装配式建筑接缝材料的研究现状与发展方向
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摘 要：接缝材料成为制约装配式建筑发展的关键因素之一，结合目前的研究成果，总结了目前装配式建筑常用的有机材料和无机材料的优点，针对目前接缝材料的不足之处，提出采用聚合物和工业废物作为其未来的研究方向。
关键词：装配式建筑;接缝材料;研究现状
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.106
1 引言
装配式混凝土构件在工厂预制成型后，通过节点连接或者拼缝将预制构件连接为整体，合理的节点连接构造和接缝连接材料才能保证整个结构有足够的刚度、强度、粘结性和延性，满足结构安全性、适用性和耐久性的要求。因此在装配式混凝土结构中，安全可靠的节点连接构造和经济适用的接缝材料已经成为制约装配式建筑大规模推广的关系因素。装配式建筑作为新一轮建筑产业的变革方向，目前占新建建筑的比例还不到5%，有着巨大的推广空间和海量市场。作为影响装配式建筑产业化的关键技术之一，接缝材料无疑有着广阔的市场应用前景。
2 国内外研究现状
混凝土预制构件的接缝处外力以静载为主，还受到两端构件与钢筋的共同约束所引起的内力影响。从性能上看，接缝处接缝材料要求早强、抗渗、与基体黏结力好、变形小等。目前的装配式建筑接缝材料根据其化学成分可分为有机材料和无机材料两大类。
2.1 无机材料
国内应用于装配式建筑接缝的无机类材料有以下三种：硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和磷酸镁水泥。其中水泥最先考虑的是硅酸盐水泥（PO），因其原材料分布广、价格低廉、施工可操作性强、耐久性好，生产及实用技术最为成熟而被广泛应用。
杨楠[1]从物理和化学两方面研究PO作为修补材料时与老硅酸盐水泥砂浆的黏结特性，研究表明：PO水化后形成的水化产物C-S-H凝胶化学收缩较大，其应力变化造成界面处的微裂缝和宏观缺陷，使得PO的黏结强度不高。
新的修补材料与老硅酸盐水泥接触时，其中的水分会被老硅酸盐水泥吸收一部分，造成收缩值进一步增强，所以新老硅酸盐水泥砂浆界面粘结不牢固，容易形成裂缝并不断扩展。老混凝土与新混凝土连接界面是预制构件黏结的薄弱区，会削弱整体混凝土的抗剪、抗拉能力。关于新老混凝土黏结性能的研究已受到很多学者的关注，水中和[2]在PO修补材料中掺入抗裂防水剂，虽然能减小修补材料收缩，但不能明显提高新老混凝土的黏结力。
硫铝酸盐水泥（SAC）基接缝材料目前来说也研究的较多。肖忠明，郭俊萍[3]对SAC进行了研究，研究表明其膨胀率不稳定，极易分解释放游离水造成结构不稳定，导致强度下降，带来质量问题。从微观结构分析发现SAC抗折强度的倒缩出现在特定龄期，通过熟料率值设计、烧成质量控制、水泥制备工艺参数调整以及应用技术的结合，能够改善SAC力学性能，但还没有形成量化措施解决抗折强度倒缩的问题。
磷酸镁水泥（MPC）基材料也可以作为接缝材料使用。姜洪义、杨全兵[4，5]的研究表明：MPC基材料具有凝结时间短、早期强度高、体积变形小、与旧混凝土性能匹配等优点。MPC砂浆的热膨胀系数和PO砂浆很接近，在温度变化和受外力作用时，二者能夠协调变形，有良好的体积相容性，因此MPC很适合作为接缝材料。
2.2 有机材料
目前的有机类接缝材料，采用沥青类、聚氨酯、硅酮类材料较多。其中硅酮类材料由于其较好的耐候性和施工性，因而在装配式建筑中得以快速应用。李化健[6]研究发现硅酮嵌缝密封材料的分子主链是由硅氧原子交替有序排列而成，主链不含碳原子而类似于无机硅酸盐结构，因而具有如下优异的性能特点：施工性能好、温度适应范围广、耐候性好（在恶劣环境中能保持30年不龟裂、不变脆）、对环境友好无害。
其他种类的有机材料在装配式建筑中使用较少，但是在水泥混凝土路面上修补和封缝方面应用的比较多。王硕太[7]研究出一种兼具聚氨酯和聚硫橡胶优点的新型材料，其强度高、抗裂性强、粘结性好、密封效果优良，满足水泥混凝土路面封缝的要求。
以粉煤灰、石油沥青和聚氨酯为主体的PTN接缝防渗材料，其防渗性好、耐温性好、黏结力强，施工工艺简单，能渗透到混凝土内部，填充毛细孔道和微小缝隙，形成封闭的防水层，因而在各种水利工程中应用较多。
高珏[8]研究了聚氨酯密封胶、硅酮密封胶和改性硅酮密封胶的特性，对三种材料各项指标进行了归纳分析，可根据性能需求和实际的使用情况选择合适的材料作为装配式建筑接缝材料。
2.3 装配式建筑面临的问题
目前国内对装配式建筑接缝材料研究较少，采用水泥作为接缝材料在水化和凝结硬化过程中容易引起膨胀和收缩，易产生温度裂缝。后浇筑的水泥体积收缩比较大，与预制混凝土构件变形不一致，新旧混凝土的结合面易出现开裂。水泥硬化后作为一种刚性材料，在结构发生挠曲和变形时，容易产生裂缝和脱落，失去连接和防水能力。因此只用水泥作为接缝材料，难以解决预制构件之间接缝裂缝、外墙面裂缝和渗水等问题。
