本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高延性保温砂浆及其制备工艺。
背景技术：
建筑外墙保温隔热措施是为了减少建筑物室内热量向室外散发或建筑物室外热量向室内散发，对创造宜居的室内环境和节约能源有重要作用。墙体保温材料性能提升是建筑节能技术发展的一个重要环节。在水利水电工程建设中，为了减少电站大坝的大体积混凝土内外温差和温度梯度，降低大体积混凝土的开裂风险，寒冷地区和严寒地区通常对施工期或运行期的大坝坝体混凝土进行表面保温。因此，保温材料对节能减排、提高基础设施建设质量与运行安全具有重要意义。
建筑外墙保温和严酷条件下大坝坝体保温所用的保温材料大同小异。保温材料大致分为有机类材料与无机类材料。有机类泡沫塑料保温材料有模塑聚苯乙烯泡沫板eps、挤塑板xps、发泡聚氨酯板材等，或喷涂发泡聚氨酯、酚醛发泡材料、胶粉聚苯颗粒砂浆等；无机类的有岩棉板、陶瓷保温板、发泡水泥、泡沫混凝土、轻质混凝土、泡沫砂浆、膨胀多孔砂浆、珍珠岩砂浆、蛭石砂浆、浮石砂浆等。单纯从保温性能来看，这些材料都有着较低的导温系数和较小的密度，保温性能优良，但是，从综合性能来看，这些材料都有着各自明显的缺陷。
有机类保温材料耐候性差、燃点低、阻燃性能较差，着火后火势蔓延迅速，释放大量有毒有害气体。无机类保温材料是拒燃材料，但强度低、易碎，易开裂，易脱粘，服役时间较短。因此，开发具有低导热系数、高延性、高抗压强度、高粘结力等综合性能的拒燃型绿色环保材料，是建筑保温材料的发展方向。
技术实现要素：
针对目前传统保温材料保温性能与变形性能、力学性能相互矛盾的问题，本发明提供一种既具有低导热系数、低干密度，又具有高延性性能、高抗压强度和高粘结能力的高延性保温砂浆。同时，与传统保温砂浆制备需要添加专用引气组分，或需要预制气泡掺入砂浆拌合物的技术路线不同，本发明既无需额外添加引气材料，也不必预制泡沫，制备工艺简单、方便。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高延性保温砂浆，所述材料按照质量份数由以下组分组成：水泥20～100份，矿物掺合料0～80份，高强微珠5～40份，集料0～35份，丙烯酸酯共聚乳液10～50份，水5～30份，减水剂1～1.5份，纤维0.75～6份。
所述水泥为通用硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥中的一种，强度等级≥42.5。
所述矿物掺合料为i级或ii级f类粉煤灰、s75级及以上矿渣、sio2含量≥95％的硅粉。
所述高强微珠主要成分为碱石灰硼硅酸盐，表观密度350～650kg/m3，堆积密度200～375kg/m3，体积平均径d(4,3)≤200μm，抗压强度25～150mpa，导热系数≤0.06w/(m·k)。
所述集料为磨细石英砂、河砂、机制砂或尾矿砂中的一种，公称最大粒径5mm，细度模数1.6～3.0，满足gb/t14684-2011《建设用砂》中砂和细砂的技术要求。
所述丙烯酸酯共聚乳液凝聚浓度≥50g/l、固含量≥35％。
所述减水剂为高性能减水剂，减水率≥25％。
所述纤维为聚丙烯纤维或聚乙烯醇纤维，纤维长度6～12mm，当量直径20～40μm。高延性保温砂浆设计抗压强度≤15mpa时，采用弹性模量为≥3.0gpa的聚丙烯纤维；高延性保温砂浆设计抗压强度＞15mpa时，采用弹性模量为≥30gpa的聚乙烯醇纤维。
所述的一种高延性保温砂浆，导热系数0.04～0.15w/(m·k)，极限拉伸值0.5～5.0％，抗压强度5.0～40.0mpa，与基底混凝土粘结力1.0～3.5mpa，干密度500～1500kg/m3。
