集灰比对无机保温砂浆黏结强度及断裂性能的影响

李杰，米胜东，李俊毅

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

无机保温砂浆（以下简称保温砂浆）性能优越、安全环保、施工便捷、价格低廉[1]，是一种常用的环境友好型建筑保温材料。由保温砂浆构成的薄抹灰外墙外保温体系主要由基层（墙体）、保温层（保温砂浆）、防护层（防护砂浆）和饰面层（装饰砂浆）构成，如果保温砂浆的黏结性不良，保温砂浆与邻层材料（基层材料或防护材料）的脱落就形成保温体系的损伤。因此除了热导性，保温砂浆的黏结性也是重要的技术参数[2-3]。为了改善保温砂浆的黏结性，许多学者研究了集灰比、外加剂、矿物填料、搅拌方式、养护制度等对保温砂浆黏结强度的影响，结果表明上述因素均不同程度地影响保温砂浆的黏结强度，其中集灰比的影响最大[4-6]。但以往研究针对的都是保温砂浆与混凝土基层的黏结强度，保温砂浆与防护层材料的黏结强度及其断裂尚缺乏相关报道。基于保温砂浆黏结性对外墙外保温的重要性，并且为了探索装饰砂浆能否直接代替防护砂浆用于保温砂浆的防护，发挥防护装饰双重作用，进而简化保温体系的结构，本文通过改变保温砂浆的集灰比，研究保温砂浆与邻层材料（防护砂浆，装饰砂浆）的拉伸黏结强度，并对黏结试件的拉伸断裂进行初步分析。

1 原材料

1）水泥。试验中所用水泥包括P.II 52.5R硅酸盐水泥（简写为PC）和52.5硅酸盐白水泥（简写为 WPC）。

2）玻化微珠。试验中所用玻化微珠为无机玻璃质矿物材料，呈不规则球状颗粒，内部呈多孔空腔结构，表面玻化封闭、平滑、有光泽（简写为 Z）。

3）细集料。试验中所用细集料包括0.212～0.425 mm石英砂（简写为S1）和0.150～0.212 mm石英砂（简写为S2）。

4）掺合料。试验中所用掺合料包括Ⅱ级粉煤灰（简写为F）、氢氧化钙（简写为CH）、矿渣粉（简写为S）、双飞粉（简写为H）和脱硫石膏（简写为G）。

5）外加剂。试验中所用外加剂包括羟乙基甲基纤维素醚（简写为M）、乙烯基共聚物乳胶粉（简写为V）、固体粉末状引气剂（简写为L）、固体粉末状淀粉醚（简写为D）、长度为6 mm的聚丙烯纤维（简写为P），氧化铁红颜料（简写为C）。

6）拌合水。试验中所用拌合水为饮用水。

2 试验

2.1 试验配合比

保温砂浆的基准配合比如表1所示，所采用的集灰比（玻化微珠质量与其他粉料总质量之比）如表2所示。防护砂浆和装饰砂浆的配合比分别如表3和表4所示，其中水料比指用水量与全部粉料总质量之比，所用防护砂浆和装饰砂浆自身28 d抗拉强度分别为2.46 MPa和1.72 MPa。

表1 保温砂浆基准配合比Table 1 Base mix ofthe thermalinsulation mortar

表2 保温砂浆集灰比及对应编号Table 2 Mass ratio ofaggregate to power materialand serialnumber ofthe thermalinsulation mortar

表3 防护砂浆配合比Table 3 Mix ofthe shielding mortar

表4 装饰砂浆配合比Table 4 Mix ofthe decoration mortar

2.2 试验方法

参照GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》制备保温砂浆、装饰砂浆和防护砂浆的浆体，参照JGJ 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》分别成型并测试保温砂浆与防护砂浆、保温砂浆与装饰砂浆的拉伸黏结强度。

3 结果与讨论

3.1 集灰比对保温砂浆拉伸黏结强度的影响

图1为集灰比与保温砂浆拉伸黏结强度的关系。由图1可见，随着集灰比的增大，保温砂浆与防护砂浆、保温砂浆与装饰砂浆的拉伸黏结强度均呈递减趋势。集灰比从0.30增至1.10时，保温砂浆+装饰砂浆的拉伸黏结强度从0.43 MPa降至0.09 MPa，保温砂浆+防护砂浆的拉伸黏结强度从0.41 MPa降至0.07 MPa。此外，保温砂浆与装饰砂浆的拉伸黏结强度均大于同一集灰比保温砂浆与防护砂浆的拉伸黏结强度。

图1 集灰比与保温砂浆拉伸黏结强度的关系Fig.1 Relationship between the mass ratio ofaggregate to power materialand tensile bone strength ofthermal insulation mortar

3.2 保温砂浆黏结试件拉伸断面位置分析

用于测试拉伸黏结强度的保温砂浆黏结试件在拉伸断裂后，断面位置可能位于3处，分别是保温层内部、保温层的邻层内部、黏结界面，如图2所示。

图2 拉伸黏结强度试件断面位置Fig.2 Fracture surface locations oftensile bonding strength specimen

