新型砌筑用保溫砂漿的研制

    摘　要：論述了保溫砂漿的抗裂、增強機理。研制出一種新型砌筑用的保溫砂漿。研究結果表明，纖維對砂漿存在著阻裂增強作用;對于同一種砂而言，有一個最適合摻加引氣劑、改變孔結構的顆粒級配；砂漿有一個合理的引氣量;適量的高分子水泥增強劑對提高砂漿強度有很大幫助，但摻量過多對強度的貢獻不大。
    關鍵詞：保溫砂漿；砌筑；水泥增強劑

    引言
    普通砌筑砂漿一般為水泥砂漿或混合砂漿，其表觀密度一般在1600～1800 kg/ m³ ，導熱系數(shù)為0.8～1.0 W/ (m·K) ；而輕質(zhì)保溫砌塊的表觀密度一般在450～950 kg/ m³ ，導熱系數(shù)為0. 15～0. 35 W/ (m·K) 。用普通砌筑砂漿砌筑輕質(zhì)砌塊墻體時，由于二者的導熱系數(shù)相差較大，致使整個砌體存在“冷橋”現(xiàn)象，由砌筑灰縫引起的能量損失很大，甚至會出現(xiàn)墻面結露等現(xiàn)象，導致建筑物使用壽命縮短和使用功能的降低。使用一般的保溫砂漿砌筑輕質(zhì)砌塊時，砌體強度會受到影響，而且砂漿與輕質(zhì)砌塊的粘結不理想。因此，研究具有良好的和易性、粘結強度以及在干縮變形、導熱性能上與輕質(zhì)砌塊相近的專用保溫砌筑砂漿，具有重要的意義。

    1 　砌筑用保溫砂漿的研制
    1. 1 　砂子級配與保溫砂漿性能的關系
    砂子級配是指各級粒徑的顆粒分布情況。砂子級配對砂漿的工作性能有很大影響，并影響到砂漿的強度。良好的顆粒級配，可以用較少的水泥和較小的用水量配制出流動性好、保水性好的砂漿混合料，并在相應的成型條件下得到密實均勻的砂漿。

    配制高強砂漿則對砂子級配的要求相應地嚴格一些，而對配制保溫砂漿來講，由于其目的主要是增強砂漿的保溫效果，必須減輕砂漿的密度或在內(nèi)部引入氣泡。在水泥用量相同的情況下，使用級配不好的砂子配制的砂漿硬化后必然在內(nèi)部留有孔隙，無法保證水泥漿填充密實。而這樣的內(nèi)部結構恰恰是配制保溫砂漿時所要求的一個方面。但是，這樣的孔結構不利于砂漿強度和性能的提高。如果充分利用內(nèi)部的孔結構，改變其分布和狀態(tài)，就可以在不降低強度的情況下達到良好的保溫效果。陶砂保溫砂漿的研制正是從這一點入手，通過調(diào)整級配和加入引氣劑來改變氣孔結構及其分布，并采取適當?shù)脑鰪娛侄?，配制出新型砌筑用保溫砂漿。本文所研究的砌筑砂漿的水泥用量低，陶砂和水泥的堆積體系中空隙率大，相當于水泥用量較少的貧混凝土。所以，采取摻引氣劑的措施來改善砂漿的和易性和力學性能是可行的。

    1. 2 　保溫砂漿的抗裂、增強機理
    1. 2. 1 　纖維與水泥基材的復合作用
    纖維對水泥基材增強機理的學說基本上有兩類，即“纖維間距理論”與“復合材料理論”。

    1. 2. 1. 1 　纖維間距理論
    纖維間距理論又稱“纖維阻裂機理”，是Romualdi 和Mandel 提出的，其主要論點如下： 
    (1) 設一纖維混凝土塊體中有許多細鋼絲沿著拉應力作用方向按棋盤狀均勻分布(見圖1) 。細鋼絲的平均中心間距為S 值。由于拉力作用，水泥基材中的凸透鏡狀裂縫的端部產(chǎn)生應力集中系數(shù)K9。當裂縫擴展到基材界面時， 在界面上會產(chǎn)生對裂縫起約束作用的剪應力并使裂縫趨于閉合， 此時在裂縫的端部會有一與K9 方向相反的另一集中應力系數(shù)KF ，故總的應力集中系數(shù)降為K9 - KF。

圖1 　Romualdi 模型

    (2) Romualdi 等的理論分析與實驗結果表明，當纖維的平均中心間距< 7. 6 mm 時，纖維混凝土的抗拉或抗彎初裂強度均得到了顯著提高。

    1. 2. 1. 2 　復合材料理論
    復合材料理論將復合材料視為一個多相系統(tǒng)， 其性能是各個相的性能的加和值。該理論應用于纖維混凝土時，有如下幾個假設： 
    (1) 纖維和水泥基材均呈彈性變形。
    (2) 纖維沿著應力的作用方向排列，并且是連續(xù)的。
    (3) 纖維、基材與纖維混凝土發(fā)生相同的應變值。
    (4) 纖維與水泥基材的粘結良好，二者不發(fā)生滑動。

