新型砌筑用保温砂浆的研制

    摘　要：论述了保温砂浆的抗裂、增强机理。研制出一种新型砌筑用的保温砂浆。研究结果表明，纤维对砂浆存在着阻裂增强作用;对于同一种砂而言，有一个最适合掺加引气剂、改变孔结构的颗粒级配；砂浆有一个合理的引气量;适量的高分子水泥增强剂对提高砂浆强度有很大帮助，但掺量过多对强度的贡献不大。
    关键词：保温砂浆；砌筑；水泥增强剂

    引言
    普通砌筑砂浆一般为水泥砂浆或混合砂浆，其表观密度一般在1600～1800 kg/ m³ ，导热系数为0.8～1.0 W/ (m·K) ；而轻质保温砌块的表观密度一般在450～950 kg/ m³ ，导热系数为0. 15～0. 35 W/ (m·K) 。用普通砌筑砂浆砌筑轻质砌块墙体时，由于二者的导热系数相差较大，致使整个砌体存在“冷桥”现象，由砌筑灰缝引起的能量损失很大，甚至会出现墙面结露等现象，导致建筑物使用寿命缩短和使用功能的降低。使用一般的保温砂浆砌筑轻质砌块时，砌体强度会受到影响，而且砂浆与轻质砌块的粘结不理想。因此，研究具有良好的和易性、粘结强度以及在干缩变形、导热性能上与轻质砌块相近的专用保温砌筑砂浆，具有重要的意义。

    1 　砌筑用保温砂浆的研制
    1. 1 　砂子级配与保温砂浆性能的关系
    砂子级配是指各级粒径的颗粒分布情况。砂子级配对砂浆的工作性能有很大影响，并影响到砂浆的强度。良好的颗粒级配，可以用较少的水泥和较小的用水量配制出流动性好、保水性好的砂浆混合料，并在相应的成型条件下得到密实均匀的砂浆。

    配制高强砂浆则对砂子级配的要求相应地严格一些，而对配制保温砂浆来讲，由于其目的主要是增强砂浆的保温效果，必须减轻砂浆的密度或在内部引入气泡。在水泥用量相同的情况下，使用级配不好的砂子配制的砂浆硬化后必然在内部留有孔隙，无法保证水泥浆填充密实。而这样的内部结构恰恰是配制保温砂浆时所要求的一个方面。但是，这样的孔结构不利于砂浆强度和性能的提高。如果充分利用内部的孔结构，改变其分布和状态，就可以在不降低强度的情况下达到良好的保温效果。陶砂保温砂浆的研制正是从这一点入手，通过调整级配和加入引气剂来改变气孔结构及其分布，并采取适当的增强手段，配制出新型砌筑用保温砂浆。本文所研究的砌筑砂浆的水泥用量低，陶砂和水泥的堆积体系中空隙率大，相当于水泥用量较少的贫混凝土。所以，采取掺引气剂的措施来改善砂浆的和易性和力学性能是可行的。

    1. 2 　保温砂浆的抗裂、增强机理
    1. 2. 1 　纤维与水泥基材的复合作用
    纤维对水泥基材增强机理的学说基本上有两类，即“纤维间距理论”与“复合材料理论”。

    1. 2. 1. 1 　纤维间距理论
    纤维间距理论又称“纤维阻裂机理”，是Romualdi 和Mandel 提出的，其主要论点如下： 
    (1) 设一纤维混凝土块体中有许多细钢丝沿着拉应力作用方向按棋盘状均匀分布(见图1) 。细钢丝的平均中心间距为S 值。由于拉力作用，水泥基材中的凸透镜状裂缝的端部产生应力集中系数K9。当裂缝扩展到基材界面时， 在界面上会产生对裂缝起约束作用的剪应力并使裂缝趋于闭合， 此时在裂缝的端部会有一与K9 方向相反的另一集中应力系数KF ，故总的应力集中系数降为K9 - KF。

