墙面预拌砂浆厚抹灰空鼓成因分析、工程试验及标准建议
黄照明1，张同生2，杨贤栋3，张波3，谢晓庚2，卢倩仪1，杜传健1，罗文英1
（1.中山市诚盛建材开发有限公司 广东中山 528447 ； 2.华南理工大学材料科学与工程学院 广东广州 510641；3.雅居乐地产控股有限公司 广东广州 510627）
摘要：抹灰砂浆与墙体间（特别是竖直面和下表面）极易出现空鼓，是制约墙面厚抹灰技术和预拌砂浆应用的主要原因，本文从流体力学、界面化学及结构力学三方面分阶段分析了墙面厚抹灰预拌砂浆空鼓影响因素，发现砂浆流变性能是施工空鼓的关键，而收缩率与界面粘结是影响收缩性空鼓的主要因素。基于此对界面砂浆和抹灰砂浆进行了优化，开展了大量防治厚抹灰砂浆空鼓的工程施工试验，并根据工程实际应用情况对预拌砂浆标准中部分性能指标提出了建议。
关键词：预拌砂浆，厚抹灰，空鼓，工程应用
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, 510641：3.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
1 前言
近年来，随着绿色建筑行动的实施以及建筑工地扬尘的整治，预拌砂浆由于具有绿色环保的特点在全国各地的应用已开始普及。普通预拌抹灰砂浆施工工艺要求相关规范[1,2,3]一般沿用现场搅拌砂浆的规定，即要求抹灰前清理基层并进行界面处理，砂浆按每次7~8mm厚抹灰至设计厚度（本文称为分层薄抹灰）并加强成型后的养护。尽管现阶段有大量相关文献报道了有关预拌抹灰砂浆空鼓的原因及防治方法 [4,5]，但由于种种原因，始终未能有效解决预拌砂浆空鼓问题。预拌抹灰砂浆内墙面空鼓（尤其混凝土墙面）已成为建筑行业的一大通病，带来了严重的质量纠纷并影响到预拌砂浆的推广应用。一般认为，造成空鼓的原因本质上是由于基层墙体与预拌砂浆之间的收缩率不一致，并归咎于界面砂浆处理的不达标。然而笔者认为更深层次的原因在于没有将墙体—界面层—砂浆层作为一个有机结合体，全面分析砂浆流塑—硬化过程中受力与变形之间的关系。基于此，本文将重点研究混凝土墙基层墙体、界面层砂浆和抹灰砂浆对预拌砂浆质量的影响因素及三者之间的关系，探讨施工性空鼓和收缩性空鼓的成因，调配出可应用于工程实践的满足厚抹灰的界面砂浆和抹灰砂浆，并对现行规范的个别指标提出一些建议，相关研究将有力推动预拌砂浆厚抹灰工艺的推广和成功实施。
2 墙面厚抹灰空鼓的机理分析
目前，内墙抹灰设计厚度一般为15mm或20mm，不同于商品混凝土一般沿水平面浇筑，抹灰砂浆一般附着于基层墙体的竖直面（以下讨论的抹灰砂浆特指附着于混凝土基层墙体竖直面上的情况）甚至是下表面。基层墙体、界面层砂浆和抹灰砂浆是一个有机结合体，由于劳动力短缺，抹灰工人一般为临时招聘，岗前难有系统的培训，工人基于按施工平方数计算劳务费，使得施工现场砂浆普遍为一次成型 (本文为区别于常规规范要求抹灰一次成型7~8mm厚，将常规抹灰设计厚度（15mm或20mm）一次成型称为厚抹灰），即使施工严格监管，也很难保证施工质量。厚抹灰相对于分层薄抹灰成型，一方面对砂浆施工性能、力学性能要求较高；另一方面，界面层作为砂浆层与基层的连接过渡区，在抹灰砂浆涂抹、成型、固化过程中，扮演着增粘、抗流挂、抗收缩变形的重要角色;再一方面，施工工艺和养护是否到位也是影响砂浆是否空鼓的重要因素。上述三方面互为依靠，缺一不可。本文将空鼓分为施工性空鼓和收缩性空鼓进行研究。施工性空鼓是指塑性流挂以及砂浆表面收水搓平过程中产生的空鼓，收缩性空鼓是指砂浆硬化后及硬化过程中空鼓。
2.1 施工性空鼓的受力分析