    通過以上假設，就可以得出一系列公式計算混凝土的彈性模量，從而得出抗拉初裂強度的計算公式。通過對纖維混凝土的上述分析可知，該增強機理同樣適用于以水泥為基材的砂漿。因為用各種纖維制成的混凝土均存在著一個臨界體積纖維率。當實際纖維體積率大于此臨界值時，才會使纖維混凝土的抗拉極限強度較未增強的水泥基材有明顯的提高。一般玻璃纖維的臨界體積率為0. 04 %。本研究主要是采用玻璃纖維來改善砂漿的抗裂性能，進而提高其強度和其他性能。根據(jù)理論計算和資料顯示，選取玻璃纖維的體積摻量為0. 05 %。

    1. 2. 2 　水泥增強劑增強機理
    摻入玻璃纖維可以改善砂漿的抗拉、阻裂性能。但是，對于砌筑用保溫砂漿還需要進一步改善其抗壓性能，以使之與砌塊具有更好的整體工作性能。為了進一步提高砂漿的抗壓強度，本實驗采用摻加高分子水泥增強劑的辦法。

    2 　實驗方法
    2. 1 　原材料
    (1) 陶砂：密度等級700 (粒徑2. 5～5 mm 的占90 %以上) ，密度等級900 (粒徑< 2. 5 mm) ；
    (2) 普通玻璃纖維：平均長度3 cm； 
    (3) 水泥：P·O 32. 5 水泥；
    (4) 水：自來水；
    (5) 水泥增強劑：市售高分子水泥增強劑； 
    (6) 引氣劑：為自制松香皂類引氣劑，加入一定量的穩(wěn)泡劑。

    2. 2 　實驗方法
    試驗方法參照JCJ 70 —1990《建筑砂漿基本性能試驗方法》進行。

    3 　結果與討論
    3. 1 　玻璃纖維對砂漿強度的影響纖維摻量對砂漿抗壓強度的影響見表1。

                        表1 　纖維摻量對砂漿抗壓強度的影響

　　由表1 可見，摻加纖維并未使砂漿的抗壓強度有明顯的提高。但從試塊的破壞特征可以看出，砂漿的斷裂能和破壞時的最大變形迅速增加，明顯改變了砂漿的整體性能，砂漿的韌性、抗裂性得到了明顯改善。這是因為在單位體積內(nèi)纖維以較大的數(shù)量分布于砂漿內(nèi)部，裂縫在發(fā)展中因遭遇纖維的阻擋而消耗了能量，從而減少或延緩了裂縫的出現(xiàn)。同時，摻加纖維可使砂漿的抗凍性、抗?jié)B性和抗沖擊性能得到提高。但纖維摻量過高時，會使保溫砂漿的施工和易性變差，而其抗裂性能提高有限，故纖維摻量以0. 05 %為宜。以下實驗纖維摻量均為砂漿體積的0. 05 %。

    3. 2 　砂子級配對砂漿強度的影響
    砂子的粗細程度通常用細度模數(shù)來表示。本實驗采用不同細度模數(shù)的陶砂，采用相同的水泥用量和水灰比，同時摻加0. 03 %的引氣劑，以確定最適合摻加引氣劑的陶砂的細度模數(shù)。實驗結果見圖2。

圖2 　砂子細度模數(shù)對引氣砂漿強度的影響

    由圖2 可以看出，摻加引氣劑后，各組的強度均有所降低，但以細度模數(shù)為3. 9 的一組降幅最小。這表明在水泥用量和水灰比相同時，砂子級配是影響強度的主要因素，同時也決定了硬化后內(nèi)部的孔結構。摻加引氣劑對孔結構的改變和調(diào)整效果也與砂子的級配有關。一般來講，砂子顆粒較細時，其內(nèi)部孔結構也較微小；砂子顆粒過粗時，內(nèi)部孔結構過于粗大或者連通，在加入引氣劑后會引起強度的迅速降低。因此，這里存在著一個最適合摻加引氣劑的顆粒級配。在配制陶砂保溫砂漿前，必須先確定最適合引氣的陶砂顆粒級配，才能保證砂漿的質(zhì)量。

    實驗還表明，引氣不僅單單是引入氣泡，同時對砂漿內(nèi)部的孔結構進行了調(diào)整和重新分布，所以，引入氣泡的大小、形狀以及氣泡的級配，也會對砂漿的強度產(chǎn)生影響。

