裝配式建筑接縫材料的研究現狀與發展方向

王鵬 張文晶 李彩紅

摘 要：接縫材料成為制約裝配式建筑發展的關鍵因素之一，結合目前的研究成果，總結了目前裝配式建筑常用的有機材料和無機材料的優點，針對目前接縫材料的不足之處，提出采用聚合物和工業廢物作為其未來的研究方向。

關鍵詞：裝配式建筑;接縫材料;研究現狀

1 引言

裝配式混凝土構件在工廠預制成型后，通過節點連接或者拼縫將預制構件連接為整體，合理的節點連接構造和接縫連接材料才能保證整個結構有足夠的剛度、強度、粘結性和延性，滿足結構安全性、適用性和耐久性的要求。因此在裝配式混凝土結構中，安全可靠的節點連接構造和經濟適用的接縫材料已經成為制約裝配式建筑大規模推廣的關系因素。裝配式建筑作為新一輪建筑產業的變革方向，目前占新建建筑的比例還不到5%，有著巨大的推廣空間和海量市場。作為影響裝配式建筑產業化的關鍵技術之一，接縫材料無疑有著廣闊的市場應用前景。

2 國內外研究現狀

混凝土預制構件的接縫處外力以靜載為主，還受到兩端構件與鋼筋的共同約束所引起的內力影響。從性能上看，接縫處接縫材料要求早強、抗滲、與基體黏結力好、變形小等。目前的裝配式建筑接縫材料根據其化學成分可分為有機材料和無機材料兩大類。

2.1 無機材料

國內應用于裝配式建筑接縫的無機類材料有以下三種：硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和磷酸鎂水泥。其中水泥最先考慮的是硅酸鹽水泥（PO），因其原材料分布廣、價格低廉、施工可操作性強、耐久性好，生產及實用技術最為成熟而被廣泛應用。

楊楠[1]從物理和化學兩方面研究PO作為修補材料時與老硅酸鹽水泥砂漿的黏結特性，研究表明：PO水化后形成的水化產物C-S-H凝膠化學收縮較大，其應力變化造成界面處的微裂縫和宏觀缺陷，使得PO的黏結強度不高。

新的修補材料與老硅酸鹽水泥接觸時，其中的水分會被老硅酸鹽水泥吸收一部分，造成收縮值進一步增強，所以新老硅酸鹽水泥砂漿界面粘結不牢固，容易形成裂縫并不斷擴展。老混凝土與新混凝土連接界面是預制構件黏結的薄弱區，會削弱整體混凝土的抗剪、抗拉能力。關于新老混凝土黏結性能的研究已受到很多學者的關注，水中和[2]在PO修補材料中摻入抗裂防水劑，雖然能減小修補材料收縮，但不能明顯提高新老混凝土的黏結力。

硫鋁酸鹽水泥（SAC）基接縫材料目前來說也研究的較多。肖忠明，郭俊萍[3]對SAC進行了研究，研究表明其膨脹率不穩定，極易分解釋放游離水造成結構不穩定，導致強度下降，帶來質量問題。從微觀結構分析發現SAC抗折強度的倒縮出現在特定齡期，通過熟料率值設計、燒成質量控制、水泥制備工藝參數調整以及應用技術的結合，能夠改善SAC力學性能，但還沒有形成量化措施解決抗折強度倒縮的問題。

磷酸鎂水泥（MPC）基材料也可以作為接縫材料使用。姜洪義、楊全兵[4，5]的研究表明：MPC基材料具有凝結時間短、早期強度高、體積變形小、與舊混凝土性能匹配等優點。MPC砂漿的熱膨脹系數和PO砂漿很接近，在溫度變化和受外力作用時，二者能夠協調變形，有良好的體積相容性，因此MPC很適合作為接縫材料。