在抹灰砂浆涂抹上基层墙体到抹灰砂浆失去可塑性并收水搓平过程中，墙面—砂浆界面结合力主要是范德华力，同时存在部分毛细管表面力。对于墙面而言，抹灰砂浆铺抹在墙面上的过程是一个固—气界面向固—液界面的转化，是墙面的一个润湿过程。在用接触角表示润湿性时，常以θ=90°为润湿与否的判断标准，即θ>90°为不润湿，θ<90°为润湿，接触角越小，润湿性越好。在实际预拌砂浆抹灰施工中，增大墙体基面的亲水性和疏油性、增加界面粗糙度可有效促进墙面润湿，从而提高界面结合力。因此，施工前对墙面适当洒水、清除粉尘，对油污、光滑的剪力墙面采用接触角较小的界面砂浆处理界面，并通过机械喷涂（人工甩浆）增加界面粗糙度的处理方法，均可有效增大砂浆界面结合力。
在流塑阶段，砂浆中物料成分和物相组成稳定不变时，具有较好的流动性和可塑性，在流变学中属于宾汉姆流体。宾汉姆模型中，剪切应力σ小于屈服应力τS时，流体呈现弹性体特征；当剪切应力大于τS时，流体呈现为牛顿流体。因此，砂浆的屈服应力、流变粘度、抹灰层的厚度δ以及凝结时间的快慢对砂浆在这一阶段空鼓与否具有决定性作用。当σ<τS时，砂浆内部不出现流挂。其他条件不变时，一次抹灰厚度越厚，砂浆出现流挂的风险越大。此外，提高砂浆的屈服应力，可以实现一次抹灰厚度的增加。
基层墙体提供的粘结力τ不足以抵抗砂浆的重力作用τg，或砂浆的屈服应力不足以抵抗砂浆的重力作用，又或者受外界扰动（主要是楼板运输物料过程中产生的振动）使得砂浆结构破坏时，抹灰砂浆往下流坠往往造成抹灰砂浆与界面间脱开，造成施工性空鼓。
图1 施工过程中墙体与抹灰层受力情况分析
由于施工及运输要求，一般通过缓凝剂延长砂浆的凝结时间。对于吸水性较低的混凝土墙面，当抹灰砂浆较厚且凝结时间过长时，砂浆内外表面将存在明显的强度梯度（即外干内软）。当砂浆表面硬度已达到收浆要求时，界面处砂浆往往还处于流塑阶段。此时当人工搓平砂浆时在界面上产生的剪切力叠加各种外力作用产生的合力大于界面—砂浆界面结合力时，往往导致砂浆出现整体下坠脱落或施工性空鼓。砂浆凝结时间过长不利于砂浆厚抹灰的根本原因在于砂浆本身的性能，除非减薄砂浆一次抹灰厚度，否则通过其它施工方法的改良难以根本解决施工性空鼓。凝结时间较长的湿拌砂浆不适用于当前施工工地普遍采用的一次成型抹灰施工方法，尤其对吸水率较小且表面光滑的混凝土墙面。这是工程中采用湿拌砂浆在混凝土墙面抹灰往往造成大面积空鼓的重要原因之一。
2.2 收缩性空鼓的受力分析
砂浆固化后，墙面—砂浆界面结合力主要是范德华力和机械咬合力，当结合面粗糙度达到一定程度时，界面结合力将会变为以机械咬合力为主，范德华力为辅。此时砂浆的收缩率、粘结力大小及界面表面的粗糙度是收缩性空鼓出现与否的关键因素。
如图2所示，砂浆固化产生的收缩应力（主要是化学收缩和干缩）、温差作用下产生的应力（墙面—砂浆间存在线膨胀系数的差异）及自身重力三种应力作用下产生的合力在界面上形成剪切应力（τ）。当此应力大于砂浆与墙体间的剪应粘结应力时，砂浆即出现空鼓。由于平滑的基层表面接触面积远小于粗糙的基层表面，因此，平滑的基层表面更容易出现收缩性空鼓。
当墙体基层抹灰前进行甩浆处理时，若砂浆与甩浆面的剪应粘结力大于甩浆面（点）与墙体基层的剪应粘结力，空鼓将出现在墙面与界面层间，砂浆将连同甩浆面（点）拔出。
施工造成墙体基层的起伏，或甩浆点不均匀造成的高低起伏，会在界面上产生垂直墙体方向的拉应力（στ）。当此应力大于砂浆与墙体间的拉伸粘结应力时，砂浆即出现空鼓。由于门窗洞口上下现浇的混凝土过梁施工中一般容易出现涨模，东西外墙昼夜温差较其他部位的墙体大，导致收缩性空鼓易出现在东西向的混凝土外墙和窗洞口上下现浇的混凝土过梁等部位，尤其是东西向的混凝土外墙洞口的上下部位。
