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    墻面預拌砂漿厚抹灰空鼓成因分析、工程試驗及標準建議

    2020-07-16 16:14:46

    黃照明1,張同生2,楊賢棟3,張波3,謝曉庚2,盧倩儀1,杜傳健1,羅文英1

    1.中山市誠盛建材開發有限公司 廣東中山 528447 ; 2.華南理工大學材料科學與工程學院  廣東廣州 510641;3.雅居樂地產控股有限公司 廣東廣州 510627

    摘要:抹灰砂漿與墻體間(特別是豎直面和下表面)極易出現空鼓,是制約墻面厚抹灰技術和預拌砂漿應用的主要原因,本文從流體力學、界面化學及結構力學三方面分階段分析了墻面厚抹灰預拌砂漿空鼓影響因素,發現砂漿流變性能是施工空鼓的關鍵,而收縮率與界面粘結是影響收縮性空鼓的主要因素?;诖藢?a href='http://www.8yixue.com/product/733.html' target='_blank' class='key_tag'>界面砂漿和抹灰砂漿進行了優化,開展了大量防治厚抹灰砂漿空鼓的工程施工試驗,并根據工程實際應用情況對預拌砂漿標準中部分性能指標提出了建議。

    關鍵詞:預拌砂漿,厚抹灰,空鼓,工程應用

     

    Hollowing mechanism analysis and engineering experiment of thick ready-mixed mortar and suggestions to national standard

    Zhaoming Huang1, Tongsheng Zhang2, Xiandong Yang3,Bo Zhang3,Xiaogeng Xie2, Qianyi Lu1, Chuanjian Du1, Wenying Luo1

    (1.    Chengsheng Building Materials Co. Ltd, Zhongshan Guangdong Province, 528447; 2. South China University of Technology, Guangzhou Guangdong Province, 5106413.Agile Property Holdings Co., Ltd, Guangzhou Guangdong Province, 510627)

    Abstract: Hollowing between mortar and concrete wall is the key factor influencing the application of ready-mixed mortar and thick plastering mortar technology, especially when ready-mixed mortar was used horizontal and downward surfaces of wall. In the present study, factors influencing the hollowing mechanism of thick ready-mixed mortar were analyzed from the point view of hydrodynamics, surface chemistry, and structural mechanics, rheological properties of mortar is the key factor influencing hollowing during plastering, shrinkage and bonding strength are the key factors affecting hollowing during hardening. Then the mix proportions of surface mortar and plastering mortar were optimized, engineering experiment was carried out to avoid hollowing of ready-mixed mortar. Finally, suggestions were proposed to revise national standard according to engineering application.

    Key words: Ready-mixed mortar, Thick plastering mortar, Hollowing, Engineering application

     

    前言

    近年來,隨著綠色建筑行動的實施以及建筑工地揚塵的整治,預拌砂漿由于具有綠色環保的特點在全國各地的應用已開始普及。普通預拌抹灰砂漿施工工藝要求相關規范[1,2,3]一般沿用現場攪拌砂漿的規定,即要求抹灰前清理基層并進行界面處理,砂漿按每次7~8mm厚抹灰至設計厚度(本文稱為分層薄抹灰)并加強成型后的養護。盡管現階段有大量相關文獻報道了有關預拌抹灰砂漿空鼓的原因及防治方法 [4,5],但由于種種原因,始終未能有效解決預拌砂漿空鼓問題。預拌抹灰砂漿內墻面空鼓(尤其混凝土墻面)已成為建筑行業的一大通病,帶來了嚴重的質量糾紛并影響到預拌砂漿的推廣應用。一般認為,造成空鼓的原因本質上是由于基層墻體與預拌砂漿之間的收縮率不一致,并歸咎于界面砂漿處理的不達標。然而筆者認為更深層次的原因在于沒有將墻體界面層砂漿層作為一個有機結合體,全面分析砂漿流塑硬化過程中受力與變形之間的關系?;诖?,本文將重點研究混凝土墻基層墻體、界面層砂漿和抹灰砂漿對預拌砂漿質量的影響因素及三者之間的關系,探討施工性空鼓和收縮性空鼓的成因,調配出可應用于工程實踐的滿足厚抹灰的界面砂漿和抹灰砂漿,并對現行規范的個別指標提出一些建議,相關研究將有力推動預拌砂漿厚抹灰工藝的推廣和成功實施。