2.2 有機材料

目前的有機類接縫材料，采用瀝青類、聚氨酯、硅酮類材料較多。其中硅酮類材料由于其較好的耐候性和施工性，因而在裝配式建筑中得以快速應用。李化健[6]研究發現硅酮嵌縫密封材料的分子主鏈是由硅氧原子交替有序排列而成，主鏈不含碳原子而類似于無機硅酸鹽結構，因而具有如下優異的性能特點：施工性能好、溫度適應范圍廣、耐候性好（在惡劣環境中能保持30年不龜裂、不變脆）、對環境友好無害。

其他種類的有機材料在裝配式建筑中使用較少，但是在水泥混凝土路面上修補和封縫方面應用的比較多。王碩太[7]研究出一種兼具聚氨酯和聚硫橡膠優點的新型材料，其強度高、抗裂性強、粘結性好、密封效果優良，滿足水泥混凝土路面封縫的要求。

以粉煤灰、石油瀝青和聚氨酯為主體的PTN接縫防滲材料，其防滲性好、耐溫性好、黏結力強，施工工藝簡單，能滲透到混凝土內部，填充毛細孔道和微小縫隙，形成封閉的防水層，因而在各種水利工程中應用較多。

高玨[8]研究了聚氨酯密封膠、硅酮密封膠和改性硅酮密封膠的特性，對三種材料各項指標進行了歸納分析，可根據性能需求和實際的使用情況選擇合適的材料作為裝配式建筑接縫材料。

2.3 裝配式建筑面臨的問題

目前國內對裝配式建筑接縫材料研究較少，采用水泥作為接縫材料在水化和凝結硬化過程中容易引起膨脹和收縮，易產生溫度裂縫。后澆筑的水泥體積收縮比較大，與預制混凝土構件變形不一致，新舊混凝土的結合面易出現開裂。水泥硬化后作為一種剛性材料，在結構發生撓曲和變形時，容易產生裂縫和脫落，失去連接和防水能力。因此只用水泥作為接縫材料，難以解決預制構件之間接縫裂縫、外墻面裂縫和滲水等問題。

我國對有機接縫材料的研究較晚，缺乏合理的標準。在使用過程中，有機材料對環境的污染較大，多數還對人體有害。比如常用的硅酮類密封膠，其耐火性、耐高溫性和耐老化性比較差，在生產使用過程中會排放有害氣體，污染環境。雖然硅酮膠比單純的水泥更適合作為裝配式建筑的接縫材料，但是其價格昂貴，且質量較好的硅酮膠大多來源于進口，因此無法得到大規模應用。

3 接縫發展方向研究

由目前的研究現狀可以看出：黏結力強、與舊混凝土的相容性好、耐久性好、耐高溫且價格低的接縫材料成為未來發展的趨勢，因此未來接縫材料可以在以下幾個方面進行探索。

3.1 聚合物改性水泥接縫材料

目前常用聚合物改性水泥砂漿（PMCM），可分為乳液類和膠粉類，且乳液類聚合物比膠粉類效果更好。常用聚合物乳液主要有丁苯類乳液、丙烯酸類乳液、環氧類乳液、氯丁類乳液等。聚合物的摻入可以提高水泥砂漿和混凝土的粘結強度、抗滲透性、耐腐蝕性，因此聚合物在建筑材料中得到廣泛應用，可以考慮將聚合物和水泥聯合起來，研究出新型的裝配式建筑接縫材料，此材料有以下優點：

3.1.1 加入聚合物能夠提高接縫材料的工作性

大多數聚合物乳液加入水泥砂漿中后，乳液中的表面活性劑及穩定劑在改性砂漿中引入了較多氣泡，砂漿中水泥顆粒的堆積狀態得到改善，水泥顆粒的分散效果提高，其效果類似于“滾珠”效應，因此聚合物乳液能夠顯著改善材料的流動性。