图 2 硬化过程中墙体与砂浆受力情况分析
由施工性和收缩性空鼓出现的原理可知：内墙面厚抹灰不空鼓的前提条件是：砂浆对墙面具有的良好润湿性；砂浆具有良好施工性能特别是优异的抗流挂性能（较大的屈服力、良好的塑性粘度和触边性能）；砂浆在满足施工需要前提下尽可能短的凝结时间以及成型后的砂浆具有理想的粘结强度和较小的收缩率。由于生产及运输需要，湿拌砂浆一般添加有减水剂和缓凝剂，前者削弱了砂浆的抗流挂性能，后者在砂浆凝结过程中容易出现外干内软的情况。因此，厚抹灰应慎用湿拌砂浆。干混抹灰砂浆可以通过调整配合比获得良好的抗流挂性能和理想的凝结时间，使得厚抹灰的良好应用将成为可能。
5 结语
（1）本文从流体力学、界面化学和结构力学三方面分析了墙面厚抹灰预拌砂浆成型受力机理；探讨了剪力墙基层墙体、界面层砂浆和抹灰砂浆三者之间的关系对预拌砂浆成型质量的影响因素；提出了基层墙体的平整和整洁度、施工前的界面处理效果、砂浆的物理性能指标和施工工艺均是厚抹灰砂浆是否出现空鼓的决定因素，而三种之中砂浆的物理性能指标尤为重要。
（2）制备了添加剂A和稠化粉B，配制出适于厚抹灰的界面砂浆（配合比为：P.O. 42.5水泥:细砂（过2.0mm孔径筛）:添加剂A=500:494:6）和M10干混抹灰砂浆（P.O. 42.5水泥:中砂（水洗海砂，细度模数2.5）:矿物掺合料:稠化粉=150：:800:44:6）并成功应用于大量工程中。
（3）对砂浆保水率、凝结时间、抗流挂性和粘结强度等指标提出了一些建议。指出虽然加入减水剂可以改善砂浆的和易性和稠度损失，加入缓凝剂可延长砂浆凝结时间并增加砂浆的开放时间，但带来的砂浆流塑阶段的屈服应力削弱，砂浆层内外出现较大强度梯度等不利因素应引起ZF决策者和科研人员的重视。
黄照明1，张同生2，杨贤栋3，张波3，谢晓庚2，卢倩仪1，杜传健1，罗文英1
（1.中山市诚盛建材开发有限公司 广东中山 528447 ； 2.华南理工大学材料科学与工程学院 广东广州 510641；3.雅居乐地产控股有限公司 广东广州 510627）
摘要：抹灰砂浆与墙体间（特别是竖直面和下表面）极易出现空鼓，是制约墙面厚抹灰技术和预拌砂浆应用的主要原因，本文从流体力学、界面化学及结构力学三方面分阶段分析了墙面厚抹灰预拌砂浆空鼓影响因素，发现砂浆流变性能是施工空鼓的关键，而收缩率与界面粘结是影响收缩性空鼓的主要因素。基于此对界面砂浆和抹灰砂浆进行了优化，开展了大量防治厚抹灰砂浆空鼓的工程施工试验，并根据工程实际应用情况对预拌砂浆标准中部分性能指标提出了建议。
关键词：预拌砂浆，厚抹灰，空鼓，工程应用
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, 510641：3.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
1 前言
近年来，随着绿色建筑行动的实施以及建筑工地扬尘的整治，预拌砂浆由于具有绿色环保的特点在全国各地的应用已开始普及。普通预拌抹灰砂浆施工工艺要求相关规范[1,2,3]一般沿用现场搅拌砂浆的规定，即要求抹灰前清理基层并进行界面处理，砂浆按每次7~8mm厚抹灰至设计厚度（本文称为分层薄抹灰）并加强成型后的养护。尽管现阶段有大量相关文献报道了有关预拌抹灰砂浆空鼓的原因及防治方法 [4,5]，但由于种种原因，始终未能有效解决预拌砂浆空鼓问题。预拌抹灰砂浆内墙面空鼓（尤其混凝土墙面）已成为建筑行业的一大通病，带来了严重的质量纠纷并影响到预拌砂浆的推广应用。