裝配式建筑接縫材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)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(fā)展的關(guān)鍵因素之一，結(jié)合目前的研究成果，總結(jié)了目前裝配式建筑常用的有機(jī)材料和無機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)目前接縫材料的不足之處，提出采用聚合物和工業(yè)廢物作為其未來的研究方向。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑;接縫材料;研究現(xiàn)狀

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.106

1 引言

裝配式混凝土構(gòu)件在工廠預(yù)制成型后，通過節(jié)點(diǎn)連接或者拼縫將預(yù)制構(gòu)件連接為整體，合理的節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造和接縫連接材料才能保證整個(gè)結(jié)構(gòu)有足夠的剛度、強(qiáng)度、粘結(jié)性和延性，滿足結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的要求。因此在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，安全可靠的節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造和經(jīng)濟(jì)適用的接縫材料已經(jīng)成為制約裝配式建筑大規(guī)模推廣的關(guān)系因素。裝配式建筑作為新一輪建筑產(chǎn)業(yè)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(chǎng)。作為影響裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)之一，接縫材料無疑有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

混凝土預(yù)制構(gòu)件的接縫處外力以靜載為主，還受到兩端構(gòu)件與鋼筋的共同約束所引起的內(nèi)力影響。從性能上看，接縫處接縫材料要求早強(qiáng)、抗?jié)B、與基體黏結(jié)力好、變形小等。目前的裝配式建筑接縫材料根據(jù)其化學(xué)成分可分為有機(jī)材料和無機(jī)材料兩大類。

2.1 無機(jī)材料

國(guó)內(nèi)應(yīng)用于裝配式建筑接縫的無機(jī)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(jià)格低廉、施工可操作性強(qiáng)、耐久性好，生產(chǎn)及實(shí)用技術(shù)最為成熟而被廣泛應(yīng)用。

楊楠[1]從物理和化學(xué)兩方面研究PO作為修補(bǔ)材料時(shí)與老硅酸鹽水泥砂漿的黏結(jié)特性，研究表明：PO水化后形成的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠化學(xué)收縮較大，其應(yīng)力變化造成界面處的微裂縫和宏觀缺陷，使得PO的黏結(jié)強(qiáng)度不高。

新的修補(bǔ)材料與老硅酸鹽水泥接觸時(shí)，其中的水分會(huì)被老硅酸鹽水泥吸收一部分，造成收縮值進(jìn)一步增強(qiáng)，所以新老硅酸鹽水泥砂漿界面粘結(jié)不牢固，容易形成裂縫并不斷擴(kuò)展。老混凝土與新混凝土連接界面是預(yù)制構(gòu)件黏結(jié)的薄弱區(qū)，會(huì)削弱整體混凝土的抗剪、抗拉能力。關(guān)于新老混凝土黏結(jié)性能的研究已受到很多學(xué)者的關(guān)注，水中和[2]在PO修補(bǔ)材料中摻入抗裂防水劑，雖然能減小修補(bǔ)材料收縮，但不能明顯提高新老混凝土的黏結(jié)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(duì)SAC進(jìn)行了研究，研究表明其膨脹率不穩(wěn)定，極易分解釋放游離水造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，帶來質(zhì)量問題。從微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)SAC抗折強(qiáng)度的倒縮出現(xiàn)在特定齡期，通過熟料率值設(shè)計(jì)、燒成質(zhì)量控制、水泥制備工藝參數(shù)調(diào)整以及應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合，能夠改善SAC力學(xué)性能，但還沒有形成量化措施解決抗折強(qiáng)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(jié)時(shí)間短、早期強(qiáng)度高、體積變形小、與舊混凝土性能匹配等優(yōu)點(diǎn)。MPC砂漿的熱膨脹系數(shù)和PO砂漿很接近，在溫度變化和受外力作用時(shí)，二者能夠協(xié)調(diào)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(jī)材料

目前的有機(jī)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(yīng)用。李化健[6]研究發(fā)現(xiàn)硅酮嵌縫密封材料的分子主鏈?zhǔn)怯晒柩踉咏惶嬗行蚺帕卸?，主鏈不含碳原子而類似于無機(jī)硅酸鹽結(jié)構(gòu)，因而具有如下優(yōu)異的性能特點(diǎn)：施工性能好、溫度適應(yīng)范圍廣、耐候性好（在惡劣環(huán)境中能保持30年不龜裂、不變脆）、對(duì)環(huán)境友好無害。