    墻面厚抹灰空鼓的機理分析

    目前,內墻抹灰設計厚度一般為15mm20mm,不同于商品混凝土一般沿水平面澆筑,抹灰砂漿一般附著于基層墻體的豎直面(以下討論的抹灰砂漿特指附著于混凝土基層墻體豎直面上的情況)甚至是下表面?;鶎訅w、界面層砂漿和抹灰砂漿是一個有機結合體,由于勞動力短缺,抹灰工人一般為臨時招聘,崗前難有系統的培訓,工人基于按施工平方數計算勞務費,使得施工現場砂漿普遍為一次成型 (本文為區別于常規規范要求抹灰一次成型7~8mm厚,將常規抹灰設計厚度(15mm20mm)一次成型稱為厚抹灰),即使施工嚴格監管,也很難保證施工質量。厚抹灰相對于分層薄抹灰成型,一方面對砂漿施工性能、力學性能要求較高;另一方面,界面層作為砂漿層與基層的連接過渡區,在抹灰砂漿涂抹、成型、固化過程中,扮演著增粘、抗流掛、抗收縮變形的重要角色;再一方面,施工工藝和養護是否到位也是影響砂漿是否空鼓的重要因素。上述三方面互為依靠,缺一不可。本文將空鼓分為施工性空鼓和收縮性空鼓進行研究。施工性空鼓是指塑性流掛以及砂漿表面收水搓平過程中產生的空鼓,收縮性空鼓是指砂漿硬化后及硬化過程中空鼓。

    2.1  施工性空鼓的受力分析

    在抹灰砂漿涂抹上基層墻體到抹灰砂漿失去可塑性并收水搓平過程中,墻面砂漿界面結合力主要是范德華力,同時存在部分毛細管表面力。對于墻面而言,抹灰砂漿鋪抹在墻面上的過程是一個固氣界面向固液界面的轉化,是墻面的一個潤濕過程。在用接觸角表示潤濕性時,常以θ=90°為潤濕與否的判斷標準,即θ>90°為不潤濕,θ<90°為潤濕,接觸角越小,潤濕性越好。在實際預拌砂漿抹灰施工中,增大墻體基面的親水性和疏油性、增加界面粗糙度可有效促進墻面潤濕,從而提高界面結合力。因此,施工前對墻面適當灑水、清除粉塵,對油污、光滑的剪力墻面采用接觸角較小的界面砂漿處理界面,并通過機械噴涂(人工甩漿)增加界面粗糙度的處理方法,均可有效增大砂漿界面結合力。

    在流塑階段,砂漿中物料成分和物相組成穩定不變時,具有較好的流動性和可塑性,在流變學中屬于賓漢姆流體。賓漢姆模型中,剪切應力σ小于屈服應力τS時,流體呈現彈性體特征;當剪切應力大于τS時,流體呈現為牛頓流體。因此,砂漿的屈服應力、流變粘度、抹灰層的厚度δ以及凝結時間的快慢對砂漿在這一階段空鼓與否具有決定性作用。當σ<τS時,砂漿內部不出現流掛。其他條件不變時,一次抹灰厚度越厚,砂漿出現流掛的風險越大。此外,提高砂漿的屈服應力,可以實現一次抹灰厚度的增加。

    基層墻體提供的粘結力τ不足以抵抗砂漿的重力作用τg,或砂漿的屈服應力不足以抵抗砂漿的重力作用,又或者受外界擾動(主要是樓板運輸物料過程中產生的振動)使得砂漿結構破壞時,抹灰砂漿往下流墜往往造成抹灰砂漿與界面間脫開,造成施工性空鼓。

                                                           


     

