蒸压加气混凝土砌块专用配套薄灰缝砌筑砂浆的研究与展望

肖力光，邢纹浩

(吉林建筑大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130118)

近年来，蒸压加气混凝土砌块因其质量轻、强度高，可加工性强、耐火与抗震性好、保温优良等优良性能而在我国各地得到广泛的应用。然而，施工现场仍采用普通砌筑砂浆进行传统的湿法砌筑。但蒸压加气混凝土砌块因其表面多孔、吸水性高的特性，会大量吸收普通砂浆中本应该用于无机胶凝材料水化的水分，造成砂浆水化不充分、强度不达标的质量问题；此外，湿法砌筑工艺会降低蒸压加气混凝土砌块的力学性能强度以及保温性能。本文从蒸压加气混凝土砌块与薄灰缝砌筑砂浆的各自的性能特点、结构属性，以及两者间相互作用机理等方面展开分析，探究蒸压加气混凝土砌块专用配套薄灰缝砌筑砂浆的研制与应用的重要性。

1 蒸压加气混凝土砌块

1.1 蒸压加气混凝土砌块性能

1.1.1 轻质性及抗震性 蒸压加气混凝土砌块质量为500～700 kg/m3，是普通混凝土质量的20%，是粘土砖和灰砂砖质量的25%～33%。适用于低层建筑物的承重墙[1]及高层建筑物的隔墙，可使建筑物的重量比普通砖混建筑物的重量减少40%以上。其自重小，地震时惯性力也小，具有一定的抗震性[2]。

1.1.2 保温隔热及吸声性 砌块内部均匀分布着数量众多、大小均匀一致的密闭小气泡，这在砌块中形成了静空气层。其导热系数在0.11～0.18 W/(m·K)，是普通砖的20%～25%，是普通混凝土的14%左右。用蒸压加气混凝土砌块砌筑的墙体是目前唯一一种建筑节能达到65%的单一墙体[3]，通常情况下，宽度为0.2 m的蒸压加气混凝土砌块墙体的保温效果与约0.5 m宽的普通砖墙体的效果相同。

1.1.3 可加工性及机械化施工 砌块具有良好的可加工性：可切、可锯、可刨。钢筋[4]所占空间转移到加气混凝土砌块中。此外，其单块体积大，砌筑同等体积的墙体能减少拼接次数以及灰缝总体积；高精度砌块可使所砌筑墙体垂直面误差降低至极小，可省去抹面砂浆“找平”功能，这也为薄抹灰干法施工和免抹灰施工技术发展提供了条件。采用该技术预制的装配式大板能减少占地面积，简化施工流程、提高效率，节省人、物、力。

1.2 蒸压加气混凝土砌块在应用中的问题

因具有表面遍布毛细孔、内部为封闭孔的特殊的孔结构，砌块有吸水速率快、干燥收缩较大的特性。墙体将遭受冻融循环、干湿循环及多种复杂受力等考验。含水率过高的砌块与砂浆将产生较大的不协调变形，当达到一定程度，缝隙因此产生；墙体内部也会因普通砂浆水蒸气渗透气数低而出现冷凝现象；抹面层与墙体基层间开裂、脱落现象会因冬季冻胀破坏而加剧[5]。传统工艺依旧在砌筑时大量采用，即：传统砌筑砂浆和砌块湿法砌筑。这一定会造成上述问题的产生。墙体质量问题和技术人员认知上的缺失会严重限制蒸压加气混凝土砌块技术进一步的实际运用与发展[6]，配套的保水砂浆的研制与使用是继续扩大推广该技术并确保工程质量的关键和保证[7]。此外，砌块与砂浆二者的热工性能相差较大，因灰缝引起的能耗最高可达到24.5%[8]。为达到墙体自保温目的且避免墙体产生“冷桥”效应，研制与应用薄灰缝砂浆是更好的施展砌块自身性能并促进其发展的重中之重。

2 薄灰缝砌筑砂浆

2.1 薄灰缝砌筑砂浆特点及技术要求

薄灰缝砌筑砂浆也称薄层砌筑砂浆，是以通用硅酸盐水泥、沙为主要原材料，添加引气剂等外加剂制成的，专门用于蒸压加气混凝土墙体薄层砌筑或粘结用的干混砂浆。薄灰缝砌筑砂浆分为≤3 mm、≥3 mm且≤5 mm两种，厚度为2 mm的可称为超薄灰缝砌筑砂浆。