所述的一种高延性保温砂浆，在搅拌机料斗中不同部位取样所得试件的干密度波动幅度≤2.0％，拌合物实测含气量与设计含气量偏差≤10％，纤维分散系数≥0.90。
所述的一种高延性保温砂浆，制备工艺如下：
(1)将水泥、矿物掺合料、高强微珠、集料、减水剂和水等原料加入双卧轴强制式搅拌机，以100～150rpm的低转速搅拌1～3min，使各组分混合均匀；
(2)将丙烯酸酯共聚乳液加入混合物，以100～150rpm的低转速搅拌1～3min，制得均匀流动的浆体；
(3)在100～150rpm的低转速搅拌状态下，向浆体中均匀撒入纤维，1～2min完成纤维添加；
(4)以不低于600rpm的高转速快速搅拌3～10min，使纤维分散均匀，并引入微气泡，制得高延性保温砂浆；根据高延性保温砂浆的设计干密度确定搅拌时间，搅拌时间越长，高延性保温砂浆的干密度越小。
高强微珠是一种白色中空圆球状超轻质无机非金属材料，主要成分为碱石灰硼硅酸盐，具有导热系数低、抗压强度高、密度小、吸水率低、流动性好、耐腐蚀等物理特性。导热系数≤0.06w/(m·k)，表观密度在350～650kg/m3，堆积密度200～375kg/m3，体积平均径d(4,3)≤200μm，抗压强度25～150mpa。充分利用高强微珠导热系数低、抗压强度高和密度小的特性，将其作为高延性保温砂浆的集料，显著降低高延性保温砂浆的导热系数和干密度，同时提高砂浆的抗压强度。本发明在进行保温砂浆的原材料选择时，要求高强微珠的抗压强度是保温砂浆设计强度的3倍以上，确保高强微珠不成为降低保温砂浆抗压强度的薄弱环节，从而确保了保温砂浆低导温系数与高抗压强度等两种性能能够同时实现。
丙烯酸酯共聚乳液在高速搅拌时，会产生大量的微小封闭气泡，利用该特性，可以通过控制搅拌时间，提高高延性保温砂浆的气泡含量，达到降低导热系数、减小容重的目的。因此，使用丙烯酸酯共聚乳液制备高延性保温砂浆时，无需额外添加引气材料，也无需事先生产泡沫，不但降低了成本，而且简化并减少了生产工序。另外，利用丙烯酸酯共聚乳液的高粘聚性，将高强微珠轻细颗粒均匀裹在砂浆内部，避免高强微珠因密度小而产生漂浮的现象。作为聚合物，丙烯酸酯共聚乳液还增加了高延性保温砂浆的韧性，提高了砂浆的抗变形能力，降低了保温砂浆的吸水率，将吸水率降到了2.0％以下。
纤维是保证砂浆延性性能的核心原料。聚丙烯纤维的弹性模量一般为3.0～10gpa，高强高模聚乙烯醇纤维的弹性模量一般30～45gpa。为了让纤维的弹性模量与砂浆的弹性模量相匹配，充分发挥纤维的桥接效应和能力吸收能力，提高保温砂浆的延性性能，根据保温砂浆基体的抗压强度大小，分阶段选用纤维材料。高延性保温砂浆设计抗压强度≤15mpa时，采用弹性模量为≥3.0gpa的聚丙烯纤维；高延性保温砂浆设计抗压强度＞15mpa时，采用弹性模量为≥30gpa的聚乙烯醇纤维。考虑到保温砂浆弹性模量性能测试难度较大，因此，采用砂浆抗压强度作为纤维品种选择的评判指标。
高延性保温砂浆的制备工艺的制定，考虑了以下几个因素：1)高强微珠分布均匀、无漂浮，2)气泡数量适中，3)纤维分布均匀。
要获得良好的保温性能，首先必须保证轻质中空的高强微珠颗粒分布均匀。高强微珠作为轻质颗粒，表观密度在350～650kg/m3，远远小于水的密度，在拌合物中极易产生漂浮。为了解决这个问题，第一步是进行预分散，将高强微珠与水泥、矿物掺合料、集料、减水剂和水等原料加入搅拌机低速搅拌，混合均匀，第二步利用丙烯酸酯共聚乳液聚合物的高粘聚性能，将高强微珠颗粒包裹在浆体内部。分步搅拌工艺，既保证了高强微珠充分分散和均匀分散，又避免了漂浮现象的产生。