图1 　Romualdi 模型

    (2) Romualdi 等的理论分析与实验结果表明，当纤维的平均中心间距< 7. 6 mm 时，纤维混凝土的抗拉或抗弯初裂强度均得到了显著提高。

    1. 2. 1. 2 　复合材料理论
    复合材料理论将复合材料视为一个多相系统， 其性能是各个相的性能的加和值。该理论应用于纤维混凝土时，有如下几个假设： 
    (1) 纤维和水泥基材均呈弹性变形。
    (2) 纤维沿着应力的作用方向排列，并且是连续的。
    (3) 纤维、基材与纤维混凝土发生相同的应变值。
    (4) 纤维与水泥基材的粘结良好，二者不发生滑动。

    通过以上假设，就可以得出一系列公式计算混凝土的弹性模量，从而得出抗拉初裂强度的计算公式。通过对纤维混凝土的上述分析可知，该增强机理同样适用于以水泥为基材的砂浆。因为用各种纤维制成的混凝土均存在着一个临界体积纤维率。当实际纤维体积率大于此临界值时，才会使纤维混凝土的抗拉极限强度较未增强的水泥基材有明显的提高。一般玻璃纤维的临界体积率为0. 04 %。本研究主要是采用玻璃纤维来改善砂浆的抗裂性能，进而提高其强度和其他性能。根据理论计算和资料显示，选取玻璃纤维的体积掺量为0. 05 %。

    1. 2. 2 　水泥增强剂增强机理
    掺入玻璃纤维可以改善砂浆的抗拉、阻裂性能。但是，对于砌筑用保温砂浆还需要进一步改善其抗压性能，以使之与砌块具有更好的整体工作性能。为了进一步提高砂浆的抗压强度，本实验采用掺加高分子水泥增强剂的办法。

    2 　实验方法
    2. 1 　原材料
    (1) 陶砂：密度等级700 (粒径2. 5～5 mm 的占90 %以上) ，密度等级900 (粒径< 2. 5 mm) ；
    (2) 普通玻璃纤维：平均长度3 cm； 
    (3) 水泥：P·O 32. 5 水泥；
    (4) 水：自来水；
    (5) 水泥增强剂：市售高分子水泥增强剂； 
    (6) 引气剂：为自制松香皂类引气剂，加入一定量的稳泡剂。

    2. 2 　实验方法
    试验方法参照JCJ 70 —1990《建筑砂浆基本性能试验方法》进行。

    3 　结果与讨论
    3. 1 　玻璃纤维对砂浆强度的影响纤维掺量对砂浆抗压强度的影响见表1。

                        表1 　纤维掺量对砂浆抗压强度的影响

　　由表1 可见，掺加纤维并未使砂浆的抗压强度有明显的提高。但从试块的破坏特征可以看出，砂浆的断裂能和破坏时的最大变形迅速增加，明显改变了砂浆的整体性能，砂浆的韧性、抗裂性得到了明显改善。这是因为在单位体积内纤维以较大的数量分布于砂浆内部，裂缝在发展中因遭遇纤维的阻挡而消耗了能量，从而减少或延缓了裂缝的出现。同时，掺加纤维可使砂浆的抗冻性、抗渗性和抗冲击性能得到提高。但纤维掺量过高时，会使保温砂浆的施工和易性变差，而其抗裂性能提高有限，故纤维掺量以0. 05 %为宜。以下实验纤维掺量均为砂浆体积的0. 05 %。

    3. 2 　砂子级配对砂浆强度的影响
    砂子的粗细程度通常用细度模数来表示。本实验采用不同细度模数的陶砂，采用相同的水泥用量和水灰比，同时掺加0. 03 %的引气剂，以确定最适合掺加引气剂的陶砂的细度模数。实验结果见图2。