一般认为，造成空鼓的原因本质上是由于基层墙体与预拌砂浆之间的收缩率不一致，并归咎于界面砂浆处理的不达标。然而笔者认为更深层次的原因在于没有将墙体—界面层—砂浆层作为一个有机结合体，全面分析砂浆流塑—硬化过程中受力与变形之间的关系。基于此，本文将重点研究混凝土墙基层墙体、界面层砂浆和抹灰砂浆对预拌砂浆质量的影响因素及三者之间的关系，探讨施工性空鼓和收缩性空鼓的成因，调配出可应用于工程实践的满足厚抹灰的界面砂浆和抹灰砂浆，并对现行规范的个别指标提出一些建议，相关研究将有力推动预拌砂浆厚抹灰工艺的推广和成功实施。
2 墙面厚抹灰空鼓的机理分析
目前，内墙抹灰设计厚度一般为15mm或20mm，不同于商品混凝土一般沿水平面浇筑，抹灰砂浆一般附着于基层墙体的竖直面（以下讨论的抹灰砂浆特指附着于混凝土基层墙体竖直面上的情况）甚至是下表面。基层墙体、界面层砂浆和抹灰砂浆是一个有机结合体，由于劳动力短缺，抹灰工人一般为临时招聘，岗前难有系统的培训，工人基于按施工平方数计算劳务费，使得施工现场砂浆普遍为一次成型 (本文为区别于常规规范要求抹灰一次成型7~8mm厚，将常规抹灰设计厚度（15mm或20mm）一次成型称为厚抹灰），即使施工严格监管，也很难保证施工质量。厚抹灰相对于分层薄抹灰成型，一方面对砂浆施工性能、力学性能要求较高；另一方面，界面层作为砂浆层与基层的连接过渡区，在抹灰砂浆涂抹、成型、固化过程中，扮演着增粘、抗流挂、抗收缩变形的重要角色;再一方面，施工工艺和养护是否到位也是影响砂浆是否空鼓的重要因素。上述三方面互为依靠，缺一不可。本文将空鼓分为施工性空鼓和收缩性空鼓进行研究。施工性空鼓是指塑性流挂以及砂浆表面收水搓平过程中产生的空鼓，收缩性空鼓是指砂浆硬化后及硬化过程中空鼓。
2.1 施工性空鼓的受力分析
在抹灰砂浆涂抹上基层墙体到抹灰砂浆失去可塑性并收水搓平过程中，墙面—砂浆界面结合力主要是范德华力，同时存在部分毛细管表面力。对于墙面而言，抹灰砂浆铺抹在墙面上的过程是一个固—气界面向固—液界面的转化，是墙面的一个润湿过程。在用接触角表示润湿性时，常以θ=90°为润湿与否的判断标准，即θ>90°为不润湿，θ<90°为润湿，接触角越小，润湿性越好。在实际预拌砂浆抹灰施工中，增大墙体基面的亲水性和疏油性、增加界面粗糙度可有效促进墙面润湿，从而提高界面结合力。因此，施工前对墙面适当洒水、清除粉尘，对油污、光滑的剪力墙面采用接触角较小的界面砂浆处理界面，并通过机械喷涂（人工甩浆）增加界面粗糙度的处理方法，均可有效增大砂浆界面结合力。
在流塑阶段，砂浆中物料成分和物相组成稳定不变时，具有较好的流动性和可塑性，在流变学中属于宾汉姆流体。宾汉姆模型中，剪切应力σ小于屈服应力τS时，流体呈现弹性体特征；当剪切应力大于τS时，流体呈现为牛顿流体。因此，砂浆的屈服应力、流变粘度、抹灰层的厚度δ以及凝结时间的快慢对砂浆在这一阶段空鼓与否具有决定性作用。当σ<τS时，砂浆内部不出现流挂。其他条件不变时，一次抹灰厚度越厚，砂浆出现流挂的风险越大。此外，提高砂浆的屈服应力，可以实现一次抹灰厚度的增加。
基层墙体提供的粘结力τ不足以抵抗砂浆的重力作用τg，或砂浆的屈服应力不足以抵抗砂浆的重力作用，又或者受外界扰动（主要是楼板运输物料过程中产生的振动）使得砂浆结构破坏时，抹灰砂浆往下流坠往往造成抹灰砂浆与界面间脱开，造成施工性空鼓。
图1 施工过程中墙体与抹灰层受力情况分析