    圖1 施工過程中墻體與抹灰層受力情況分析

     

    由于施工及運輸要求,一般通過緩凝劑延長砂漿的凝結時間。對于吸水性較低的混凝土墻面,當抹灰砂漿較厚且凝結時間過長時,砂漿內外表面將存在明顯的強度梯度(即外干內軟)。當砂漿表面硬度已達到收漿要求時,界面處砂漿往往還處于流塑階段。此時當人工搓平砂漿時在界面上產生的剪切力疊加各種外力作用產生的合力大于界面砂漿界面結合力時,往往導致砂漿出現整體下墜脫落或施工性空鼓。砂漿凝結時間過長不利于砂漿厚抹灰的根本原因在于砂漿本身的性能,除非減薄砂漿一次抹灰厚度,否則通過其它施工方法的改良難以根本解決施工性空鼓。凝結時間較長的濕拌砂漿不適用于當前施工工地普遍采用的一次成型抹灰施工方法,尤其對吸水率較小且表面光滑的混凝土墻面。這是工程中采用濕拌砂漿在混凝土墻面抹灰往往造成大面積空鼓的重要原因之一。

    2.2  收縮性空鼓的受力分析

    砂漿固化后,墻面砂漿界面結合力主要是范德華力和機械咬合力,當結合面粗糙度達到一定程度時,界面結合力將會變為以機械咬合力為主,范德華力為輔。此時砂漿的收縮率、粘結力大小及界面表面的粗糙度是收縮性空鼓出現與否的關鍵因素。

    如圖2所示,砂漿固化產生的收縮應力(主要是化學收縮和干縮)、溫差作用下產生的應力(墻面砂漿間存在線膨脹系數的差異)及自身重力三種應力作用下產生的合力在界面上形成剪切應力(τ)。當此應力大于砂漿與墻體間的剪應粘結應力時,砂漿即出現空鼓。由于平滑的基層表面接觸面積遠小于粗糙的基層表面,因此,平滑的基層表面更容易出現收縮性空鼓。

    當墻體基層抹灰前進行甩漿處理時,若砂漿與甩漿面的剪應粘結力大于甩漿面(點)與墻體基層的剪應粘結力,空鼓將出現在墻面與界面層間,砂漿將連同甩漿面(點)拔出。

    施工造成墻體基層的起伏,或甩漿點不均勻造成的高低起伏,會在界面上產生垂直墻體方向的拉應力(στ)。當此應力大于砂漿與墻體間的拉伸粘結應力時,砂漿即出現空鼓。由于門窗洞口上下現澆的混凝土過梁施工中一般容易出現漲模,東西外墻晝夜溫差較其他部位的墻體大,導致收縮性空鼓易出現在東西向的混凝土外墻和窗洞口上下現澆的混凝土過梁等部位,尤其是東西向的混凝土外墻洞口的上下部位。

     


     2 硬化過程中墻體與砂漿受力情況分析

     

    由施工性和收縮性空鼓出現的原理可知:內墻面厚抹灰不空鼓的前提條件是:砂漿對墻面具有的良好潤濕性;砂漿具有良好施工性能特別是優異的抗流掛性能(較大的屈服力、良好的塑性粘度和觸邊性能);砂漿在滿足施工需要前提下盡可能短的凝結時間以及成型后的砂漿具有理想的粘結強度和較小的收縮率。由于生產及運輸需要,濕拌砂漿一般添加有減水劑和緩凝劑,前者削弱了砂漿的抗流掛性能,后者在砂漿凝結過程中容易出現外干內軟的情況。因此,厚抹灰應慎用濕拌砂漿。干混抹灰砂漿可以通過調整配合比獲得良好的抗流掛性能和理想的凝結時間,使得厚抹灰的良好應用將成為可能。

