集灰比對無機保溫砂漿黏結強度及斷裂性能的影響

李杰，米勝東，李俊毅

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

無機保溫砂漿（以下簡稱保溫砂漿）性能優越、安全環保、施工便捷、價格低廉[1]，是一種常用的環境友好型建筑保溫材料。由保溫砂漿構成的薄抹灰外墻外保溫體系主要由基層（墻體）、保溫層（保溫砂漿）、防護層（防護砂漿）和飾面層（裝飾砂漿）構成，如果保溫砂漿的黏結性不良，保溫砂漿與鄰層材料（基層材料或防護材料）的脫落就形成保溫體系的損傷。因此除了熱導性，保溫砂漿的黏結性也是重要的技術參數[2-3]。為了改善保溫砂漿的黏結性，許多學者研究了集灰比、外加劑、礦物填料、攪拌方式、養護制度等對保溫砂漿黏結強度的影響，結果表明上述因素均不同程度地影響保溫砂漿的黏結強度，其中集灰比的影響最大[4-6]。但以往研究針對的都是保溫砂漿與混凝土基層的黏結強度，保溫砂漿與防護層材料的黏結強度及其斷裂尚缺乏相關報道?；诒厣皾{黏結性對外墻外保溫的重要性，并且為了探索裝飾砂漿能否直接代替防護砂漿用于保溫砂漿的防護，發揮防護裝飾雙重作用，進而簡化保溫體系的結構，本文通過改變保溫砂漿的集灰比，研究保溫砂漿與鄰層材料（防護砂漿，裝飾砂漿）的拉伸黏結強度，并對黏結試件的拉伸斷裂進行初步分析。

1 原材料

1）水泥。試驗中所用水泥包括P.II 52.5R硅酸鹽水泥（簡寫為PC）和52.5硅酸鹽白水泥（簡寫為 WPC）。

2）?；⒅?。試驗中所用?；⒅闉闊o機玻璃質礦物材料，呈不規則球狀顆粒，內部呈多孔空腔結構，表面?；忾]、平滑、有光澤（簡寫為 Z）。

3）細集料。試驗中所用細集料包括0.212～0.425 mm石英砂（簡寫為S1）和0.150～0.212 mm石英砂（簡寫為S2）。

4）摻合料。試驗中所用摻合料包括Ⅱ級粉煤灰（簡寫為F）、氫氧化鈣（簡寫為CH）、礦渣粉（簡寫為S）、雙飛粉（簡寫為H）和脫硫石膏（簡寫為G）。

5）外加劑。試驗中所用外加劑包括羥乙基甲基纖維素醚（簡寫為M）、乙烯基共聚物乳膠粉（簡寫為V）、固體粉末狀引氣劑（簡寫為L）、固體粉末狀淀粉醚（簡寫為D）、長度為6 mm的聚丙烯纖維（簡寫為P），氧化鐵紅顏料（簡寫為C）。

6）拌合水。試驗中所用拌合水為飲用水。

2 試驗

2.1 試驗配合比

保溫砂漿的基準配合比如表1所示，所采用的集灰比（?；⒅橘|量與其他粉料總質量之比）如表2所示。防護砂漿和裝飾砂漿的配合比分別如表3和表4所示，其中水料比指用水量與全部粉料總質量之比，所用防護砂漿和裝飾砂漿自身28 d抗拉強度分別為2.46 MPa和1.72 MPa。

表1 保溫砂漿基準配合比Table 1 Base mix ofthe thermalinsulation mortar

表2 保溫砂漿集灰比及對應編號Table 2 Mass ratio ofaggregate to power materialand serialnumber ofthe thermalinsulation mortar

表3 防護砂漿配合比Table 3 Mix ofthe shielding mortar

表4 裝飾砂漿配合比Table 4 Mix ofthe decoration mortar

2.2 試驗方法

參照GB/T 20473—2006《建筑保溫砂漿》制備保溫砂漿、裝飾砂漿和防護砂漿的漿體，參照JGJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》分別成型并測試保溫砂漿與防護砂漿、保溫砂漿與裝飾砂漿的拉伸黏結強度。

3 結果與討論

3.1 集灰比對保溫砂漿拉伸黏結強度的影響

圖1為集灰比與保溫砂漿拉伸黏結強度的關系。由圖1可見，隨著集灰比的增大，保溫砂漿與防護砂漿、保溫砂漿與裝飾砂漿的拉伸黏結強度均呈遞減趨勢。集灰比從0.30增至1.10時，保溫砂漿+裝飾砂漿的拉伸黏結強度從0.43 MPa降至0.09 MPa，保溫砂漿+防護砂漿的拉伸黏結強度從0.41 MPa降至0.07 MPa。此外，保溫砂漿與裝飾砂漿的拉伸黏結強度均大于同一集灰比保溫砂漿與防護砂漿的拉伸黏結強度。

圖1 集灰比與保溫砂漿拉伸黏結強度的關系Fig.1 Relationship between the mass ratio ofaggregate to power materialand tensile bone strength ofthermal insulation mortar

3.2 保溫砂漿黏結試件拉伸斷面位置分析

用于測試拉伸黏結強度的保溫砂漿黏結試件在拉伸斷裂后，斷面位置可能位于3處，分別是保溫層內部、保溫層的鄰層內部、黏結界面，如圖2所示。

圖2 拉伸黏結強度試件斷面位置Fig.2 Fracture surface locations oftensile bonding strength specimen

