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(qiáng)機(jī)理。研制出一種新型砌筑用的保溫砂漿。研究結(jié)果表明，纖維對(duì)砂漿存在著阻裂增強(qiáng)作用;對(duì)于同一種砂而言，有一個(gè)最適合摻加引氣劑、改變孔結(jié)構(gòu)的顆粒級(jí)配；砂漿有一個(gè)合理的引氣量;適量的高分子水泥增強(qiáng)劑對(duì)提高砂漿強(qiáng)度有很大幫助，但摻量過(guò)多對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大。
    關(guān)鍵詞：保溫砂漿；砌筑；水泥增強(qiáng)劑

    引言
    普通砌筑砂漿一般為水泥砂漿或混合砂漿，其表觀(guān)密度一般在1600～1800 kg/ m³ ，導(dǎo)熱系數(shù)為0.8～1.0 W/ (m·K) ；而輕質(zhì)保溫砌塊的表觀(guān)密度一般在450～950 kg/ m³ ，導(dǎo)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(shí)，由于二者的導(dǎo)熱系數(shù)相差較大，致使整個(gè)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?xí)霈F(xiàn)墻面結(jié)露等現(xiàn)象，導(dǎo)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(shí)，砌體強(qiáng)度會(huì)受到影響，而且砂漿與輕質(zhì)砌塊的粘結(jié)不理想。因此，研究具有良好的和易性、粘結(jié)強(qiáng)度以及在干縮變形、導(dǎo)熱性能上與輕質(zhì)砌塊相近的專(zhuān)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(jí)配與保溫砂漿性能的關(guān)系
    砂子級(jí)配是指各級(jí)粒徑的顆粒分布情況。砂子級(jí)配對(duì)砂漿的工作性能有很大影響，并影響到砂漿的強(qiáng)度。良好的顆粒級(jí)配，可以用較少的水泥和較小的用水量配制出流動(dòng)性好、保水性好的砂漿混合料，并在相應(yīng)的成型條件下得到密實(shí)均勻的砂漿。

    配制高強(qiáng)砂漿則對(duì)砂子級(jí)配的要求相應(yīng)地嚴(yán)格一些，而對(duì)配制保溫砂漿來(lái)講，由于其目的主要是增強(qiáng)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(jí)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(wú)法保證水泥漿填充密實(shí)。而這樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)恰恰是配制保溫砂漿時(shí)所要求的一個(gè)方面。但是，這樣的孔結(jié)構(gòu)不利于砂漿強(qiáng)度和性能的提高。如果充分利用內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，改變其分布和狀態(tài)，就可以在不降低強(qiáng)度的情況下達(dá)到良好的保溫效果。陶砂保溫砂漿的研制正是從這一點(diǎn)入手，通過(guò)調(diào)整級(jí)配和加入引氣劑來(lái)改變氣孔結(jié)構(gòu)及其分布，并采取適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)手段，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(dāng)于水泥用量較少的貧混凝土。所以，采取摻引氣劑的措施來(lái)改善砂漿的和易性和力學(xué)性能是可行的。

    1. 2 　保溫砂漿的抗裂、增強(qiáng)機(jī)理
    1. 2. 1 　纖維與水泥基材的復(fù)合作用
    纖維對(duì)水泥基材增強(qiáng)機(jī)理的學(xué)說(shuō)基本上有兩類(lèi)，即“纖維間距理論”與“復(fù)合材料理論”。

    1. 2. 1. 1 　纖維間距理論
    纖維間距理論又稱(chēng)“纖維阻裂機(jī)理”，是Romualdi 和Mandel 提出的，其主要論點(diǎn)如下： 
    (1) 設(shè)一纖維混凝土塊體中有許多細(xì)鋼絲沿著拉應(yīng)力作用方向按棋盤(pán)狀均勻分布(見(jiàn)圖1) 。細(xì)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(yīng)力集中系數(shù)K9。當(dāng)裂縫擴(kuò)展到基材界面時(shí)， 在界面上會(huì)產(chǎn)生對(duì)裂縫起約束作用的剪應(yīng)力并使裂縫趨于閉合， 此時(shí)在裂縫的端部會(huì)有一與K9 方向相反的另一集中應(yīng)力系數(shù)KF ，故總的應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)纖維的平均中心間距< 7. 6 mm 時(shí)，纖維混凝土的抗拉或抗彎初裂強(qiáng)度均得到了顯著提高。

    1. 2. 1. 2 　復(fù)合材料理論
    復(fù)合材料理論將復(fù)合材料視為一個(gè)多相系統(tǒng)， 其性能是各個(gè)相的性能的加和值。該理論應(yīng)用于纖維混凝土?xí)r，有如下幾個(gè)假設(shè)： 
    (1) 纖維和水泥基材均呈彈性變形。
    (2) 纖維沿著應(yīng)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(yīng)變值。
    (4) 纖維與水泥基材的粘結(jié)良好，二者不發(fā)生滑動(dòng)。

    通過(guò)以上假設(shè)，就可以得出一系列公式計(jì)算混凝土的彈性模量，從而得出抗拉初裂強(qiáng)度的計(jì)算公式。通過(guò)對(duì)纖維混凝土的上述分析可知，該增強(qiáng)機(jī)理同樣適用于以水泥為基材的砂漿。因?yàn)橛酶鞣N纖維制成的混凝土均存在著一個(gè)臨界體積纖維率。當(dāng)實(shí)際纖維體積率大于此臨界值時(shí)，才會(huì)使纖維混凝土的抗拉極限強(qiáng)度較未增強(qiáng)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(lái)改善砂漿的抗裂性能，進(jìn)而提高其強(qiáng)度和其他性能。根據(jù)理論計(jì)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(qiáng)劑增強(qiáng)機(jī)理
    摻入玻璃纖維可以改善砂漿的抗拉、阻裂性能。但是，對(duì)于砌筑用保溫砂漿還需要進(jìn)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(jìn)一步提高砂漿的抗壓強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)采用摻加高分子水泥增強(qiáng)劑的辦法。