    墻面厚抹灰預拌砂漿的工程實踐

    根據上述墻面厚抹灰空鼓的機理分析,提高墻體砂漿界面結合力是能否解決砂漿空鼓的關鍵所在。增加混凝土墻面與抹灰砂漿的界面結合力,可以通過改善砂漿的性能和(或)增加混凝土墻面的粗糙度得以實現。理論上,通過添加高分子聚合物調配出性能優異的抹灰砂漿可不需改善光滑混凝土墻表面粗糙度即可達到良好的界面結合力。然而,上述方法往往不經濟且施工性能較差。因此,實踐中一般抹灰前采用界面砂漿對基層墻面進行處理。界面砂漿是一種既能牢固地粘結基層,其表面又能很好的被后續抹灰砂漿牢固粘結的,具有雙向親和性的材料(其實質是性能優異的抹灰砂漿)。

    3.1實驗室試配試驗:

    通過實驗室初步篩選試驗,筆者試配出在滿足文獻[6]中干混界面砂漿性能指標,同時施工中具有良好抗流掛性的界面砂漿。界面砂漿的配合比如下:P.O. 42.5水泥:細砂(過2.0mm孔徑篩):添加劑A=500:494:6,其中添加劑A為纖維素醚、膠粉為主的自配外加劑。選取以纖維素醚、膠粉、引氣劑、膨潤土、觸變潤滑劑、減水劑、緩凝劑、淀粉醚等常用砂漿添加劑為主,配制了A、BC三種砂漿稠化粉。通過添加上述三種稠化粉,分別調配了1#、2#3#M10抹灰砂漿(配合比:P.O. 42.5水泥:中砂(水洗海砂,細度模數2.5:礦物摻合料:稠化粉=150:800:44:6。采用旋轉粘度計測量砂漿的剪切速率與剪切應力關系(圖3)。屈服應力、塑性粘度及觸變性如表1所示,按照GB/T 25181-2010規定測試砂漿的部分性能指標(表2)。由測試結果可知,1#砂漿具有粘結強度和較大的觸變性;2#砂漿具有的屈服強度和觸變性;3#砂漿具有28d收縮率和較高的屈服強度和觸變性。1#、2#3#砂漿凝結時間均控制在5小時左右。


     3 新拌砂漿流變性能

     

    砂漿屈服應力、塑性粘度及觸變性

    砂漿編號

    屈服應力/Pa

    塑性粘度/(Pa·s)

    觸變性/Pa/s

    1#

    98.57

    1.113

    2021

    2#

    129.37

    0.998

    2982

    3#

    126.45

    1.101

    1096

    砂漿的基本性能指標

    砂漿編號

    14d拉伸粘結強度/MPa

    28d收縮率/%

    凝結時間/min

    1#

    0.31

    0.18

    312

    2#

    0.27

    0.17

    288

    3#

    0.26

    0.09

    282

     

    3.2 工程應用試驗

    在雅居樂地產的支持下,我司于201612月在中山區域隨機選取三個不同項目的三個標準層內墻抹灰進行中試,施工工人為各項目的原施工人員,平面形狀分別如圖4。項目均為框架剪力墻結構,填充墻除洗手間周邊采用混凝土實心磚外其余采用Ma5.0加氣砼砌塊。三個平面內墻抹灰面積均在2000m2左右,設計采用15mmM10抹灰砂漿。工程a、b、c分別用采用1#、2#、3#砂漿,厚抹灰一次成型。       

    a1#砂漿施工平面示意圖                                     b2#砂漿施工平面示意圖

     

    c3#砂漿施工平面示意圖

     

    施工工程平面示意圖

     

    1)基本工藝流程:基層墻體表面處理(修平墻面及清理油污粉塵,在界面處理前一天灑水潤濕墻面掛鋼絲網吊直、套方、找規矩、貼灰餅墻面沖筋界面處理(采用手持電動鉆調配界面砂漿,采用300×300mm百搭鋼絲網甩漿并養護3天,漿體毛刺高度控制在5~8mm。做護角抹水泥窗臺板抹灰(提前一天灑水充分潤濕墻面,抹灰當天適當潤濕墻面,15mm厚(實際厚度由8~24mm不等。)抹灰一次壓實抹平養護。 部分施工效果見圖5。