延性是指在拉伸或剪切荷载作用下材料表现出来的高延展性能。纤维均匀分散是保温砂浆获得高延性的前提。高延性保温砂浆中，纤维的掺量较高，体积掺量最高可达到5％，是普通保温混凝土纤维掺量的30～50倍。如果一次性将纤维投入到拌合物中高速搅拌，容易造成结团现象。因此，在低速搅拌状态下，缓慢撒入纤维，可以起到初步分散的效果，避免了结团，然后在高速搅拌，利用搅拌叶对浆体产生的剪切力，进一步进行强力分散，达到使纤维均匀分布的效果。本发明还通过纤维、高强微珠和丙烯酸共聚乳液的协同作用，采用公称最大粒径5mm、细度模数1.6～3.0的中砂和细砂作为集料，制备得到高延性保温砂浆，极大扩展了传统高延性砂浆集料的粒径和细度模数的范围。
气泡数量是决定保温砂浆保温性能和干密度的重要参数。丙烯酸酯共聚乳液具有在高速搅拌状态下产生气泡的特性，同时，大掺量的纤维在高速搅拌时也会往拌合物中引入大量的空气，因此，控制搅拌叶的转速和搅拌时间，可以获得预设的气泡数量，从而确保砂浆的保温性能。
分别用干密度波动幅度、含气量偏差和纤维分散系数评价高强微珠的分布均匀性能、气泡数量的适中性和纤维分布均匀性能。根据本发明的制备工艺，制得的高延性保温砂浆在搅拌机料斗中不同部位取样所得试件的干密度波动幅度≤2.0％，拌合物实测含气量与设计含气量偏差≤10％，纤维分散系数≥0.90。
干密度波动幅度测试，取样位置≥3处，计算方法为：
含气量偏差计算方法为：
根据本发明的第一和第二发明人在之前申请的专利“不导电微细有机纤维在硬化水泥基复合材料中的性能评价方法(申请号201210589652.4)”中建立的评价方法计算评价纤维分散效果的纤维分散系数α。
式中：α为纤维分散系数，n为试件切割面所选取的二维图像的张数，n≥30；xi为试件切割面中第i张图像中纤维的根数；
与常规技术相比，本发明的创新在于：
1)无需额外添加专用引气材料或预制泡沫，通过制备工艺参数的调整即可获得预设的气泡含量和干密度；
2)通过匹配微珠与保温砂浆的抗压强度，协调保温砂浆的力学性能与保温性能，制备了高强度、低导热系数保温砂浆；
3)根据保温砂浆抗压强度的大小，精准选择不同弹性模量的纤维品种，有效提高保温砂浆的延性性能。
本发明的有益效果是：
高延性保温砂浆兼具高保温性能、高变形性能和高力学性能。
传统保温砂浆在提高保温性能时候，必然要牺牲其抗压强度，jg/t266-2011《泡沫混凝土》中泡沫混凝土最高抗压强度仅20mpa，20mpa是现有技术的瓶颈。当保温砂浆强度降低时，砂浆水灰比大，砂浆中含水较多，容易变形开裂、粘结性能越差。传统保温砂浆通过添加0.9～2.6kg/m3(约1～2‰体积掺量)的纤维来提高砂浆的抗收缩性能；保温砂浆在外部荷载作用下一压就碎，根本无延性可言。本发明通过引入高抗压强度、低导热系数的高强微珠颗粒作为集料，辅以丙烯酸酯共聚乳液作为增韧聚合物，匹配适宜的制备工艺，协调了保温性能与变形性能和力学性能之间的矛盾，制备了抗压强度5.0～40.0mpa、极限拉伸值0.5～5.0％的高延性保温材料。
制备高延性保温砂浆无需额外添加引气材料或预制泡沫。
传统工艺制备保温砂浆时，为了提高保温性能，通常在砂浆拌合物中掺入专用引气材料，如混凝土引气剂、铝粉发泡剂等，提高保温砂浆中气孔含量，从而提高保温性能；或者制备发泡剂(如双氧水、松香树脂类发泡剂、植物蛋白发泡剂、动物蛋白发泡剂、复合型发泡剂)水溶液，在机械作用力引入空气、氢气、氮气、二氧化碳或氧气的情况下，预制尺寸均匀的微细泡沫，然后根据需要，在砂浆拌合物中添加适量泡沫，制备保温砂浆。本发明利用轻质、高强、封闭中空的高强微珠作为保温组分，并利用快速搅拌丙烯酸酯共聚乳液和纤维，在砂浆中引入大量微小气泡，无需额外添加引气材料或事先预制泡沫。通过调节双卧轴搅拌机的转速与搅拌时间，调节拌合物的含气量，获得预设的气泡含量和干密度，制备工艺更简单、方便。