我国对有机接缝材料的研究较晚，缺乏合理的标准。在使用过程中，有机材料对环境的污染较大，多数还对人体有害。比如常用的硅酮类密封胶，其耐火性、耐高温性和耐老化性比较差，在生产使用过程中会排放有害气体，污染环境。虽然硅酮胶比单纯的水泥更适合作为装配式建筑的接缝材料，但是其价格昂贵，且质量较好的硅酮胶大多来源于进口，因此无法得到大规模应用。
3 接缝发展方向研究
由目前的研究现状可以看出：黏结力强、与旧混凝土的相容性好、耐久性好、耐高温且价格低的接缝材料成为未来发展的趋势，因此未来接缝材料可以在以下几个方面进行探索。
3.1 聚合物改性水泥接缝材料
目前常用聚合物改性水泥砂浆（PMCM），可分为乳液类和胶粉类，且乳液类聚合物比胶粉类效果更好。常用聚合物乳液主要有丁苯类乳液、丙烯酸类乳液、环氧类乳液、氯丁类乳液等。聚合物的掺入可以提高水泥砂浆和混凝土的粘结强度、抗渗透性、耐腐蚀性，因此聚合物在建筑材料中得到广泛应用，可以考虑将聚合物和水泥联合起来，研究出新型的装配式建筑接缝材料，此材料有以下优点： 3.1.1 加入聚合物能够提高接缝材料的工作性
大多数聚合物乳液加入水泥砂浆中后，乳液中的表面活性剂及稳定剂在改性砂浆中引入了较多气泡，砂浆中水泥颗粒的堆积状态得到改善，水泥颗粒的分散效果提高，其效果类似于“滚珠”效应，因此聚合物乳液能够显著改善材料的流动性。
3.1.2 加入聚合物能提高接缝材料的抗渗性
聚合物乳液中的羧酸盐能够与水泥浆体中金属阳离子以离子键结合在一起，形成交错的三维网状立体结构，与水泥水化产生的胶体进一步交缠在一起，增强了水泥、骨料和聚合物之间的黏结力，密实内部的细小空隙，改善界面之间的结合力，从而提高了接缝材料的抗渗性。
3.1.3 加入聚合物能提高接缝材料的抗折强度和粘聚力
聚合物加入材料后，会在内部形成微纤维膜，提高了接缝材料的抗拉强度，同时网膜避免裂缝的进一步扩张，能够提高接缝材料柔韧性和黏结力。值得注意的是，聚合物的掺入会降低水泥砂浆的抗压强度。
3.2 节约环保型接缝材料
聚合物造价较高，由于装配式接缝材料的广泛应用，必须考虑其经济性，同时为了响应国家绿色节能环保的号召，适当的重新利用工业废物，达到绿色经济的目的，在接缝材料加入橡胶颗粒、塑料颗粒、粉煤灰和高炉矿渣等。
3.2.1 加入橡胶颗粒能降低接缝材料的透水性
橡胶集料主要由废旧轮胎碾磨破碎而成，粒径为通常在2mm以下，加入橡胶颗粒后的复合材料，其抗裂、抗冻融循环和抗渗性都比较好。接缝材料中加入橡胶颗粒后，能够填充粗集料之间的空隙，使材料中的连接孔洞数量减少，孔隙率降低，透水性也下降。加入橡胶轮胎集料将废物重新利用，也能有效的降低成本。
3.2.2 加入适量粉煤灰能够提高接缝材料的抗压强度和抗渗性
粉煤灰新的作用与其粒径有很大关系，粉煤灰粒径越小，粉煤灰水泥的抗压强度增加的越多。粉煤灰还可以和硅灰一起使用，掺入适量细粒度粉煤灰和硅灰，水泥各齡期胶砂强度均超过了硅酸盐水泥，充分体现了硅灰/粉煤灰复掺的协同效应和复合材料的“超叠效应”。此外，粉煤灰能够优化骨料的孔隙结构，填充内部微小空隙，从而提高材料的抗渗性，但是粉煤灰含量过高会降低材料的抗压强度和抗渗性。
4 结语
装配式建筑作为建筑业的发展方向，接缝材料作为其推广的关键部分，重要性越来越高。在将来的研究中，要充分掌握有机材料和无机材料的优缺点，让二者优势互补，研发出低成本、高性能的接缝材料。
参考文献：
[1]杨楠.磷酸镁水泥基材料黏结性能研究[D].长沙：湖南大学，2014.
[2]水中和，秦明强，刘佳等.抗裂防水剂对新旧混凝土界面结合的影响研究[J].混凝土，2005（09）：55-57.
[3]肖忠明，郭俊萍.水泥比表面积与石膏的匹配对硫铝酸盐水泥膨胀性能的影响及机理[J].水泥，2016（10）：8-10.
[4]杨全兵，张树青，杨钱荣等.新型超快硬磷酸盐修补材料性能[J].混凝土与水泥制品，2000（04）：8-11.
[5]姜洪义，梁波，张联盟.MPC超早强混凝土修补材料研究[J].建筑材料学报，2001（02）：196-198.
[6]李化建，易忠来，温浩，靳昊，谭盐宾，谢永江.混凝土接缝用硅酮嵌缝密封材料研究进展[J].混凝土，2015（03）：156-160.
[7]王硕太，付亚伟，于洪江，刘庆涛，周朱仄，张景生.新型聚硫氨酯密封胶的性能与应用[J].建筑材料学报，2010，13（05）：650-653+696.
[8]高珏.装配式建筑接缝密封材料性能要求与选用分析[J].建筑科技，2018，2（04）：94-98.
作者简介：王鹏（1989-），男，河南邓州人，硕士研究生，助教，研究方向：建筑材料。
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