    施工過程中,1#砂漿和2#砂漿施工平面使用甩漿鋼絲網反面上漿,每平米用量為2.1kg/m2,現場工人反應工效較慢且界面砂漿用量較多。經過與業主、施工方研究探討,3#砂漿施工平面改為鋼絲網正面上漿。實踐證明甩漿點較前兩平面更趨均勻、毛刺感強烈且用量僅為1.5kg/m2,工人反應工效明顯加快(圖6)。抹灰過程中,1#砂漿施工平面施工工人反應落地灰較多,砂漿雖然可以一次成活但抹灰厚度超過10mm時需要分層批抹,否則容易出現流掛以及出攪拌機后的砂漿和易性較快變差。2#砂漿施工平面施工工人反應砂漿出攪拌機后和易性迅速變差,砂漿干硬,上樓層后需人工重塑才能施工,工人抗拒性較大。3#砂漿施工平面施工工人反應施工性能遠優于現場攪拌砂漿,手感順滑且落地灰少。工人的反饋意見說明,不同于瓷磚膠等特種砂漿,2#砂漿雖然屈服應力和觸變性均大,但過高觸變性帶來施工困難;1#砂漿雖然具有大的粘結強度但由于砂漿屈服應力低,砂漿容易出現流掛;3#砂漿雖然觸變性三者中但屈服應力較大,施工性能優。

     

     

          (a)加氣混凝土墻面甩漿                 b)混凝土墻面甩漿

            

          (c)加氣混凝土墻面甩漿效果            d)混凝土實心磚墻面甩漿效果

           

          (e)厚抹灰                                           f)趕平

    預拌砂漿現場施工情況

     

    2)驗收方法:抹灰成型15d后開始每隔15d采用空鼓錘逐片墻敲擊檢查空鼓情況并記錄。20176月份,測量空鼓點尺寸并切開檢查空鼓位置,統計情況如表2所示(注:一次測量時各平面均沒有發現空鼓),其中平面一大于0.3m×0.3m的空鼓點尺寸分別為0.49m×0.38m1.2m×0.36m,位置分別位于內墻混凝土梁側面和外墻窗臺處混凝土梁側面;平面二大于0.3m×0.3m的空鼓點尺寸分別為1.74m×0.15m0.82m×0.56m,位置分別位于內墻混凝土梁側面和外墻混凝土墻面。


    預拌砂漿甩漿整體效果

     

    2各試驗平面空鼓情況統計表

    序號

    空鼓點數量/

    大于0.3m×0.3m的空鼓點數量/

    100m2墻面空鼓點數/

    空鼓位置

    1#砂漿平面

    7

    2

    0.35

    界面砂漿砂漿層間

    2#砂漿平面

    13

    2

    0.67

    界面砂漿砂漿層間

    3#砂漿平面

    6

    0

    0.32

    界面砂漿砂漿層間

    3)結果分析,采用1#、2#、3#砂漿和本厚抹灰工藝方法施工的砂漿沒有出現界面砂漿拔出的情況,證明配制的界面砂漿是成功的。三個平面均沒有出現施工性空鼓,每100m2墻面空鼓點數均在0.7個以內,其中3#砂漿為0.32個。1#、2#砂漿在混凝土面(尤其外墻混凝土梁側)出現尺寸大于0.3m×0.3m的收縮性空鼓點。上述原因可能在于盡管1#、2#砂漿的14d拉伸粘結強度大于3#砂漿,但3#砂漿收縮率遠小于1#、2#砂漿。同時,1#砂漿屈服應力較低以及2#砂漿觸變性較高,導致前者容易出現施工性流掛,后者砂漿容易搓壓不實,兩者均可能造成界面接觸不嚴實。三者中由于3#砂漿具有小的收縮率和良好的施工性能(合理的觸變性和良好的屈服應力),因此獲得了優的效果。