耐火性能高，绿色环保。
普通聚苯颗粒保温砂浆、聚氨酯保温砂浆、聚苯板、挤塑聚乙烯保温板、xps板等保温材料具有易燃、产生浓烈烟雾、易释放有毒气体等特性。高延性保温砂浆作为水泥基复合材料，主要组分为无机材料，遭遇火灾时不发生燃烧，是拒燃材料，不产生有毒有害气体，极大地提高了保温砂浆的耐火性能和环保性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
所用原材料均为市售材料，具体生产厂家如下：
高强微珠由南京瑞迪建设科技有限公司生产。普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥为安徽海螺水泥股份有限公司生产。中热硅酸盐水泥和低热硅酸盐水泥为嘉华特种水泥股份有限公司生产。丙烯酸酯共聚乳液为南京永丰化有限公司生产。粉煤灰为南京热电厂生产，矿渣由马鞍山钢铁股份有限公司生产，硅粉由埃肯国际贸易(上海)有限公司生产。高性能减水剂由江苏苏博特新材料股份有限公司生产。聚丙烯纤维由北京中纺纤建科技有限公司生产，聚乙烯醇纤维由福建永安宝林实业发展有限公司生产。水为普通饮用自来水。河砂为南京长江河砂，石英砂为南京森士石英砂有限公司生产，尾砂由宝钢集团上海梅山有限公司生产。
实施例1
材料组成比例如表1所示：
表1高延性保温砂浆材料配合比例(质量份数)
水泥为p·o42.5普通硅酸盐水泥；高强微珠表观密度650kg/m3，堆积密度375kg/m3，体积平均径d(4,3)200μm，抗压强度150mpa，导热系数0.06w/(m·k)；细集料为河砂，细度模数2.6，最大粒径5mm；丙烯酸酯共聚乳液凝聚浓度52g/l、固含量40％；水为饮用自来水；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率25％；纤维为聚乙烯醇纤维，当量直径40μm、弹性模量39gpa，长度12mm。
高速搅拌的转速为600rpm，搅拌时间3min。
3个部位试件干密度波动幅度1.68％，实测含气量与设计含气量偏差5.6％，纤维分散系数0.92。保温砂浆导热系数0.15w/(m·k)，干密度1490kg/m3，抗压强度42.3mpa，极限拉伸值5.5％，与基底混凝土粘结强度3.7mpa。
实施例2
材料组成比例如表2所示：
表2高延性保温砂浆材料配合比例(质量份数)
水泥为p·mh42.5中热硅酸盐水泥；硅灰sio2含量95％；高强微珠表观密度650kg/m3，堆积密度375kg/m3，体积平均径d(4,3)200μm，抗压强度150mpa，导热系数0.06w/(m·k)；细集料为石英砂，细度模数3.0，最大粒径5mm；丙烯酸酯共聚乳液凝聚浓度52g/l、固含量40％；水为饮用自来水；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率30％；纤维为聚乙烯醇纤维，当量直径40μm、弹性模量39gpa，长度6mm。
高速搅拌的转速为650rpm，搅拌时间4min。
6个部位试件干密度波动幅度1.72％，实测含气量与设计含气量偏差7.3％，纤维分散系数0.94。保温砂浆导热系数0.12w/(m·k)，干密度1320kg/m3，抗压强度40.8mpa，极限拉伸值5.2％，与基底混凝土粘结强度3.2mpa。
实施例3
材料组成比例如表3所示：
表3高延性保温砂浆材料配合比例(质量份数)
