蒸壓加氣混凝土砌塊專用配套薄灰縫砌筑砂漿的研究與展望

肖力光，邢紋浩

(吉林建筑大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130118)

近年來，蒸壓加氣混凝土砌塊因其質量輕、強度高，可加工性強、耐火與抗震性好、保溫優良等優良性能而在我國各地得到廣泛的應用。然而，施工現場仍采用普通砌筑砂漿進行傳統的濕法砌筑。但蒸壓加氣混凝土砌塊因其表面多孔、吸水性高的特性，會大量吸收普通砂漿中本應該用于無機膠凝材料水化的水分，造成砂漿水化不充分、強度不達標的質量問題；此外，濕法砌筑工藝會降低蒸壓加氣混凝土砌塊的力學性能強度以及保溫性能。本文從蒸壓加氣混凝土砌塊與薄灰縫砌筑砂漿的各自的性能特點、結構屬性，以及兩者間相互作用機理等方面展開分析，探究蒸壓加氣混凝土砌塊專用配套薄灰縫砌筑砂漿的研制與應用的重要性。

1 蒸壓加氣混凝土砌塊

1.1 蒸壓加氣混凝土砌塊性能

1.1.1 輕質性及抗震性 蒸壓加氣混凝土砌塊質量為500～700 kg/m3，是普通混凝土質量的20%，是粘土磚和灰砂磚質量的25%～33%。適用于低層建筑物的承重墻[1]及高層建筑物的隔墻，可使建筑物的重量比普通磚混建筑物的重量減少40%以上。其自重小，地震時慣性力也小，具有一定的抗震性[2]。

1.1.2 保溫隔熱及吸聲性 砌塊內部均勻分布著數量眾多、大小均勻一致的密閉小氣泡，這在砌塊中形成了靜空氣層。其導熱系數在0.11～0.18 W/(m·K)，是普通磚的20%～25%，是普通混凝土的14%左右。用蒸壓加氣混凝土砌塊砌筑的墻體是目前唯一一種建筑節能達到65%的單一墻體[3]，通常情況下，寬度為0.2 m的蒸壓加氣混凝土砌塊墻體的保溫效果與約0.5 m寬的普通磚墻體的效果相同。

1.1.3 可加工性及機械化施工 砌塊具有良好的可加工性：可切、可鋸、可刨。鋼筋[4]所占空間轉移到加氣混凝土砌塊中。此外，其單塊體積大，砌筑同等體積的墻體能減少拼接次數以及灰縫總體積；高精度砌塊可使所砌筑墻體垂直面誤差降低至極小，可省去抹面砂漿“找平”功能，這也為薄抹灰干法施工和免抹灰施工技術發展提供了條件。采用該技術預制的裝配式大板能減少占地面積，簡化施工流程、提高效率，節省人、物、力。

1.2 蒸壓加氣混凝土砌塊在應用中的問題

因具有表面遍布毛細孔、內部為封閉孔的特殊的孔結構，砌塊有吸水速率快、干燥收縮較大的特性。墻體將遭受凍融循環、干濕循環及多種復雜受力等考驗。含水率過高的砌塊與砂漿將產生較大的不協調變形，當達到一定程度，縫隙因此產生；墻體內部也會因普通砂漿水蒸氣滲透氣數低而出現冷凝現象；抹面層與墻體基層間開裂、脫落現象會因冬季凍脹破壞而加劇[5]。傳統工藝依舊在砌筑時大量采用，即：傳統砌筑砂漿和砌塊濕法砌筑。這一定會造成上述問題的產生。墻體質量問題和技術人員認知上的缺失會嚴重限制蒸壓加氣混凝土砌塊技術進一步的實際運用與發展[6]，配套的保水砂漿的研制與使用是繼續擴大推廣該技術并確保工程質量的關鍵和保證[7]。此外，砌塊與砂漿二者的熱工性能相差較大，因灰縫引起的能耗最高可達到24.5%[8]。為達到墻體自保溫目的且避免墻體產生“冷橋”效應，研制與應用薄灰縫砂漿是更好的施展砌塊自身性能并促進其發展的重中之重。

2 薄灰縫砌筑砂漿

2.1 薄灰縫砌筑砂漿特點及技術要求

薄灰縫砌筑砂漿也稱薄層砌筑砂漿，是以通用硅酸鹽水泥、沙為主要原材料，添加引氣劑等外加劑制成的，專門用于蒸壓加氣混凝土墻體薄層砌筑或粘結用的干混砂漿。薄灰縫砌筑砂漿分為≤3 mm、≥3 mm且≤5 mm兩種，厚度為2 mm的可稱為超薄灰縫砌筑砂漿。