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

    2. 2 　實(shí)驗(yàn)方法
    試驗(yàn)方法參照J(rèn)CJ 70 —1990《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

    3 　結(jié)果與討論
    3. 1 　玻璃纖維對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響纖維摻量對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)表1。

                        表1 　纖維摻量對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

　　由表1 可見(jiàn)，摻加纖維并未使砂漿的抗壓強(qiáng)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(shí)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?yàn)樵趩挝惑w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(shí)，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(guò)高時(shí)，會(huì)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(shí)驗(yàn)纖維摻量均為砂漿體積的0. 05 %。

    3. 2 　砂子級(jí)配對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響
    砂子的粗細(xì)程度通常用細(xì)度模數(shù)來(lái)表示。本實(shí)驗(yàn)采用不同細(xì)度模數(shù)的陶砂，采用相同的水泥用量和水灰比，同時(shí)摻加0. 03 %的引氣劑，以確定最適合摻加引氣劑的陶砂的細(xì)度模數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 　砂子細(xì)度模數(shù)對(duì)引氣砂漿強(qiáng)度的影響

    由圖2 可以看出，摻加引氣劑后，各組的強(qiáng)度均有所降低，但以細(xì)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(shí)，砂子級(jí)配是影響強(qiáng)度的主要因素，同時(shí)也決定了硬化后內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)。摻加引氣劑對(duì)孔結(jié)構(gòu)的改變和調(diào)整效果也與砂子的級(jí)配有關(guān)。一般來(lái)講，砂子顆粒較細(xì)時(shí)，其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)也較微??；砂子顆粒過(guò)粗時(shí)，內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)過(guò)于粗大或者連通，在加入引氣劑后會(huì)引起強(qiáng)度的迅速降低。因此，這里存在著一個(gè)最適合摻加引氣劑的顆粒級(jí)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(jí)配，才能保證砂漿的質(zhì)量。

    實(shí)驗(yàn)還表明，引氣不僅單單是引入氣泡，同時(shí)對(duì)砂漿內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jí)配，也會(huì)對(duì)砂漿的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

    3. 3 　引氣劑摻量對(duì)砂漿強(qiáng)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?chē)鞫ㄏ蚺帕?，降低表面張力而使氣泡穩(wěn)定存在， 也不凝結(jié)成大氣泡。由于氣泡增加了漿體體積和對(duì)拌合料的潤(rùn)滑作用，并增加了漿體的黏度和屈服應(yīng)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(yàn)研究了引氣劑對(duì)砂漿的工作性和強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 　引氣劑摻量對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

    由圖3 可見(jiàn)，引氣劑的最佳摻量為0. 4 % ，此時(shí)砂漿強(qiáng)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(qiáng)度容易滿(mǎn)足要求，但和易性、保水性和施工性相當(dāng)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(dòng)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(dòng)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(qiáng)。實(shí)驗(yàn)采用平板法直接測(cè)量砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)引氣劑摻量為0. 4 %時(shí)砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)降低了0. 4 W/ (m·K) 。同時(shí)由于封閉氣孔的存在，可對(duì)砂漿受凍時(shí)由水轉(zhuǎn)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(yīng)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(qiáng)劑對(duì)砂漿強(qiáng)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(qiáng)度并沒(méi)有明顯的提高。為了更好地與砌塊相適應(yīng)，需要進(jìn)一步提高砂漿的抗壓強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)采用加入高分子水泥增強(qiáng)劑的方法來(lái)提高砂漿的強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 　水泥增強(qiáng)劑的增強(qiáng)效果

    由圖4 可以看出，水泥增強(qiáng)劑的摻量為水泥用量的1.5 %時(shí)，砂漿的抗壓強(qiáng)度最大，進(jìn)一步增大增強(qiáng)劑摻量時(shí)，砂漿強(qiáng)度的增幅不大。這主要是因?yàn)楦叻肿幽z在水泥砂漿中重新分布后，在養(yǎng)護(hù)期間形成了保護(hù)膜，填補(bǔ)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(jié)，在受到外力作用時(shí)可有效地吸收和傳遞能量，提高了砂漿的強(qiáng)度。

    經(jīng)大連市建材質(zhì)量檢測(cè)中心檢測(cè)，該保溫砌筑砂漿的主要技術(shù)指標(biāo)為：抗壓強(qiáng)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(qiáng)度損失率11 %；導(dǎo)熱系數(shù)0. 13 W/ (m·K) 。

    4 　結(jié)論
    4. 1 　纖維對(duì)砂漿存在著阻裂增強(qiáng)作用。
    4. 2 　對(duì)于同一種砂而言，存在著一個(gè)最適合摻加引氣劑、改變孔結(jié)構(gòu)的顆粒級(jí)配。
    4. 3 　對(duì)于砂漿有一個(gè)最合理的引氣量。
    4. 4 　高分子水泥增強(qiáng)劑對(duì)提高砂漿強(qiáng)度有很大的幫助，但需要確定合理的摻量，摻量過(guò)多對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大。

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