由于施工及运输要求，一般通过缓凝剂延长砂浆的凝结时间。对于吸水性较低的混凝土墙面，当抹灰砂浆较厚且凝结时间过长时，砂浆内外表面将存在明显的强度梯度（即外干内软）。当砂浆表面硬度已达到收浆要求时，界面处砂浆往往还处于流塑阶段。此时当人工搓平砂浆时在界面上产生的剪切力叠加各种外力作用产生的合力大于界面—砂浆界面结合力时，往往导致砂浆出现整体下坠脱落或施工性空鼓。砂浆凝结时间过长不利于砂浆厚抹灰的根本原因在于砂浆本身的性能，除非减薄砂浆一次抹灰厚度，否则通过其它施工方法的改良难以根本解决施工性空鼓。凝结时间较长的湿拌砂浆不适用于当前施工工地普遍采用的一次成型抹灰施工方法，尤其对吸水率较小且表面光滑的混凝土墙面。这是工程中采用湿拌砂浆在混凝土墙面抹灰往往造成大面积空鼓的重要原因之一。
2.2 收缩性空鼓的受力分析
砂浆固化后，墙面—砂浆界面结合力主要是范德华力和机械咬合力，当结合面粗糙度达到一定程度时，界面结合力将会变为以机械咬合力为主，范德华力为辅。此时砂浆的收缩率、粘结力大小及界面表面的粗糙度是收缩性空鼓出现与否的关键因素。
如图2所示，砂浆固化产生的收缩应力（主要是化学收缩和干缩）、温差作用下产生的应力（墙面—砂浆间存在线膨胀系数的差异）及自身重力三种应力作用下产生的合力在界面上形成剪切应力（τ）。当此应力大于砂浆与墙体间的剪应粘结应力时，砂浆即出现空鼓。由于平滑的基层表面接触面积远小于粗糙的基层表面，因此，平滑的基层表面更容易出现收缩性空鼓。
当墙体基层抹灰前进行甩浆处理时，若砂浆与甩浆面的剪应粘结力大于甩浆面（点）与墙体基层的剪应粘结力，空鼓将出现在墙面与界面层间，砂浆将连同甩浆面（点）拔出。
施工造成墙体基层的起伏，或甩浆点不均匀造成的高低起伏，会在界面上产生垂直墙体方向的拉应力（στ）。当此应力大于砂浆与墙体间的拉伸粘结应力时，砂浆即出现空鼓。由于门窗洞口上下现浇的混凝土过梁施工中一般容易出现涨模，东西外墙昼夜温差较其他部位的墙体大，导致收缩性空鼓易出现在东西向的混凝土外墙和窗洞口上下现浇的混凝土过梁等部位，尤其是东西向的混凝土外墙洞口的上下部位。
图 2 硬化过程中墙体与砂浆受力情况分析
由施工性和收缩性空鼓出现的原理可知：内墙面厚抹灰不空鼓的前提条件是：砂浆对墙面具有的良好润湿性；砂浆具有良好施工性能特别是优异的抗流挂性能（较大的屈服力、良好的塑性粘度和触边性能）；砂浆在满足施工需要前提下尽可能短的凝结时间以及成型后的砂浆具有理想的粘结强度和较小的收缩率。由于生产及运输需要，湿拌砂浆一般添加有减水剂和缓凝剂，前者削弱了砂浆的抗流挂性能，后者在砂浆凝结过程中容易出现外干内软的情况。因此，厚抹灰应慎用湿拌砂浆。干混抹灰砂浆可以通过调整配合比获得良好的抗流挂性能和理想的凝结时间，使得厚抹灰的良好应用将成为可能。
5 结语
（1）本文从流体力学、界面化学和结构力学三方面分析了墙面厚抹灰预拌砂浆成型受力机理；探讨了剪力墙基层墙体、界面层砂浆和抹灰砂浆三者之间的关系对预拌砂浆成型质量的影响因素；提出了基层墙体的平整和整洁度、施工前的界面处理效果、砂浆的物理性能指标和施工工艺均是厚抹灰砂浆是否出现空鼓的决定因素，而三种之中砂浆的物理性能指标尤为重要。
（2）制备了添加剂A和稠化粉B，配制出适于厚抹灰的界面砂浆（配合比为：P.O. 42.5水泥:细砂（过2.0mm孔径筛）:添加剂A=500:494:6）和M10干混抹灰砂浆（P.O. 42.5水泥:中砂（水洗海砂，细度模数2.5）:矿物掺合料:稠化粉=150：:800:44:6）并成功应用于大量工程中。
（3）对砂浆保水率、凝结时间、抗流挂性和粘结强度等指标提出了一些建议。指出虽然加入减水剂可以改善砂浆的和易性和稠度损失，加入缓凝剂可延长砂浆凝结时间并增加砂浆的开放时间，但带来的砂浆流塑阶段的屈服应力削弱，砂浆层内外出现较大强度梯度等不利因素应引起ZF决策者和科研人员的重视。