2.1.1 保水性 薄灰縫砌筑砂漿具有優秀的保水性。加氣混凝土砌塊為多孔材料，“口小肚大”特殊的孔結構如同“墨水瓶”，有吸水速度快、吸水量大的特點。傳統砌筑砂漿中的部分水會被砌塊迅速奪取，膠凝顆粒因而得不到充分、完全的水化，使得砂漿達不到預期強度。且砌塊吸水膨脹，會導致墻體產生開裂和疏松的工程質量問題[9]。薄層抹灰砌筑砂漿的保水率能≥99%。傳統做法便是添加纖維素醚，但僅片面為滿足保水要求而大劑量添加會使砂漿力學性能大幅下降，且會使砂漿過黏，易發生“粘鏟”現象而影響施工。在這里提出“硅藻土+纖維素醚”材料雙重保水的思路。硅藻土屬于硅質材料，吸水率是自身體積的2～4倍。具有質輕、多孔、低密度、較大比表面積和化學穩定性的特點。實驗表明，單獨摻入一定量活性處理的硅藻土，最高能使砂漿的保水率達到97%，且同時使砂漿的力學性能得以一定程度的提高；纖維素醚能使游離水變成結合水，有效控制水分散失，從而達到高水平的保水性，且其因有機材料特性，會在砂漿拌和過程中引入微小氣泡，待漿體成型之后，產生的氣泡仍將存留在硬化的漿液中，形成了相互獨立的球型洞，這將通過阻斷毛細孔來提高砂漿的保水性。

2.1.2 力學性能 薄灰縫砌筑砂漿能較為明顯地提高墻體的抗壓能力和抗剪能力。當墻體受外荷載作用時，砌體內將產生包括但不限于壓、彎、拉、剪等的受力組合。橫向砌筑砂漿具有改善墻體內部復雜應力的功能[10]。Ⅰ類破壞主要發生在采用傳統砌筑砂漿的墻體，砌塊和漿體的連接界面因砂漿保水性、工作性能較差而被認為是薄弱區。當砂漿受到剪力作用時，砌塊自身無受力破壞但界面已先行分離；相比之下，Ⅱ類破壞主要發生在采用薄灰縫砌筑砂漿的墻體，因薄灰縫砂漿保水率高，水化產物因漿體在毛細孔應力作用下在砌塊表層孔隙中形成，有效地提升粘結強度與整體性，最終達到提升墻體承受荷載的目的[11]。

2.1.3 熱工性能 薄灰縫砌筑砂漿具有優良的熱工機能。砂漿厚度對墻體保溫有較為明顯的影響：資料顯示，采用傳統砌筑方法厚度在10～15 mm灰縫引起的能量損耗最高可高達25%；采用5 mm的砂漿引起的能量損失降低到12%，而采用2 mm的砂漿所引起的能量損失約為5%。砌筑砂漿的“冷橋作用”對墻體保溫能力有較大的影響[12]。

2.1.4 其他性能 薄灰縫砌筑砂漿擁有較好的粘稠性、吸附性。采用該技術能節約砂漿用量約65%～70%，綜合施工效率提高10%～15%，綜合下降成本20%[13]。

2.2 研究現狀

雖然關于蒸壓加氣混凝土技術的研究與應用程度與范圍很廣，但是配套的砂漿直到近些年才開始被進行系統、科學的研究。

意大利巴里理工學院將聚氨酯泡沫添加在灰縫中，并認為剪切強度是與砌體抗震性能相關的主要參數。提高砌體的抗剪強度主要涉及適當的墊層和端部接縫，因為這為結構提供了剛度。對于這種接頭，聚氨酯泡沫也可用于構成墻壁。更具可變形性和延展性，并且比傳統砂漿具有更高的阻尼能力，這方面使得泡沫在地震易發區域中更加可行。

昆士蘭科技大學理工學院認為與常規砌體相比，薄層砂漿混凝土砌體呈現出各向同性的趨勢，這是明顯的正交各向異性。薄層聚合物水泥砂漿砌體的破壞通過砌塊或接縫發生，這取決于負荷的性質。垂直于接頭的抗壓強度與其他接頭方向相比表現出最高的容量。

Papaioannou[14]研究聚合物含量對砂漿的機械性能和粘合性能的影響，并將這些性能與砂漿的微觀結構聯系起來。生產了具有各種聚合物、水泥、水、骨料比率的一系列砂漿。用簡化的拉伸測試方法測試了砂漿與粘土磚的粘合性能。發現高聚合物含量會形成大尺寸的硬化顆粒，從而降低了砂漿的抗壓強度。聚合物添加可以增強砂漿和磚之間的附著力。砂漿在界面處的微結構會影響粘合性能和失效模式。

Odera[15]研究了聚合物改性水泥砂漿復合材料的不同加工參數與抗壓強度之間的實驗相關性。開發了聚合物改性的拉菲纖維(RPF)水泥砂漿。聚酯和聚乙烯醇(PVA)用于生產水泥砂漿。固化天數是最重要的變量。所開發的線性方程模型可用于預測所選實驗條件下復合材料的抗壓強度。

Thamboo[16]研究了砂漿組成、分散方法和單位表面紋理對薄層砂漿混凝土砌體的撓曲和剪切粘結特性影響的研究。結果表明，薄砂漿層狀混凝土砌體與聚合物水泥砂漿的粘結強度高于常規砌體；此外，還研究了固化方法和老化時間對含薄層聚合物水泥砂漿的砌體的粘結強度和變形的影響[17]。結果表明，與濕固化的標本相比，干固化的薄層砂漿砌筑體具有更高的粘結強度以及楊氏模量和剪切模量。