本试验只观察到保温砂浆内部断裂（图2（a））和黏结界面断裂（图2（c））两种断面位置，这是因为所用防护砂浆和装饰砂浆自身28 d抗拉强度分别为2.46 MPa和1.72 MPa，均明显大于保温砂浆的拉伸黏结强度。当集灰比在0.30～0.35范围内时，保温砂浆与邻层材料（防护砂浆，装饰砂浆）构成的黏结试件拉伸断裂后的断面均位于保温砂浆与防护材料的黏结界面；当集灰比在0.40～0.10范围内时，拉伸断裂后的断面均位于保温砂浆的内部。

3.3 保温砂浆黏结试件拉伸断裂力学分析

为了判断黏结断裂断面位于保温砂浆内部时用拉伸黏结强度表示界面黏结强度是否可靠，利用聚合物水泥砂浆（PCM）-混凝土黏结模型及其与水泥基材料黏结模型的相似性对保温砂浆-防护材料（防护砂浆，装饰砂浆）的黏结断裂进行初步分析。在PCM与混凝土构成的黏结模型中，通过J积分和能量守恒定律进行断裂力学分析的结果表明断面位于PCM与混凝土黏结界面时，黏结强度测量值即为PCM与混凝土的界面黏结强度；断面位于混凝土内部时，黏结强度测量值与实际界面黏结强度，材料自身的强度等因素均有关[7-9]。

对于单一荷载下PCM-混凝土黏结试件的断裂，Zhang Dawei等人[7-9]通过J积分运算得到式（1）中所示的结果，并用试验数据验证了式（1）的正确性。

式中：σ为材料内部应力；fti为界面黏结强度；c1为表面粗糙度Ra的函数；c2为常数；w为裂缝张开位移（CMOD）；wc为试件断裂时的裂缝张开位移，与PCM和混凝土自身强度及断裂能有关。

循环荷载下PCM-混凝土黏结试件的断裂如式（2）所示。

式中：σN和σ1分别代表第N次循环和第1次循环的内应力，σ1可由式（1）算出；k1、k2为断裂因子。

根据能量守恒可推出内应力σN和外界能量EN的关系，如式（3）所示。

式中：EN'（w）和EN″（w）分别是EN（w）的一次和二次求导结果；aN为试件断裂时的裂缝长度；b为试件宽度。

将式（3）的结果带入式（2）可得出断裂因子k1、k2，最终确定内应力的表达式，如式（4）所示。

本试验中保温砂浆-防护材料的试验形式与PCM-混凝土相似。此外，在对保温砂浆和防护材料（防护砂浆，装饰砂浆）的黏结试件进行拉伸黏结强度测试时，发现拉伸试验机显示的力值变化曲线不是持续增大的，而是经历数个增大、减小、再增大的过程，直至试件断裂，故可将拉拔仪器提供的拉力理想地看作低循环次数的循环拉力。由于上述原因，可以利用PCM-混凝土断裂力学分析结果对保温砂浆-防护材料断裂进行解释。结合式（4）以及本试验所测试的拉伸黏结强度和抗拉强度可得式（5），可用于保温砂浆-防护材料黏结模型断裂力学初步分析。

式中：ft是保温砂浆与防护材料的拉伸黏结强度测量值；P是拉伸试验机对保温砂浆和防护材料黏结试件提供的拉力；S是断裂面积；fti是保温砂浆与防护材料界面黏结强度；fm为保温砂浆的抗拉强度；Ra为界面粗糙度；a为试件尺寸。

由式（5）可看出，界面黏结强度、表面粗糙度、材料自身的抗拉强度、试件尺寸等因素均会影响拉伸黏结强度测量值。本试验中未对保温砂浆和防护材料的界面进行特殊处理并且各试件尺寸相同，因此界面粗糙度和试件尺寸的影响可忽略。界面黏结强度和保温砂浆的抗拉强度是影响拉伸黏结强度值的两个主要因素。断面位于黏结界面时，说明界面拉伸黏结强度值小于保温砂浆的抗拉强度值，此时拉伸黏结强度测试值就是“实际的界面黏结强度”；而断面位于保温砂浆内部时，说明拉伸黏结强度测试值介于保温砂浆的抗拉强度值和“实际的界面黏结强度”之间，显然，这个拉伸黏结强度测试值不是“实际的界面黏结强度”，但拉伸黏结强度测试值低于“实际的界面黏结强度”，因此用测得的拉伸黏结强度值表示界面黏结强度反而可靠。

4 结语

1）保温砂浆与邻层材料（防护砂浆，装饰砂浆）的拉伸黏结强度均会随着集灰比的增大而减小。

2）保温砂浆与邻层材料（防护砂浆，装饰砂浆）黏结试件断裂后的断面位置取决于拉伸黏结强度与材料自身抗拉强度的大小关系。当拉伸黏结强度小于材料的抗拉强度时，断面位于黏结界面；当拉伸黏结强度大于材料自身的抗拉强度时，断面位于抗拉强度低的材料（保温砂浆）内部。

3）保温砂浆与邻层材料（防护砂浆，装饰砂浆）黏结试件的断面位于黏结界面时，拉伸黏结强度测量值等于界面黏结强度；当断面位于保温砂浆内部时，拉伸黏结强度测量值不能代表界面黏结强度，但前者因材料自身强度等因素的影响而小于后者，用拉伸黏结强度测量值表示界面黏结强度反而可靠，即如果拉伸黏结强度满足规范要求，实际的界面黏结强度也必然满足规范要求。