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(jī)保溫砂漿（以下簡(jiǎn)稱保溫砂漿）性能優(yōu)越、安全環(huán)保、施工便捷、價(jià)格低廉[1]，是一種常用的環(huán)境友好型建筑保溫材料。由保溫砂漿構(gòu)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(hù)層（防護(hù)砂漿）和飾面層（裝飾砂漿）構(gòu)成，如果保溫砂漿的黏結(jié)性不良，保溫砂漿與鄰層材料（基層材料或防護(hù)材料）的脫落就形成保溫體系的損傷。因此除了熱導(dǎo)性，保溫砂漿的黏結(jié)性也是重要的技術(shù)參數(shù)[2-3]。為了改善保溫砂漿的黏結(jié)性，許多學(xué)者研究了集灰比、外加劑、礦物填料、攪拌方式、養(yǎng)護(hù)制度等對(duì)保溫砂漿黏結(jié)強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明上述因素均不同程度地影響保溫砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度，其中集灰比的影響最大[4-6]。但以往研究針對(duì)的都是保溫砂漿與混凝土基層的黏結(jié)強(qiáng)度，保溫砂漿與防護(hù)層材料的黏結(jié)強(qiáng)度及其斷裂尚缺乏相關(guān)報(bào)道?；诒厣皾{黏結(jié)性對(duì)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(hù)砂漿用于保溫砂漿的防護(hù)，發(fā)揮防護(hù)裝飾雙重作用，進(jìn)而簡(jiǎn)化保溫體系的結(jié)構(gòu)，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(hù)砂漿，裝飾砂漿）的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度，并對(duì)黏結(jié)試件的拉伸斷裂進(jìn)行初步分析。

1 原材料

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

2）?；⒅?。試驗(yàn)中所用玻化微珠為無機(jī)玻璃質(zhì)礦物材料，呈不規(guī)則球狀顆粒，內(nèi)部呈多孔空腔結(jié)構(gòu)，表面?；忾]、平滑、有光澤（簡(jiǎn)寫為 Z）。

3）細(xì)集料。試驗(yàn)中所用細(xì)集料包括0.212～0.425 mm石英砂（簡(jiǎn)寫為S1）和0.150～0.212 mm石英砂（簡(jiǎn)寫為S2）。

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

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

6）拌合水。試驗(yàn)中所用拌合水為飲用水。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)配合比

保溫砂漿的基準(zhǔn)配合比如表1所示，所采用的集灰比（?；⒅橘|(zhì)量與其他粉料總質(zhì)量之比）如表2所示。防護(hù)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(zhì)量之比，所用防護(hù)砂漿和裝飾砂漿自身28 d抗拉強(qiáng)度分別為2.46 MPa和1.72 MPa。

表1 保溫砂漿基準(zhǔn)配合比Table 1 Base mix ofthe thermalinsulation mortar

表2 保溫砂漿集灰比及對(duì)應(yīng)編號(hào)Table 2 Mass ratio ofaggregate to power materialand serialnumber ofthe thermalinsulation mortar

表3 防護(hù)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(yàn)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(hù)砂漿的漿體，參照J(rèn)GJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》分別成型并測(cè)試保溫砂漿與防護(hù)砂漿、保溫砂漿與裝飾砂漿的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度。

3 結(jié)果與討論

3.1 集灰比對(duì)保溫砂漿拉伸黏結(jié)強(qiáng)度的影響

圖1為集灰比與保溫砂漿拉伸黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系。由圖1可見，隨著集灰比的增大，保溫砂漿與防護(hù)砂漿、保溫砂漿與裝飾砂漿的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度均呈遞減趨勢(shì)。集灰比從0.30增至1.10時(shí)，保溫砂漿+裝飾砂漿的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度從0.43 MPa降至0.09 MPa，保溫砂漿+防護(hù)砂漿的拉伸黏結(jié)強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度均大于同一集灰比保溫砂漿與防護(hù)砂漿的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度。

圖1 集灰比與保溫砂漿拉伸黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)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(jié)試件拉伸斷面位置分析

用于測(cè)試?yán)祓そY(jié)強(qiáng)度的保溫砂漿黏結(jié)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(nèi)部、保溫層的鄰層內(nèi)部、黏結(jié)界面，如圖2所示。

圖2 拉伸黏結(jié)強(qiáng)度試件斷面位置Fig.2 Fracture surface locations oftensile bonding strength specimen

本試驗(yàn)只觀察到保溫砂漿內(nèi)部斷裂（圖2（a））和黏結(jié)界面斷裂（圖2（c））兩種斷面位置，這是因?yàn)樗梅雷o(hù)砂漿和裝飾砂漿自身28 d抗拉強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度。當(dāng)集灰比在0.30～0.35范圍內(nèi)時(shí)，保溫砂漿與鄰層材料（防護(hù)砂漿，裝飾砂漿）構(gòu)成的黏結(jié)試件拉伸斷裂后的斷面均位于保溫砂漿與防護(hù)材料的黏結(jié)界面；當(dāng)集灰比在0.40～0.10范圍內(nèi)時(shí)，拉伸斷裂后的斷面均位于保溫砂漿的內(nèi)部。