水泥为p·lh42.5低热硅酸盐水泥；s75级矿渣；高强微珠表观密度650kg/m3，堆积密度375kg/m3，体积平均径d(4,3)200μm，抗压强度150mpa，导热系数0.06w/(m·k)；细集料为尾砂，细度模数2.3，最大粒径5mm；丙烯酸酯共聚乳液凝聚浓度52g/l、固含量40％；水为饮用自来水；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率30％；纤维为聚乙烯醇纤维，当量直径20μm、弹性模量39gpa，长度12mm。
高速搅拌的转速为700rpm，搅拌时间5min。
4个部位试件干密度波动幅度1.72％，实测含气量与设计含气量偏差3.5％，纤维分散系数0.96。保温砂浆导热系数0.11w/(m·k)，干密度1160kg/m3，抗压强度27.6mpa，极限拉伸值3.3％，与基底混凝土粘结强度2.6mpa。
实施例4
材料组成比例如表4所示：
表4高延性保温砂浆材料配合比例(质量份数)
水泥为p·ii42.5硅酸盐水泥；f类i级粉煤灰；高强微珠表观密度450kg/m3，堆积密度265kg/m3，体积平均径d(4,3)195μm，抗压强度65mpa，导热系数0.06w/(m·k)；细集料为机制砂，细度模数1.6，最大粒径5mm；丙烯酸酯共聚乳液凝聚浓度52g/l、固含量40％；水为饮用自来水；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率25％；纤维为聚丙烯纤维，当量直径20μm、弹性模量3.0gpa，长度12mm。
高速搅拌的转速为750rpm，搅拌时间6min。
3个部位试件干密度波动幅度1.71％，实测含气量与设计含气量偏差1.8％，纤维分散系数0.93。保温砂浆导热系数0.10w/(m·k)，干密度875kg/m3，抗压强度15.3mpa，极限拉伸值2.1％，与基底混凝土粘结强度2.4mpa。
实施例5
材料组成比例如表5所示：
表5高延性保温砂浆材料配合比例(质量份数)
水泥为p·o52.5普通硅酸盐水泥；f类ii级粉煤灰；s95级矿渣；高强微珠表观密度450kg/m3，堆积密度265kg/m3，体积平均径d(4,3)195μm，抗压强度65mpa，导热系数0.06w/(m·k)；丙烯酸酯共聚乳液凝聚浓度52g/l、固含量40％；水为饮用自来水；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率35％；纤维为聚丙烯纤维，当量直径40μm、弹性模量5.0gpa，长度6mm。
高速搅拌的转速为800rpm，搅拌时间6min。
4个部位试件干密度波动幅度1.79％，实测含气量与设计含气量偏差8.9％，纤维分散系数0.95。保温砂浆导热系数0.075w/(m·k)，干密度780kg/m3，抗压强度12.8mpa，极限拉伸值1.3％，与基底混凝土粘结强度1.9mpa。
实施例6
材料组成比例如表6所示：
表6高延性保温砂浆材料配合比例(质量份数)
水泥为p·o62.5普通硅酸盐水泥；s105级矿渣；硅粉sio2含量95％；高强微珠表观密度450kg/m3，堆积密度265kg/m3，体积平均径d(4,3)195μm，抗压强度65mpa，导热系数0.06w/(m·k)；丙烯酸酯共聚乳液凝聚浓度52g/l、固含量40％；水为饮用自来水；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率27％；纤维为聚丙烯纤维，当量直径40μm、弹性模量5.0gpa，长度12mm。
高速搅拌的转速为850rpm，搅拌时间8min。
3个部位试件干密度波动幅度1.60％，实测含气量与设计含气量偏差8.2％，纤维分散系数0.98。保温砂浆导热系数0.06w/(m·k)，干密度625kg/m3，抗压强度9.7mpa，极限拉伸值0.9％，与基底混凝土粘结强度1.4mpa。
实施例7