Nazir[18]提出了一種非線性界面單元建模方法，用于預測高粘薄層聚合物砂漿砌體的變形和破壞。塑性流動矢量在隱式有限元框架內顯式積分，而不是依賴于預測-校正類方法。該方法通過單軸壓縮、剪切三聯體和彎曲梁試驗數據進行校準。利用薄層砂漿砌體剪力墻對模型進行了驗證，試驗數據用于研究薄層砂漿砌體在雙向荷載作用下的性能。

Thamboo[19]研究了TLM粘土磚的拉伸粘結、剪切粘結、彎曲和壓縮強度以及變形特性。結果表明，TLM砌體表現出與常規砌體不同的破壞模式：在粘結強度與常規砂漿相當的情況下，TLM和常規砌體之間的區別消失了。

Schermer[20]介紹了在全尺寸保溫黏土單元砌體墻上進行的20次剪切測試的結果。所使用的單元類型以及經過測試的墻體幾何形狀和垂直載荷代表了德國目前在住房中最常用的墻體結構的代表。目的是驗證隔熱粘土單元砌體在實際條件下的抗剪強度，并與規范和國家技術許可中的設計規則進行比較。

Fehling[21]目標是把實用的規則適用于鋼筋混凝土框架結構中磚石結構的薄壁結構。本質上是參與在抗拉強度的基礎研究中在平面內和平面外受剪荷載作用下，鋼筋混凝土框架內解耦后的砌體性能并將這些結果實現到尺寸標注軟件MINEA中。

Julian[22]通過試驗和數值計算，研究了混凝土砌塊高度變化對薄層砂漿砌體抗剪粘結性能的影響。結果表明，單元高度的變化會對砌體的抗剪強度產生不利影響。

Zavalis[23]討論基層接縫厚度和砂漿強度對性能的影響，研究了硅酸鈣(CS)在短期靜載荷作用下的阻滯行為。實驗研究表明，當砂漿強度較低時，砂漿層縫高度對砌體力學性能的影響較大。薄層砂漿潤濕(CS)砌塊對砌體力學性能影響不大。

沈陽建筑大學對砌塊多種配套砂漿進行可行性理論分析。如纖維砂漿、傳統砂漿以及專用砂漿，并研究各種砂漿對墻體抵抗地震性能的影響。沈陽建筑大學的趙成文指出：若應用配套砌筑砂漿，用蒸壓加氣混凝土砌塊砌筑墻體的力學性能可以被大幅度提高。

天津大學的李敬明[24]指出：蒸壓加氣混凝土砌塊可使用在低層房屋的承重墻體；趙文斌[25]證明：采用蒸壓加氣混凝土砌塊砌體的抗震性可采用增設水平拉結筋和構造柱等措施來提高。

浙江大學的劉華存等[26]通過ANSYS軟件對蒸壓加氣混凝土砌體保溫性能進行了三維穩態熱導模擬，研究了不同寬度的灰縫和不同砌塊尺寸條件下，砂漿對墻體體熱流分布以及溫度分布的影響，并據此計算不同條件下砌體的平均導熱系數、灰縫影響系數。

吉林建筑大學肖力光[27]針對砂漿與砌體兩者熱傳導系數差別較大，容易使墻體出現“微熱橋”效應，研發了新型配套保溫砌筑砂漿。對乳膠粉、纖維素醚和引氣劑等因素對其性能影響進行了數據分析，并成功配制出符合標準要求的新型保溫砌筑砂漿。其中，乳膠粉可改進砂漿的和易性，并優化粘結能力，最佳摻量為 2%；纖維素醚能有效改善保水性，最佳摻量為0.1%；灰漿的隔熱性可通過添加引氣劑來提高。

3 結束語

薄灰縫砌筑砂漿是建筑行業轉型中的一個縮影，這是建筑業從以前快速、粗放的發展模式轉變為“精工細作”的工匠模式的一種體現。同一墻體的砌筑砂漿的使用種類將會向多元化的方向發展，我們可根據計算機有限元分析軟件詳細分析墻體的熱傳導、熱輻射模型及受力特點[28-29]，更有針對性地加以設計。例如，橫縫砌筑砂漿與縱縫砌筑砂漿可根據其受力特性與施工特點采用不同的配合比設計或不同的砌筑材料來制備；技術措施研究也應予以展開，如：施工原材料、工藝、質量、人員等因素的控制。

砌筑砂漿將部分利用工業廢棄物[30-32]，減少資源消耗；砂漿將增加功能性，把光催化材料、相變儲能、調濕材料“嫁接”到抹灰砂漿上，有降低能量損失、提高舒適性及自動分解污染物等好處。其次，加氣混凝土行業將聯合預制裝配產業共同發展，在裝配式建筑中發揮其砌塊體積大、整體性好且輕質高強的優點，而未來的砌筑砂漿研究重點將會從“塊與塊”之間粘結砌筑砂漿轉移到“面與面”之間的砌筑、填縫砂漿。其功能重點將會是防水性、密封性及粘結強度的研究。