本試驗只觀察到保溫砂漿內部斷裂（圖2（a））和黏結界面斷裂（圖2（c））兩種斷面位置，這是因為所用防護砂漿和裝飾砂漿自身28 d抗拉強度分別為2.46 MPa和1.72 MPa，均明顯大于保溫砂漿的拉伸黏結強度。當集灰比在0.30～0.35范圍內時，保溫砂漿與鄰層材料（防護砂漿，裝飾砂漿）構成的黏結試件拉伸斷裂后的斷面均位于保溫砂漿與防護材料的黏結界面；當集灰比在0.40～0.10范圍內時，拉伸斷裂后的斷面均位于保溫砂漿的內部。

3.3 保溫砂漿黏結試件拉伸斷裂力學分析

為了判斷黏結斷裂斷面位于保溫砂漿內部時用拉伸黏結強度表示界面黏結強度是否可靠，利用聚合物水泥砂漿（PCM）-混凝土黏結模型及其與水泥基材料黏結模型的相似性對保溫砂漿-防護材料（防護砂漿，裝飾砂漿）的黏結斷裂進行初步分析。在PCM與混凝土構成的黏結模型中，通過J積分和能量守恒定律進行斷裂力學分析的結果表明斷面位于PCM與混凝土黏結界面時，黏結強度測量值即為PCM與混凝土的界面黏結強度；斷面位于混凝土內部時，黏結強度測量值與實際界面黏結強度，材料自身的強度等因素均有關[7-9]。

對于單一荷載下PCM-混凝土黏結試件的斷裂，Zhang Dawei等人[7-9]通過J積分運算得到式（1）中所示的結果，并用試驗數據驗證了式（1）的正確性。

式中：σ為材料內部應力；fti為界面黏結強度；c1為表面粗糙度Ra的函數；c2為常數；w為裂縫張開位移（CMOD）；wc為試件斷裂時的裂縫張開位移，與PCM和混凝土自身強度及斷裂能有關。

循環荷載下PCM-混凝土黏結試件的斷裂如式（2）所示。

式中：σN和σ1分別代表第N次循環和第1次循環的內應力，σ1可由式（1）算出；k1、k2為斷裂因子。

根據能量守恒可推出內應力σN和外界能量EN的關系，如式（3）所示。

式中：EN'（w）和EN″（w）分別是EN（w）的一次和二次求導結果；aN為試件斷裂時的裂縫長度；b為試件寬度。

將式（3）的結果帶入式（2）可得出斷裂因子k1、k2，最終確定內應力的表達式，如式（4）所示。

本試驗中保溫砂漿-防護材料的試驗形式與PCM-混凝土相似。此外，在對保溫砂漿和防護材料（防護砂漿，裝飾砂漿）的黏結試件進行拉伸黏結強度測試時，發現拉伸試驗機顯示的力值變化曲線不是持續增大的，而是經歷數個增大、減小、再增大的過程，直至試件斷裂，故可將拉拔儀器提供的拉力理想地看作低循環次數的循環拉力。由于上述原因，可以利用PCM-混凝土斷裂力學分析結果對保溫砂漿-防護材料斷裂進行解釋。結合式（4）以及本試驗所測試的拉伸黏結強度和抗拉強度可得式（5），可用于保溫砂漿-防護材料黏結模型斷裂力學初步分析。

式中：ft是保溫砂漿與防護材料的拉伸黏結強度測量值；P是拉伸試驗機對保溫砂漿和防護材料黏結試件提供的拉力；S是斷裂面積；fti是保溫砂漿與防護材料界面黏結強度；fm為保溫砂漿的抗拉強度；Ra為界面粗糙度；a為試件尺寸。

由式（5）可看出，界面黏結強度、表面粗糙度、材料自身的抗拉強度、試件尺寸等因素均會影響拉伸黏結強度測量值。本試驗中未對保溫砂漿和防護材料的界面進行特殊處理并且各試件尺寸相同，因此界面粗糙度和試件尺寸的影響可忽略。界面黏結強度和保溫砂漿的抗拉強度是影響拉伸黏結強度值的兩個主要因素。斷面位于黏結界面時，說明界面拉伸黏結強度值小于保溫砂漿的抗拉強度值，此時拉伸黏結強度測試值就是“實際的界面黏結強度”；而斷面位于保溫砂漿內部時，說明拉伸黏結強度測試值介于保溫砂漿的抗拉強度值和“實際的界面黏結強度”之間，顯然，這個拉伸黏結強度測試值不是“實際的界面黏結強度”，但拉伸黏結強度測試值低于“實際的界面黏結強度”，因此用測得的拉伸黏結強度值表示界面黏結強度反而可靠。

4 結語

1）保溫砂漿與鄰層材料（防護砂漿，裝飾砂漿）的拉伸黏結強度均會隨著集灰比的增大而減小。

2）保溫砂漿與鄰層材料（防護砂漿，裝飾砂漿）黏結試件斷裂后的斷面位置取決于拉伸黏結強度與材料自身抗拉強度的大小關系。當拉伸黏結強度小于材料的抗拉強度時，斷面位于黏結界面；當拉伸黏結強度大于材料自身的抗拉強度時，斷面位于抗拉強度低的材料（保溫砂漿）內部。

3）保溫砂漿與鄰層材料（防護砂漿，裝飾砂漿）黏結試件的斷面位于黏結界面時，拉伸黏結強度測量值等于界面黏結強度；當斷面位于保溫砂漿內部時，拉伸黏結強度測量值不能代表界面黏結強度，但前者因材料自身強度等因素的影響而小于后者，用拉伸黏結強度測量值表示界面黏結強度反而可靠，即如果拉伸黏結強度滿足規范要求，實際的界面黏結強度也必然滿足規范要求。