材料组成比例如表7所示：
表7高延性保温砂浆材料配合比例(质量份数)
水泥为p·ii52.5硅酸盐水泥；f类i级粉煤灰；s75级矿渣；高强微珠表观密度400kg/m3，堆积密度230kg/m3，体积平均径d(4,3)180μm，抗压强度35mpa，导热系数0.06w/(m·k)；丙烯酸酯共聚乳液凝聚浓度52g/l、固含量40％；水为饮用自来水；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率27％；纤维为聚丙烯纤维，当量直径20μm、弹性模量5.0gpa，长度6mm。
高速搅拌的转速为900rpm，搅拌时间9min。
6个部位试件干密度波动幅度1.51％，实测含气量与设计含气量偏差9.7％，纤维分散系数0.92。保温砂浆导热系数0.04w/(m·k)，干密度530kg/m3，抗压强度6.2mpa，极限拉伸值0.7％，与基底混凝土粘结强度1.3mpa。
实施例8
材料组成比例如表8所示：
表8高延性保温砂浆材料配合比例(质量份数)
水泥为p·o52.5r普通硅酸盐水泥；f类i级粉煤灰；s105级矿渣；硅粉sio2含量95％；高强微珠表观密度400kg/m3，堆积密度230kg/m3，体积平均径d(4,3)180μm，抗压强度35mpa，导热系数0.06w/(m·k)；丙烯酸酯共聚乳液凝聚浓度52g/l、固含量40％；水为饮用自来水；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率30％；纤维为聚丙烯纤维，当量直径40μm、弹性模量5.0gpa，长度12mm。
高速搅拌的转速为1000rpm，搅拌时间10min。
3个部位试件干密度波动幅度1.01％，实测含气量与设计含气量偏差7.4％，纤维分散系数0.95。保温砂浆导热系数0.038w/(m·k)，干密度495kg/m3，抗压强度6.1mpa，极限拉伸值0.6％，与基底混凝土粘结强度1.1mpa。
实例1～实例8中高延性保温砂浆制备方法如下：
制备工艺如下：
(1)将水泥、矿物掺合料、高强微珠、集料、减水剂和水等原料加入双卧轴强制式搅拌机，以120rpm的低转速搅拌2min，使各组分混合均匀；
(2)将丙烯酸酯共聚乳液加入混合物，以120rpm的低转速搅拌2min，制得均匀流动的浆体；
(3)在120rpm的低转速搅拌状态下，向浆体中均匀撒入纤维，1min内完成纤维添加；
(4)以不低于600rpm的高转速快速搅拌3～10min，使纤维分散均匀，并引入微气泡，制得高延性保温砂浆；根据高延性保温砂浆的设计干密度确定搅拌时间，搅拌时间越长，高延性保温砂浆的干密度越小。
本发明制备的高延性保温砂浆干密度波动幅度小，高强微珠分布均匀、无漂浮，拌合物实测含气量与设计含气量偏差小，纤维分散系数；砂浆高延性变形能力强、导热系数低、抗压强度高、与基体粘结强度高；制备工艺简单、方便，原材料来源广泛。本发明公开的高延性保温砂浆不可燃，与基底老混凝土协同变形、不易脱粘，可应用于墙体与屋面的隔热保温、严寒地区混凝土大坝表面保温等。
实例1～实例8中相关性能的试验测试方法如下：
根据jg/t266-2011《泡沫混凝土》，进行高延性保温砂浆的导热系数、抗压强度和干密度性能测试；根据jc/t2461-2018《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》进行极限拉伸值性能测试；按照jts311-2011《港口水工建筑物修补加固技术规范》进行粘结性能测；按照jgj/t70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行拌合物含气量测试。