图2 　砂子细度模数对引气砂浆强度的影响

    由图2 可以看出，掺加引气剂后，各组的强度均有所降低，但以细度模数为3. 9 的一组降幅最小。这表明在水泥用量和水灰比相同时，砂子级配是影响强度的主要因素，同时也决定了硬化后内部的孔结构。掺加引气剂对孔结构的改变和调整效果也与砂子的级配有关。一般来讲，砂子颗粒较细时，其内部孔结构也较微小；砂子颗粒过粗时，内部孔结构过于粗大或者连通，在加入引气剂后会引起强度的迅速降低。因此，这里存在着一个最适合掺加引气剂的颗粒级配。在配制陶砂保温砂浆前，必须先确定最适合引气的陶砂颗粒级配，才能保证砂浆的质量。

    实验还表明，引气不仅单单是引入气泡，同时对砂浆内部的孔结构进行了调整和重新分布，所以，引入气泡的大小、形状以及气泡的级配，也会对砂浆的强度产生影响。

    3. 3 　引气剂掺量对砂浆强度的影响
    引气剂属憎水性表面活性物质，它可以在气泡周围作定向排列，降低表面张力而使气泡稳定存在， 也不凝结成大气泡。由于气泡增加了浆体体积和对拌合料的润滑作用，并增加了浆体的黏度和屈服应力，因而引气砂浆的工作性、塑性和内聚性得到了显著提高，明显比非引气砂浆要好。本试验研究了引气剂对砂浆的工作性和强度的影响，试验结果见图3。

图3 　引气剂掺量对砂浆强度的影响

    由图3 可见，引气剂的最佳掺量为0. 4 % ，此时砂浆强度的降幅最小。砂浆的水泥用量一般较少， 加之陶砂本身的保水性能较差，虽然强度容易满足要求，但和易性、保水性和施工性相当差，加入引气剂后，这些性能可得到很大改善。在相同用水量的情况下，掺加引气剂的砂浆流动性得到了明显改善， 保水性能明显变好，减少了泌水和离析。引气剂除可以改善砂浆的流动性外，更重要的是，能稳定被封闭的气泡，而大量微小的被封闭并均匀分布的气泡的存在，可使砂浆的密度降低，保温性能增强。实验采用平板法直接测量砂浆的导热系数，当引气剂掺量为0. 4 %时砂浆的导热系数降低了0. 4 W/ (m·K) 。同时由于封闭气孔的存在，可对砂浆受冻时由水转变为冰的膨胀压力起到很好的缓冲作用，并且不容易吸入水分，与普通砂浆中存在的大而连通的孔隙相比，使冬季的成冰量大为降低，膨胀内应力明显减小，其抗冻融破坏能力得以成倍地提高。另外，大量均匀分布的封闭孔也切断了水的渗透通道，提高了砂浆的抗渗性能。

    3. 4 　增强剂对砂浆强度的影响
    掺加纤维虽然提高了砂浆的抗裂性能和韧性， 但其抗压强度并没有明显的提高。为了更好地与砌块相适应，需要进一步提高砂浆的抗压强度。本实验采用加入高分子水泥增强剂的方法来提高砂浆的强度，结果见图4。

图4 　水泥增强剂的增强效果

    由图4 可以看出，水泥增强剂的掺量为水泥用量的1.5 %时，砂浆的抗压强度最大，进一步增大增强剂掺量时，砂浆强度的增幅不大。这主要是因为高分子胶在水泥砂浆中重新分布后，在养护期间形成了保护膜，填补了水泥石中的缺陷和孔缝，或使水化产物及骨料之间相互胶结，在受到外力作用时可有效地吸收和传递能量，提高了砂浆的强度。

    经大连市建材质量检测中心检测，该保温砌筑砂浆的主要技术指标为：抗压强度12.7MPa ;绝干密度950 kg/ m³ ；抗冻性( - 25℃，25 次) ：质量损失率3.3%，强度损失率11 %；导热系数0. 13 W/ (m·K) 。

    4 　结论
    4. 1 　纤维对砂浆存在着阻裂增强作用。
    4. 2 　对于同一种砂而言，存在着一个最适合掺加引气剂、改变孔结构的颗粒级配。
    4. 3 　对于砂浆有一个最合理的引气量。
    4. 4 　高分子水泥增强剂对提高砂浆强度有很大的帮助，但需要确定合理的掺量，掺量过多对强度的贡献不大。

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