3 2
从表1的结果可以看出，掺加不同品种的可再分散胶粉对砂浆的粘结强度以及采用该砂浆制作的系统性能的影响是不同的。添加VA/E 胶粉的砂浆与聚苯板具有良好的干态粘结强度和耐水粘结强度，用这种砂浆制作的系统具有高得多的抗冲击强度，但吸水量未能达到行业标准的要求（£500g/m2）。使用添加了憎水性胶粉配制的砂浆制作的系统吸水量和抗冲击强度刚能达标，但是该砂浆的干态粘结强度偏低，而耐水粘结强度未达到0.1MPa。添加VA/VEOVA 粉末的砂浆除与聚苯板的干态粘结强度符合行业标准的要求，砂浆的耐水粘结强度、用该砂浆制作的系统的吸水量和抗冲击强度均未达到行业标准的要求。
柔性VA/E胶粉的掺量对砂浆粘结强度和系统抗冲击性能的影响
采用基础配方2进行试验，测试的主要性能包括：添加不同量VA/E胶粉的砂浆与聚苯板的粘结强度和采用这些砂浆制作的系统的抗冲击强度。试验结果列于表2。
表2 不同掺量的VA/E胶粉对砂浆粘结强度和系统抗冲击性能的影响
项目 试件的
养护条件 0%
VA/E 胶粉 1%
VA/E 胶粉 2%
VA/E 胶粉 2.5%
VA/E 胶粉 3%
VA/E 胶粉 4%
VA/E 胶粉
与聚苯板
的粘结强度(MPa) 14天标养
0.02
(EPS板
0%破坏) 0.08 (EPS板
0%破坏) 0.13
(EPS板
20%破坏) 0.15
(EPS板
80%破坏) 0.16
(EPS板
100%破坏) 0.16
(EPS板
100 %破坏)
7天标养+
7天浸水 0.06 (EPS板
0%破坏) 0.06
(EPS板
0%破坏) 0.08
(EPS板
0%破坏) 0.11
(EPS板
10%破坏) 0.11
(EPS板
10%破坏) 0.11
(EPS板
10%破坏)
抗冲击
强度(J) 28天标养 <0.5 0.5 3 7 10 ³15
从表2的试验结果可以看出，随着聚合物掺量的提高，外保温系统的抗冲击强度显著增加，这也说明砂浆的柔性随聚合物掺量的增加而获得提高。砂浆与聚苯板的粘结强度亦有随胶粉掺量的增加而增加的趋势。但是当掺量大于3%时，干态粘结强度和耐水粘结强度几乎没有增加。当VA/E胶粉的掺量在2.5%以上时，砂浆与聚苯板的粘结强度和及其系统的抗冲击强度均可以满足行业标准的要求。
如果将表1和表2的结果结合起来看，就不难发现，可再分散胶粉的品种和掺量对薄抹灰外保温系统抗冲击强度具有至关重要的影响。外保温系统的抗冲击强度的概念是：将一定质量的钢球从一定的高度自由落下至外保温系统的表面，系统表面不产生裂纹时所能承受的钢球最大势能。显然，抗冲击强度也是系统抗裂性能的反映。我们知道外保温系统的最大技术难题就是防止开裂。为了有效地防止开裂，需要选择合格的网格布，控制增强防护层的厚度，控制网格布在增强层中的深度等等，因为这些因素都将对系统的抗冲击强度产生非常明显的影响。可以说系统的抗冲击强度越高系统的抗裂性越好。对外保温系统使用的单组分砂浆来说，优先选择使系统抗冲击强度得到更大程度提高的可再分散胶粉是提高系统抗裂能力的一个重要的技术手段。
为了更好地说明不同品种的可再分散胶粉对系统抗冲击性能具有不同改善程度的原因，我们在我公司瑞士总部研究中心测试了使用不同可再分散胶粉所制作的聚合物膜的应力-应变曲线。为了模拟可再分散胶粉在水泥浆体中的真实环境，将胶粉分散在水泥料浆的滤液中制备成膜，然后在23°C和50%的相对湿度下养护8天，依据 DIN EN ISO 527测试聚合物膜的应力-应变曲线，如图1所示。
图1 不同聚合物膜的应力-应变曲线
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从上图可知，由柔性VA/E胶粉获得的薄膜在断裂时的应变（伸长）以及应力是VA-VEOVA 薄膜的两倍；由憎水性聚合物粉末获得的薄膜不仅断裂应力较VA/E膜低得多，而其断裂应变在三种薄膜中是最低的。另外，应力-应变曲线下的面积反映了聚合物膜的韧性。从上图可知，由柔性VA/E胶粉获得的薄膜的应力-应变曲线下的面积大约是由其它两种粉末获得的薄膜的3倍，说明EVA薄膜的韧性较后两者高得多。聚合物膜的韧性对其改性的砂浆抗冲击性能有关键性的影响，这可能就是为什么在其它条件基本相同的情况下采用VA/E胶粉改性的抹面砂浆具有最佳的抗冲击强度的原因。
不同憎水剂及其掺量对砂浆粘结强度和系统吸水量的影响
采用基础配方3进行试验，测试的主要性能包括：同时添加VA/E胶粉和不同品种、不同掺量憎水剂的砂浆与聚苯板的干态和湿粘结强度及系统的吸水量。试验结果列于表3。
从表3的结果可以看出，配方中掺加SEAL80 对系统吸水量的降低作用是非常明显的。从耐水粘结强度来看，添加 SEAL80 可明显提高砂浆与聚苯板的耐水粘结强度，特别是浸水后再在标准条件下干燥1天后测的粘结强度（依据北京地方标准测试）。由基础配方中添加0.5%硬脂酸钙的砂浆制作的系统的吸水量也有明显的下降，但是，这种砂浆与聚苯板的粘结强度却明显降低。