3.1.2 加入聚合物能提高接縫材料的抗滲性

聚合物乳液中的羧酸鹽能夠與水泥漿體中金屬陽離子以離子鍵結合在一起，形成交錯的三維網狀立體結構，與水泥水化產生的膠體進一步交纏在一起，增強了水泥、骨料和聚合物之間的黏結力，密實內部的細小空隙，改善界面之間的結合力，從而提高了接縫材料的抗滲性。

3.1.3 加入聚合物能提高接縫材料的抗折強度和粘聚力

聚合物加入材料后，會在內部形成微纖維膜，提高了接縫材料的抗拉強度，同時網膜避免裂縫的進一步擴張，能夠提高接縫材料柔韌性和黏結力。值得注意的是，聚合物的摻入會降低水泥砂漿的抗壓強度。

3.2 節約環保型接縫材料

聚合物造價較高，由于裝配式接縫材料的廣泛應用，必須考慮其經濟性，同時為了響應國家綠色節能環保的號召，適當的重新利用工業廢物，達到綠色經濟的目的，在接縫材料加入橡膠顆粒、塑料顆粒、粉煤灰和高爐礦渣等。

3.2.1 加入橡膠顆粒能降低接縫材料的透水性

橡膠集料主要由廢舊輪胎碾磨破碎而成，粒徑為通常在2mm以下，加入橡膠顆粒后的復合材料，其抗裂、抗凍融循環和抗滲性都比較好。接縫材料中加入橡膠顆粒后，能夠填充粗集料之間的空隙，使材料中的連接孔洞數量減少，孔隙率降低，透水性也下降。加入橡膠輪胎集料將廢物重新利用，也能有效的降低成本。

3.2.2 加入適量粉煤灰能夠提高接縫材料的抗壓強度和抗滲性

粉煤灰新的作用與其粒徑有很大關系，粉煤灰粒徑越小，粉煤灰水泥的抗壓強度增加的越多。粉煤灰還可以和硅灰一起使用，摻入適量細粒度粉煤灰和硅灰，水泥各齡期膠砂強度均超過了硅酸鹽水泥，充分體現了硅灰/粉煤灰復摻的協同效應和復合材料的“超疊效應”。此外，粉煤灰能夠優化骨料的孔隙結構，填充內部微小空隙，從而提高材料的抗滲性，但是粉煤灰含量過高會降低材料的抗壓強度和抗滲性。

4 結語

裝配式建筑作為建筑業的發展方向，接縫材料作為其推廣的關鍵部分，重要性越來越高。在將來的研究中，要充分掌握有機材料和無機材料的優缺點，讓二者優勢互補，研發出低成本、高性能的接縫材料。

參考文獻：

[1]楊楠.磷酸鎂水泥基材料黏結性能研究[D].長沙：湖南大學，2014.

[2]水中和，秦明強，劉佳等.抗裂防水劑對新舊混凝土界面結合的影響研究[J].混凝土，2005（09）：55-57.

[3]肖忠明，郭俊萍.水泥比表面積與石膏的匹配對硫鋁酸鹽水泥膨脹性能的影響及機理[J].水泥，2016（10）：8-10.

[4]楊全兵，張樹青，楊錢榮等.新型超快硬磷酸鹽修補材料性能[J].混凝土與水泥制品，2000（04）：8-11.

[5]姜洪義，梁波，張聯盟.MPC超早強混凝土修補材料研究[J].建筑材料學報，2001（02）：196-198.

[6]李化建，易忠來，溫浩，靳昊，譚鹽賓，謝永江.混凝土接縫用硅酮嵌縫密封材料研究進展[J].混凝土，2015（03）：156-160.

[7]王碩太，付亞偉，于洪江，劉慶濤，周朱仄，張景生.新型聚硫氨酯密封膠的性能與應用[J].建筑材料學報，2010，13（05）：650-653+696.

[8]高玨.裝配式建筑接縫密封材料性能要求與選用分析[J].建筑科技，2018，2（04）：94-98.

作者簡介：王鵬（1989-），男，河南鄧州人，碩士研究生，助教，研究方向：建筑材料。