2.1.1 保水性 薄灰缝砌筑砂浆具有优秀的保水性。加气混凝土砌块为多孔材料，“口小肚大”特殊的孔结构如同“墨水瓶”，有吸水速度快、吸水量大的特点。传统砌筑砂浆中的部分水会被砌块迅速夺取，胶凝颗粒因而得不到充分、完全的水化，使得砂浆达不到预期强度。且砌块吸水膨胀，会导致墙体产生开裂和疏松的工程质量问题[9]。薄层抹灰砌筑砂浆的保水率能≥99%。传统做法便是添加纤维素醚，但仅片面为满足保水要求而大剂量添加会使砂浆力学性能大幅下降，且会使砂浆过黏，易发生“粘铲”现象而影响施工。在这里提出“硅藻土+纤维素醚”材料双重保水的思路。硅藻土属于硅质材料，吸水率是自身体积的2～4倍。具有质轻、多孔、低密度、较大比表面积和化学稳定性的特点。实验表明，单独掺入一定量活性处理的硅藻土，最高能使砂浆的保水率达到97%，且同时使砂浆的力学性能得以一定程度的提高；纤维素醚能使游离水变成结合水，有效控制水分散失，从而达到高水平的保水性，且其因有机材料特性，会在砂浆拌和过程中引入微小气泡，待浆体成型之后，产生的气泡仍将存留在硬化的浆液中，形成了相互独立的球型洞，这将通过阻断毛细孔来提高砂浆的保水性。

2.1.2 力学性能 薄灰缝砌筑砂浆能较为明显地提高墙体的抗压能力和抗剪能力。当墙体受外荷载作用时，砌体内将产生包括但不限于压、弯、拉、剪等的受力组合。横向砌筑砂浆具有改善墙体内部复杂应力的功能[10]。Ⅰ类破坏主要发生在采用传统砌筑砂浆的墙体，砌块和浆体的连接界面因砂浆保水性、工作性能较差而被认为是薄弱区。当砂浆受到剪力作用时，砌块自身无受力破坏但界面已先行分离；相比之下，Ⅱ类破坏主要发生在采用薄灰缝砌筑砂浆的墙体，因薄灰缝砂浆保水率高，水化产物因浆体在毛细孔应力作用下在砌块表层孔隙中形成，有效地提升粘结强度与整体性，最终达到提升墙体承受荷载的目的[11]。

2.1.3 热工性能 薄灰缝砌筑砂浆具有优良的热工机能。砂浆厚度对墙体保温有较为明显的影响：资料显示，采用传统砌筑方法厚度在10～15 mm灰缝引起的能量损耗最高可高达25%；采用5 mm的砂浆引起的能量损失降低到12%，而采用2 mm的砂浆所引起的能量损失约为5%。砌筑砂浆的“冷桥作用”对墙体保温能力有较大的影响[12]。

2.1.4 其他性能 薄灰缝砌筑砂浆拥有较好的粘稠性、吸附性。采用该技术能节约砂浆用量约65%～70%，综合施工效率提高10%～15%，综合下降成本20%[13]。

2.2 研究现状

虽然关于蒸压加气混凝土技术的研究与应用程度与范围很广，但是配套的砂浆直到近些年才开始被进行系统、科学的研究。

意大利巴里理工学院将聚氨酯泡沫添加在灰缝中，并认为剪切强度是与砌体抗震性能相关的主要参数。提高砌体的抗剪强度主要涉及适当的垫层和端部接缝，因为这为结构提供了刚度。对于这种接头，聚氨酯泡沫也可用于构成墙壁。更具可变形性和延展性，并且比传统砂浆具有更高的阻尼能力，这方面使得泡沫在地震易发区域中更加可行。

昆士兰科技大学理工学院认为与常规砌体相比，薄层砂浆混凝土砌体呈现出各向同性的趋势，这是明显的正交各向异性。薄层聚合物水泥砂浆砌体的破坏通过砌块或接缝发生，这取决于负荷的性质。垂直于接头的抗压强度与其他接头方向相比表现出最高的容量。

Papaioannou[14]研究聚合物含量对砂浆的机械性能和粘合性能的影响，并将这些性能与砂浆的微观结构联系起来。生产了具有各种聚合物、水泥、水、骨料比率的一系列砂浆。用简化的拉伸测试方法测试了砂浆与粘土砖的粘合性能。发现高聚合物含量会形成大尺寸的硬化颗粒，从而降低了砂浆的抗压强度。聚合物添加可以增强砂浆和砖之间的附着力。砂浆在界面处的微结构会影响粘合性能和失效模式。

Odera[15]研究了聚合物改性水泥砂浆复合材料的不同加工参数与抗压强度之间的实验相关性。开发了聚合物改性的拉菲纤维(RPF)水泥砂浆。聚酯和聚乙烯醇(PVA)用于生产水泥砂浆。固化天数是最重要的变量。所开发的线性方程模型可用于预测所选实验条件下复合材料的抗压强度。

Thamboo[16]研究了砂浆组成、分散方法和单位表面纹理对薄层砂浆混凝土砌体的挠曲和剪切粘结特性影响的研究。结果表明，薄砂浆层状混凝土砌体与聚合物水泥砂浆的粘结强度高于常规砌体；此外，还研究了固化方法和老化时间对含薄层聚合物水泥砂浆的砌体的粘结强度和变形的影响[17]。结果表明，与湿固化的标本相比，干固化的薄层砂浆砌筑体具有更高的粘结强度以及杨氏模量和剪切模量。