表3 不同憎水剂及其掺量对砂浆粘结强度和系统吸水量的影响
项目 试件的
养护条件 未掺憎水剂 0.1%
Seal80 0.2%
Seal80 0.3%
Seal80 0.5%
硬脂酸钙
与聚苯板的
粘结强度 (MPa)
14天标养 0.15
(EPS板100%破坏) 0.15
(EPS板100%破坏) 0.15 (EPS板100%破坏) 0.15 (EPS板100%破坏) 0.06 (EPS板0%破坏)
7天标养+
7天浸水 0.10 (EPS板10%破坏) 0.12 (EPS板10%破坏) 0.12 (EPS板10%破坏) 0.12 (EPS板10%破坏) 0.05 (EPS板0%破坏)
14天标养+2天浸水+1天标养
（北京标准） 0.11 (EPS板10%破坏) 0.12 (EPS板10%破坏) 0.13 (EPS板20%破坏) 0.14 (EPS板30%破坏) 0.05 (EPS板0%破坏)
系统吸水量 (g/m2) 28天标养 858 745 480 420 426
抗冲击强度 (J) 28天标养 7 7 7 7 7
SEAL80是外壳进行了特殊处理的硅烷基粉末，具有极佳的亲水性,可在水中迅速均匀分散。添加SEAL80 的聚合物干粉砂浆加水拌合后，能够很快被水润湿并迅速搅拌均匀。硅烷基粉末SEAL80在水泥的高碱性环境下水解形成高反应活性的硅烷醇基团，硅烷醇基团再同水泥水化产物中的羟基基团进行不可逆反应，从而使硬化水泥砂浆中孔壁的表面获得了憎水性。这一系列的化学反应使原本不憎水的聚合物砂浆在经过一段时间的硬化后变成了表面及内部均具憎水性的砂浆。正是因为添加了SEAL80的聚合物砂浆在新拌状态下没有憎水性，才使得新拌砂浆可以充分湿润聚苯板，从而使二者之间能获得充分紧密的结合，最终达到极佳的粘结强度。这一点可以从下面的砂浆-聚苯板界面区的微结构照片中观察到。硬脂酸钙与SEAL80完全不同，由于其本身具有很强的憎水性，使它在水中无法快速润湿和溶解。当加水拌合添加了硬脂酸钙的干粉聚合物砂浆时，会发现砂浆干粉难以润湿，需要搅拌较长的时间才能将其搅拌均匀。从聚合物砂浆与聚苯板粘结试件的破坏面来看，聚苯板完好无损，说明含硬脂酸钙的聚合物砂浆与聚苯板不能紧密结合，这很有可能是添加硬脂酸钙的砂浆对聚苯板的湿润性太差造成的。这样容易导致界面处的机械咬合力大大降低，同时也可能导致界面处的聚合物膜不能进行有效的桥连。
另外我们在试验过程中还发现添加憎水性胶粉的干粉聚合物砂浆也较难被水润湿，说明憎水性胶粉本身就具有一定的憎水性，这可能也是该砂浆与聚苯板粘结强度偏低的原因之一。
聚合物改性砂浆与聚苯板界面区的微结构
图2为添加了SEAL80和VA/E胶粉的砂浆与聚苯板界面区的显微照片，从照片中我们可以看出经聚合物改性的抹面砂浆能够湿润憎水性极强的聚苯板基层。通过观察砂浆在界面处凹凸分布可以说明其极佳的润湿能力，从而使得新拌砂浆可以嵌入到聚苯颗粒之间。图3为扫描电子显微镜下观察到的聚合物砂浆与聚苯板界面区的显微照片，可以发现砂浆与聚苯板紧密地镶嵌在一起。显然，聚合物砂浆与聚苯板的粘结力主要来自于两个方面：界面处聚合物砂浆嵌入聚苯板表面缝隙后产生的机械咬合力、界面处聚合物膜对聚苯板-砂浆界面处的收缩裂缝进行桥连产生的结合力。显然，采用VA/E胶粉配合SEAL80制备的砂浆可以在这两方面均达到良好的效果。
图2 砂浆与聚苯板界面区的光学显微照片
图3 砂浆与聚苯板界面区的电子显微照片
结论
通过以上研究，可以得到下面的结论：
1.添加不同品种的可再分散胶粉的砂浆及由该砂浆制作的薄抹灰外保温系统的性能之间差距很大，单独使用一种可再分散胶粉配制砂浆很难使砂浆和系统的各项性能都满足行业标准的要求；
2.掺加适量的柔性 VA/E胶粉可以使系统获得极佳的抗冲击强度，因而特别适合于配制薄抹灰外保温系统的抹面砂浆；
3.SEAL80在明显降低系统的吸水量的同时，没有降低系统的干态粘结强度，对系统的耐水粘结强度亦有明显的改善；硬脂酸钙类的憎水剂在降低系统吸水量的同时，也使系统的粘结强度急剧下降；
4.柔性VA/E胶粉的掺量对外保温系统的性能具有关键性的影响，在外保温系统的胶粘剂和抹面砂浆中添加2.5%-3%的VA/E可再分散胶粉可以获得优异的粘结强度和抗冲击强度；
5.在外保温系统的抹面砂浆中额外添加0.2%-0.3%SEAL80可以使系统的吸水量达到行业标准的要求（£500g/m2），同时也提高了系统的耐水粘结强度。
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