    3. 3 　引氣劑摻量對砂漿強度的影響
    引氣劑屬憎水性表面活性物質(zhì)，它可以在氣泡周圍作定向排列，降低表面張力而使氣泡穩(wěn)定存在， 也不凝結成大氣泡。由于氣泡增加了漿體體積和對拌合料的潤滑作用，并增加了漿體的黏度和屈服應力，因而引氣砂漿的工作性、塑性和內(nèi)聚性得到了顯著提高，明顯比非引氣砂漿要好。本試驗研究了引氣劑對砂漿的工作性和強度的影響，試驗結果見圖3。

圖3 　引氣劑摻量對砂漿強度的影響

    由圖3 可見，引氣劑的最佳摻量為0. 4 % ，此時砂漿強度的降幅最小。砂漿的水泥用量一般較少， 加之陶砂本身的保水性能較差，雖然強度容易滿足要求，但和易性、保水性和施工性相當差，加入引氣劑后，這些性能可得到很大改善。在相同用水量的情況下，摻加引氣劑的砂漿流動性得到了明顯改善， 保水性能明顯變好，減少了泌水和離析。引氣劑除可以改善砂漿的流動性外，更重要的是，能穩(wěn)定被封閉的氣泡，而大量微小的被封閉并均勻分布的氣泡的存在，可使砂漿的密度降低，保溫性能增強。實驗采用平板法直接測量砂漿的導熱系數(shù)，當引氣劑摻量為0. 4 %時砂漿的導熱系數(shù)降低了0. 4 W/ (m·K) 。同時由于封閉氣孔的存在，可對砂漿受凍時由水轉變?yōu)楸呐蛎泬毫ζ鸬胶芎玫木彌_作用，并且不容易吸入水分，與普通砂漿中存在的大而連通的孔隙相比，使冬季的成冰量大為降低，膨脹內(nèi)應力明顯減小，其抗凍融破壞能力得以成倍地提高。另外，大量均勻分布的封閉孔也切斷了水的滲透通道，提高了砂漿的抗?jié)B性能。

    3. 4 　增強劑對砂漿強度的影響
    摻加纖維雖然提高了砂漿的抗裂性能和韌性， 但其抗壓強度并沒有明顯的提高。為了更好地與砌塊相適應，需要進一步提高砂漿的抗壓強度。本實驗采用加入高分子水泥增強劑的方法來提高砂漿的強度，結果見圖4。

圖4 　水泥增強劑的增強效果

    由圖4 可以看出，水泥增強劑的摻量為水泥用量的1.5 %時，砂漿的抗壓強度最大，進一步增大增強劑摻量時，砂漿強度的增幅不大。這主要是因為高分子膠在水泥砂漿中重新分布后，在養(yǎng)護期間形成了保護膜，填補了水泥石中的缺陷和孔縫，或使水化產(chǎn)物及骨料之間相互膠結，在受到外力作用時可有效地吸收和傳遞能量，提高了砂漿的強度。

    經(jīng)大連市建材質(zhì)量檢測中心檢測，該保溫砌筑砂漿的主要技術指標為：抗壓強度12.7MPa ;絕干密度950 kg/ m³ ；抗凍性( - 25℃，25 次) ：質(zhì)量損失率3.3%，強度損失率11 %；導熱系數(shù)0. 13 W/ (m·K) 。

    4 　結論
    4. 1 　纖維對砂漿存在著阻裂增強作用。
    4. 2 　對于同一種砂而言，存在著一個最適合摻加引氣劑、改變孔結構的顆粒級配。
    4. 3 　對于砂漿有一個最合理的引氣量。
    4. 4 　高分子水泥增強劑對提高砂漿強度有很大的幫助，但需要確定合理的摻量，摻量過多對強度的貢獻不大。

    參考文獻： 
    [1 ] 徐至鈞。纖維混凝土技術及應用[M] 。 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003， 29 - 34。 
    [2 ] 孫振平，蔣正武，王培銘。TJS 砌筑砂漿外加劑的研制[J ] 。建筑技術，2003 ，34(12) ：929 - 931。
    [3 ] 覃維祖。引氣作用及其對混凝土性能的影響[J ] 。施工技術，2003 ， (8) ：1 - 3。 
    [4 ] 黃智山，單春偉，楊旭。 加氣混凝土砌塊砌筑保溫砂漿的研制[J ]。新型建筑材料，2000 ， (3) ：22 - 23。
    [5 ] 陳明鳳，謝厚禮，彭家惠等。粘結劑和纖維對EPS 保溫砂漿性能的影響[J ]。房材與應用，2001 ， (10) ：22 - 24。
    [6 ] 肖力光，張慧萍，趙路. 保溫砌筑砂漿的研制[J ]。新型建筑材料，2002 ， (11) ：35 - 38。