Nazir[18]提出了一种非线性界面单元建模方法，用于预测高粘薄层聚合物砂浆砌体的变形和破坏。塑性流动矢量在隐式有限元框架内显式积分，而不是依赖于预测-校正类方法。该方法通过单轴压缩、剪切三联体和弯曲梁试验数据进行校准。利用薄层砂浆砌体剪力墙对模型进行了验证，试验数据用于研究薄层砂浆砌体在双向荷载作用下的性能。

Thamboo[19]研究了TLM粘土砖的拉伸粘结、剪切粘结、弯曲和压缩强度以及变形特性。结果表明，TLM砌体表现出与常规砌体不同的破坏模式：在粘结强度与常规砂浆相当的情况下，TLM和常规砌体之间的区别消失了。

Schermer[20]介绍了在全尺寸保温黏土单元砌体墙上进行的20次剪切测试的结果。所使用的单元类型以及经过测试的墙体几何形状和垂直载荷代表了德国目前在住房中最常用的墙体结构的代表。目的是验证隔热粘土单元砌体在实际条件下的抗剪强度，并与规范和国家技术许可中的设计规则进行比较。

Fehling[21]目标是把实用的规则适用于钢筋混凝土框架结构中砖石结构的薄壁结构。本质上是参与在抗拉强度的基础研究中在平面内和平面外受剪荷载作用下，钢筋混凝土框架内解耦后的砌体性能并将这些结果实现到尺寸标注软件MINEA中。

Julian[22]通过试验和数值计算，研究了混凝土砌块高度变化对薄层砂浆砌体抗剪粘结性能的影响。结果表明，单元高度的变化会对砌体的抗剪强度产生不利影响。

Zavalis[23]讨论基层接缝厚度和砂浆强度对性能的影响，研究了硅酸钙(CS)在短期静载荷作用下的阻滞行为。实验研究表明，当砂浆强度较低时，砂浆层缝高度对砌体力学性能的影响较大。薄层砂浆润湿(CS)砌块对砌体力学性能影响不大。

沈阳建筑大学对砌块多种配套砂浆进行可行性理论分析。如纤维砂浆、传统砂浆以及专用砂浆，并研究各种砂浆对墙体抵抗地震性能的影响。沈阳建筑大学的赵成文指出：若应用配套砌筑砂浆，用蒸压加气混凝土砌块砌筑墙体的力学性能可以被大幅度提高。

天津大学的李敬明[24]指出：蒸压加气混凝土砌块可使用在低层房屋的承重墙体；赵文斌[25]证明：采用蒸压加气混凝土砌块砌体的抗震性可采用增设水平拉结筋和构造柱等措施来提高。

浙江大学的刘华存等[26]通过ANSYS软件对蒸压加气混凝土砌体保温性能进行了三维稳态热导模拟，研究了不同宽度的灰缝和不同砌块尺寸条件下，砂浆对墙体体热流分布以及温度分布的影响，并据此计算不同条件下砌体的平均导热系数、灰缝影响系数。

吉林建筑大学肖力光[27]针对砂浆与砌体两者热传导系数差别较大，容易使墙体出现“微热桥”效应，研发了新型配套保温砌筑砂浆。对乳胶粉、纤维素醚和引气剂等因素对其性能影响进行了数据分析，并成功配制出符合标准要求的新型保温砌筑砂浆。其中，乳胶粉可改进砂浆的和易性，并优化粘结能力，最佳掺量为 2%；纤维素醚能有效改善保水性，最佳掺量为0.1%；灰浆的隔热性可通过添加引气剂来提高。

3 结束语

薄灰缝砌筑砂浆是建筑行业转型中的一个缩影，这是建筑业从以前快速、粗放的发展模式转变为“精工细作”的工匠模式的一种体现。同一墙体的砌筑砂浆的使用种类将会向多元化的方向发展，我们可根据计算机有限元分析软件详细分析墙体的热传导、热辐射模型及受力特点[28-29]，更有针对性地加以设计。例如，横缝砌筑砂浆与纵缝砌筑砂浆可根据其受力特性与施工特点采用不同的配合比设计或不同的砌筑材料来制备；技术措施研究也应予以展开，如：施工原材料、工艺、质量、人员等因素的控制。

砌筑砂浆将部分利用工业废弃物[30-32]，减少资源消耗；砂浆将增加功能性，把光催化材料、相变储能、调湿材料“嫁接”到抹灰砂浆上，有降低能量损失、提高舒适性及自动分解污染物等好处。其次，加气混凝土行业将联合预制装配产业共同发展，在装配式建筑中发挥其砌块体积大、整体性好且轻质高强的优点，而未来的砌筑砂浆研究重点将会从“块与块”之间粘结砌筑砂浆转移到“面与面”之间的砌筑、填缝砂浆。其功能重点将会是防水性、密封性及粘结强度的研究。