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材料和無機材料的優(yōu)點，針對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)點連接或者拼縫將預(yù)制構(gòu)件連接為整體，合理的節(jié)點連接構(gòu)造和接縫連接材料才能保證整個結(jié)構(gòu)有足夠的剛度、強度、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)點連接構(gòu)造和經(jīng)濟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。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應(yīng)用前景。

2 國內(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、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)成分可分為有機材料和無機材料兩大類。

2.1 無機材料

國內(nèi)應(yīng)用于裝配式建筑接縫的無機類材料有以下三種：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、價格低廉、施工可操作性強、耐久性好，生產(chǎn)及實用技術(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作為修補材料時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)強度不高。

新的修補材料與老硅酸鹽水泥接觸時，其中的水分會被老硅酸鹽水泥吸收一部分，造成收縮值進一步增強，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修補材料中摻入抗裂防水劑，雖然能減小修補材料收縮，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SAC進行了研究，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抗折強度的倒縮出現(xiàn)在特定齡期，通過熟料率值設(shè)計、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)時間短、早期強度高、體積變形小、與舊混凝土性能匹配等優(yōu)點。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，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 有機材料

目前的有機類接縫材料，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是由硅氧原子交替有序排列而成，主鏈不含碳原子而類似于無機硅酸鹽結(jié)構(gòu)，因而具有如下優(yōu)異的性能特點：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）、對環(huán)境友好無害。

其他種類的有機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)點的新型材料，其強度高、抗裂性強、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，施工工藝簡單，能滲透到混凝土內(nèi)部，填充毛細孔道和微小縫隙，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，對三種材料各項指標進行了歸納分析，可根據(jù)性能需求和實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

目前國內(nèi)對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，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。

我國對有機接縫材料的研究較晚，缺乏合理的標準。在使用過程中，有機材料對環(huán)境的污染較大，多數(shù)還對人體有害。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，但是其價格昂貴，且質(zhì)量較好的硅酮膠大多來源于進口，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、與舊混凝土的相容性好、耐久性好、耐高溫且價格低的接縫材料成為未來發(fā)展的趨勢，因此未來接縫材料可以在以下幾個方面進行探索。

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：

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，形成交錯的三維網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，與水泥水化產(chǎn)生的膠體進一步交纏在一起，增強了水泥、骨料和聚合物之間的黏結(jié)力，密實內(nèi)部的細小空隙，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度和粘聚力

聚合物加入材料后，會在內(nèi)部形成微纖維膜，提高了接縫材料的抗拉強度，同時網(wǎng)膜避免裂縫的進一步擴張，能夠提高接縫材料柔韌性和黏結(jié)力。值得注意的是，聚合物的摻入會降低水泥砂漿的抗壓強度。

3.2 節(jié)約環(huán)保型接縫材料

聚合物造價較高，由于裝配式接縫材料的廣泛應(yīng)用，必須考慮其經(jīng)濟性，同時為了響應(yīng)國家綠色節(jié)能環(huán)保的號召，適當?shù)闹匦吕霉I(yè)廢物，達到綠色經(jīng)濟的目的，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度增加的越多。粉煤灰還可以和硅灰一起使用，摻入適量細粒度粉煤灰和硅灰，水泥各齡期膠砂強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降低材料的抗壓強度和抗?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，要充分掌握有機材料和無機材料的優(yōu)缺點，讓二者優(yōu)勢互補，研發(fā)出低成本、高性能的接縫材料。

參考文獻：

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

[2]水中和，秦明強，劉佳等.抗裂防水劑對新舊混凝土界面結(jié)合的影響研究[J].混凝土，2005（09）：55-57.

[3]肖忠明，郭俊萍.水泥比表面積與石膏的匹配對硫鋁酸鹽水泥膨脹性能的影響及機理[J].水泥，2016（10）：8-10.

[4]楊全兵，張樹青，楊錢榮等.新型超快硬磷酸鹽修補材料性能[J].混凝土與水泥制品，2000（04）：8-11.

[5]姜洪義，梁波，張聯(lián)盟.MPC超早強混凝土修補材料研究[J].建筑材料學(xué)報，2001（02）：196-198.

[6]李化建，易忠來，溫浩，靳昊，譚鹽賓，謝永江.混凝土接縫用硅酮嵌縫密封材料研究進展[J].混凝土，2015（03）：156-160.

[7]王碩太，付亞偉，于洪江，劉慶濤，周朱仄，張景生.新型聚硫氨酯密封膠的性能與應(yīng)用[J].建筑材料學(xué)報，2010，13（05）：650-653+696.

[8]高玨.裝配式建筑接縫密封材料性能要求與選用分析[J].建筑科技，2018，2（04）：94-98.

作者簡介：王鵬（1989-），男，河南鄧州人，碩士研究生，助教，研究方向：建筑材料。