3.3 保溫砂漿黏結(jié)試件拉伸斷裂力學(xué)分析

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

對(duì)于單一荷載下PCM-混凝土黏結(jié)試件的斷裂，Zhang Dawei等人[7-9]通過J積分運(yùn)算得到式（1）中所示的結(jié)果，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了式（1）的正確性。

式中：σ為材料內(nèi)部應(yīng)力；fti為界面黏結(jié)強(qiáng)度；c1為表面粗糙度Ra的函數(shù)；c2為常數(shù)；w為裂縫張開位移（CMOD）；wc為試件斷裂時(shí)的裂縫張開位移，與PCM和混凝土自身強(qiáng)度及斷裂能有關(guān)。

循環(huán)荷載下PCM-混凝土黏結(jié)試件的斷裂如式（2）所示。

式中：σN和σ1分別代表第N次循環(huán)和第1次循環(huán)的內(nèi)應(yīng)力，σ1可由式（1）算出；k1、k2為斷裂因子。

根據(jù)能量守恒可推出內(nèi)應(yīng)力σN和外界能量EN的關(guān)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(dǎo)結(jié)果；aN為試件斷裂時(shí)的裂縫長(zhǎng)度；b為試件寬度。

將式（3）的結(jié)果帶入式（2）可得出斷裂因子k1、k2，最終確定內(nèi)應(yīng)力的表達(dá)式，如式（4）所示。

本試驗(yàn)中保溫砂漿-防護(hù)材料的試驗(yàn)形式與PCM-混凝土相似。此外，在對(duì)保溫砂漿和防護(hù)材料（防護(hù)砂漿，裝飾砂漿）的黏結(jié)試件進(jìn)行拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)顯示的力值變化曲線不是持續(xù)增大的，而是經(jīng)歷數(shù)個(gè)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(huán)次數(shù)的循環(huán)拉力。由于上述原因，可以利用PCM-混凝土斷裂力學(xué)分析結(jié)果對(duì)保溫砂漿-防護(hù)材料斷裂進(jìn)行解釋。結(jié)合式（4）以及本試驗(yàn)所測(cè)試的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可得式（5），可用于保溫砂漿-防護(hù)材料黏結(jié)模型斷裂力學(xué)初步分析。

式中：ft是保溫砂漿與防護(hù)材料的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)量值；P是拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)保溫砂漿和防護(hù)材料黏結(jié)試件提供的拉力；S是斷裂面積；fti是保溫砂漿與防護(hù)材料界面黏結(jié)強(qiáng)度；fm為保溫砂漿的抗拉強(qiáng)度；Ra為界面粗糙度；a為試件尺寸。

由式（5）可看出，界面黏結(jié)強(qiáng)度、表面粗糙度、材料自身的抗拉強(qiáng)度、試件尺寸等因素均會(huì)影響拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)量值。本試驗(yàn)中未對(duì)保溫砂漿和防護(hù)材料的界面進(jìn)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(jié)強(qiáng)度和保溫砂漿的抗拉強(qiáng)度是影響拉伸黏結(jié)強(qiáng)度值的兩個(gè)主要因素。斷面位于黏結(jié)界面時(shí)，說明界面拉伸黏結(jié)強(qiáng)度值小于保溫砂漿的抗拉強(qiáng)度值，此時(shí)拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試值就是“實(shí)際的界面黏結(jié)強(qiáng)度”；而斷面位于保溫砂漿內(nèi)部時(shí)，說明拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試值介于保溫砂漿的抗拉強(qiáng)度值和“實(shí)際的界面黏結(jié)強(qiáng)度”之間，顯然，這個(gè)拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試值不是“實(shí)際的界面黏結(jié)強(qiáng)度”，但拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試值低于“實(shí)際的界面黏結(jié)強(qiáng)度”，因此用測(cè)得的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度值表示界面黏結(jié)強(qiáng)度反而可靠。

4 結(jié)語

1）保溫砂漿與鄰層材料（防護(hù)砂漿，裝飾砂漿）的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度均會(huì)隨著集灰比的增大而減小。

2）保溫砂漿與鄰層材料（防護(hù)砂漿，裝飾砂漿）黏結(jié)試件斷裂后的斷面位置取決于拉伸黏結(jié)強(qiáng)度與材料自身抗拉強(qiáng)度的大小關(guān)系。當(dāng)拉伸黏結(jié)強(qiáng)度小于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，斷面位于黏結(jié)界面；當(dāng)拉伸黏結(jié)強(qiáng)度大于材料自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，斷面位于抗拉強(qiáng)度低的材料（保溫砂漿）內(nèi)部。

3）保溫砂漿與鄰層材料（防護(hù)砂漿，裝飾砂漿）黏結(jié)試件的斷面位于黏結(jié)界面時(shí)，拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)量值等于界面黏結(jié)強(qiáng)度；當(dāng)斷面位于保溫砂漿內(nèi)部時(shí)，拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)量值不能代表界面黏結(jié)強(qiáng)度，但前者因材料自身強(qiáng)度等因素的影響而小于后者，用拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)量值表示界面黏結(jié)強(qiáng)度反而可靠，即如果拉伸黏結(jié)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，實(shí)際的界面黏結(jié)強(qiáng)度也必然滿足規(guī)范要求。