其他種類的有機(jī)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(bǔ)和封縫方面應(yīng)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(yōu)點(diǎn)的新型材料，其強(qiáng)度高、抗裂性強(qiáng)、粘結(jié)性好、密封效果優(yōu)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(jié)力強(qiáng)，施工工藝簡(jiǎn)單，能滲透到混凝土內(nèi)部，填充毛細(xì)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(yīng)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(duì)三種材料各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了歸納分析，可根據(jù)性能需求和實(shí)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(guó)內(nèi)對(duì)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(jié)硬化過程中容易引起膨脹和收縮，易產(chǎn)生溫度裂縫。后澆筑的水泥體積收縮比較大，與預(yù)制混凝土構(gòu)件變形不一致，新舊混凝土的結(jié)合面易出現(xiàn)開裂。水泥硬化后作為一種剛性材料，在結(jié)構(gòu)發(fā)生撓曲和變形時(shí)，容易產(chǎn)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(yù)制構(gòu)件之間接縫裂縫、外墻面裂縫和滲水等問題。

我國(guó)對(duì)有機(jī)接縫材料的研究較晚，缺乏合理的標(biāo)準(zhǔn)。在使用過程中，有機(jī)材料對(duì)環(huán)境的污染較大，多數(shù)還對(duì)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(chǎn)使用過程中會(huì)排放有害氣體，污染環(huán)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(jià)格昂貴，且質(zhì)量較好的硅酮膠大多來源于進(jìn)口，因此無法得到大規(guī)模應(yīng)用。

3 接縫發(fā)展方向研究

由目前的研究現(xiàn)狀可以看出：黏結(jié)力強(qiáng)、與舊混凝土的相容性好、耐久性好、耐高溫且價(jià)格低的接縫材料成為未來發(fā)展的趨勢(shì)，因此未來接縫材料可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)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(huán)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(jié)強(qiáng)度、抗?jié)B透性、耐腐蝕性，因此聚合物在建筑材料中得到廣泛應(yīng)用，可以考慮將聚合物和水泥聯(lián)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(yōu)點(diǎn)：

3.1.1 加入聚合物能夠提高接縫材料的工作性

大多數(shù)聚合物乳液加入水泥砂漿中后，乳液中的表面活性劑及穩(wěn)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(tài)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(yīng)，因此聚合物乳液能夠顯著改善材料的流動(dòng)性。

3.1.2 加入聚合物能提高接縫材料的抗?jié)B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(jié)合在一起，形成交錯(cuò)的三維網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，與水泥水化產(chǎn)生的膠體進(jìn)一步交纏在一起，增強(qiáng)了水泥、骨料和聚合物之間的黏結(jié)力，密實(shí)內(nèi)部的細(xì)小空隙，改善界面之間的結(jié)合力，從而提高了接縫材料的抗?jié)B性。

3.1.3 加入聚合物能提高接縫材料的抗折強(qiáng)度和粘聚力

聚合物加入材料后，會(huì)在內(nèi)部形成微纖維膜，提高了接縫材料的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)網(wǎng)膜避免裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)張，能夠提高接縫材料柔韌性和黏結(jié)力。值得注意的是，聚合物的摻入會(huì)降低水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度。

3.2 節(jié)約環(huán)保型接縫材料

聚合物造價(jià)較高，由于裝配式接縫材料的廣泛應(yīng)用，必須考慮其經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)為了響應(yīng)國(guó)家綠色節(jié)能環(huán)保的號(hào)召，適當(dāng)?shù)闹匦吕霉I(yè)廢物，達(dá)到綠色經(jīng)濟(jì)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(fù)合材料，其抗裂、抗凍融循環(huán)和抗?jié)B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(shù)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(qiáng)度和抗?jié)B性

粉煤灰新的作用與其粒徑有很大關(guān)系，粉煤灰粒徑越小，粉煤灰水泥的抗壓強(qiáng)度增加的越多。粉煤灰還可以和硅灰一起使用，摻入適量細(xì)粒度粉煤灰和硅灰，水泥各齡期膠砂強(qiáng)度均超過了硅酸鹽水泥，充分體現(xiàn)了硅灰/粉煤灰復(fù)摻的協(xié)同效應(yīng)和復(fù)合材料的“超疊效應(yīng)”。此外，粉煤灰能夠優(yōu)化骨料的孔隙結(jié)構(gòu)，填充內(nèi)部微小空隙，從而提高材料的抗?jié)B性，但是粉煤灰含量過高會(huì)降低材料的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性。

4 結(jié)語

裝配式建筑作為建筑業(yè)的發(fā)展方向，接縫材料作為其推廣的關(guān)鍵部分，重要性越來越高。在將來的研究中，要充分掌握有機(jī)材料和無機(jī)材料的優(yōu)缺點(diǎn)，讓二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，研發(fā)出低成本、高性能的接縫材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊楠.磷酸鎂水泥基材料黏結(jié)性能研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2014.

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作者簡(jiǎn)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。