    4)大規模試驗:采用3#干混砂漿進行大規模生產應用驗證。20174月起,在我司技術支持下,多個工地全面應用我司砂漿進行墻面厚抹灰工藝(含數個原采用濕拌砂漿施工項目)施工。目前,合同簽訂量已近百萬平方米建筑面積,各工地隨訪反應均良好,沒有出現大面積空鼓等異常情況。

    GB/T 25181-2010抹灰砂漿個別性能指標的建議

    以上分析和實踐均證明:減少墻面砂漿界面出現空鼓幾率的眾多因素中,砂漿的性能指標重要的因素。因此,現行抹灰砂漿部分性能指標的規定應引起科研人員和規范制定者的重視:

    (1)保水率:實際工程中往往高、中、低吸水性能墻面共存,而施工中同一樓層一般只能采用同一性能指標的抹灰砂漿。對常規摻加纖維素醚類的高保水砂漿固然可以保證砂漿表面不龜裂,但對于低吸水性能墻面(如上面討論的混凝土墻)往往造成表干內軟情況,在收水趕平時極容易出現施工性空鼓(揉搓空鼓)。因此,對于高、中、低吸水性材料應給出不同的保水率上下限要求較妥。

    (2)凝結時間:砂漿凝結時間越長,一方面會導致抹灰砂漿上墻后在凝結前越容易受外界擾動,從而引起施工性空鼓;另一方面對低吸水性能墻面造成砂漿表干內軟情況,極容易出現施工性空鼓。這是目前濕拌砂漿在混凝土墻面普遍空鼓的重要原因。因此,抹灰砂漿的凝結時間建議規定一個上限值。

    (3)建議增加抗流掛性能指標:砂漿具備較大的初始屈服應力是厚抹灰不空鼓的前提條件,可由砂漿觸變性直觀反映。實際生產中,為增加砂漿的和易性,生產廠家往往在砂漿中添加引氣劑和減水劑,給砂漿的抗流掛性能帶來了負面的影響。

    (4)建議增加剪切粘結強度指標:剪切粘結性能不足是引起砂漿空鼓的重要原因之一。

    結語

    1)本文從流體力學、界面化學和結構力學三方面分析了墻面厚抹灰預拌砂漿成型受力機理;探討了剪力墻基層墻體、界面層砂漿和抹灰砂漿三者之間的關系對預拌砂漿成型質量的影響因素;提出了基層墻體的平整和整潔度、施工前的界面處理效果、砂漿的物理性能指標和施工工藝均是厚抹灰砂漿是否出現空鼓的決定因素,而三種之中砂漿的物理性能指標尤為重要。

    2)制備了添加劑A和稠化粉B,配制出適于厚抹灰的界面砂漿(配合比為:P.O. 42.5水泥:細砂(過2.0mm孔徑篩):添加劑A=500:494:6)和M10干混抹灰砂漿(P.O. 42.5水泥:中砂(水洗海砂,細度模數2.5:礦物摻合料:稠化粉=150:800:44:6)并成功應用于大量工程中。

    3)對砂漿保水率、凝結時間、抗流掛性和粘結強度等指標提出了一些建議。指出雖然加入減水劑可以改善砂漿的和易性和稠度損失,加入緩凝劑可延長砂漿凝結時間并增加砂漿的開放時間,但帶來的砂漿流塑階段的屈服應力削弱,砂漿層內外出現較大強度梯度等不利因素應引起政府決策者和科研人員的重視。

     

    參考文獻

    [1]JGJ/T 223-2010.預拌砂漿應用技術規程[S].

    [2]DBJ 15-82-2011.蒸壓加氣混凝土砌塊自承重墻體技術規程[S].

    [3]DBJ 15-84-2014.混凝土小型砌塊自承重墻體工程技術規程[S].

    [4]蔣金明.剪力墻面抹灰砂漿空鼓的實質及有效處理措施[J].廣東建材,2011,4:38-39.

    [5]鄭啟華,周常林.預拌抹灰砂漿開裂、空鼓、滲漏原因分析及對策[J].廣東建材,2013,9:73-76. 

    [6]GB/T 25181-2010.預拌砂漿[S].


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