1 试验
1.1 原材料与仪器设备
水泥:P·O42.5 水泥,其性能指标见表1;砂子:其级配见表2;填料:325 目方解石粉;羟乙基甲基纤维素,黏度40 000mPa·s;可分散胶粉:醋酸乙烯-乙烯共聚物,瓦克化学有限公司。
试验用瓷砖:符合JC/T 547—2005《陶瓷墙地砖胶粘剂》标准要求,吸水率≤0.2%,未上釉,具有平整的粘结面,尺寸为(50±2)mm×(50±2)mm,厚度4~10 mm。
试验用混凝土板:符合JC/T 547—2005 标准要求,规格为400 mm×400 mm×50 mm。
主要仪器设备:电热鼓风干燥箱,苏州德瑞普烘箱制造有限公司;水泥胶砂搅拌机,湟中东山建材开发有限公司;液压式万能试验机,济南试金集团有限公司。
1.2 试验方法
本试验主要考察瓷砖胶的拉伸粘结强度,包括原强度、耐水强度和耐热强度。主要按照JC/T 547—2005 的相关规定进行测试。
原强度测试:试样在标准试验条件下养护27 d 后,在瓷砖上粘结拉拔头,继续在标准试验条件下养护24 h 后测试原强度。
耐水强度测试:试样在标准试验条件下养护7 d 后,然后在(20±2)℃的水中养护20 d。表面擦干,在瓷砖上粘结拉拔头,7 h 后放入(20±2)℃水中,17 h 后测试耐水强度。
耐热强度测试:试样在标准试验条件下养护14 d,放置于(70±2)℃电热鼓风烘箱中14 d,然后从烘箱中取出,在瓷砖上粘结拉拔头,继续在标准条件下养护24 h 后测试耐热强度。
1.3 试验基础配方(见表3)
2 结果与分析
2.1 水泥用量对瓷砖胶拉伸粘结强度的影响
在水泥基瓷砖胶粘剂中,水泥水化生成的产物介于基层与瓷砖之间,并渗入到瓷砖背面的空隙中,起到咬合作用,从而达到粘结瓷砖的效果,这是一种化学粘结方式。在表3 基础配方的基础上对水泥用量进行调整(保持水泥与砂的总量不变),以研究水泥用量对瓷砖胶拉伸粘结强度的影响。
由图1 可见:(1)水泥用量为30%~40%时,随着水泥掺量的增加,瓷砖胶的原强度、耐水强度和耐热强度都逐渐提高。但当水泥用量达到45%时,其原强度和耐水强度的增加幅度显著降低,与此同时,其耐热强度反而降低。在一定范围内增加水泥的用量,会增加水泥水化产物C-S-H 凝胶的生成量,进而会增强胶粘剂与瓷砖的咬合作用,增强瓷砖的粘结效果。水泥用量过多会影响体积稳定性,导致后期收缩,反而不利于强度的提升。水泥用量的增加会导致瓷砖胶的刚性增大,柔韧性降低。(2)在同一水泥用量的条件下,原强度大于耐水强度,耐水强度大于耐热强度。在水泥水化良好的水泥浆体中,随着多种离子的析出,其pH 值为12.5~13.5,处于一种稳定的平衡状态,但当其长期浸泡在水中时,外界淡水的浸入,会打破其平衡状态。其中的一些物质如Ca(OH)2 会不断地溶解,产生溶出式侵蚀,从而导致结构的破坏,降低强度。对于耐热强度降低,有研究表明,钙矾石在一定的温度下脱水是导致其强度降低的主要原因。在50 ℃时,钙矾石会出现少量结晶水脱出;74 ℃下脱水相当强烈,根据X 射线的衍射分析发现,钙矾石的晶体结构发生了很大破坏。因此,在高温后瓷砖胶粘剂强度会出现显著下降。综合考虑,水泥的最佳用量为40%,此时,瓷砖胶的拉伸粘结强度原强度大于耐水强度,耐水强度大于耐热强度。
2.2 砂子级配对瓷砖胶拉伸粘结强度的影响
水泥的水化过程是一个体积收缩的过程,适当加入砂子对维持后期的体积稳定性起到至关重要的作用。在表3 基础配方中,调整水泥用量为40%、砂用量为50%,在此基础上对砂子的级配进行调整,研究砂子级配(见表4)对瓷砖胶拉伸粘结强度的影响,结果见图2。
由图2 可以看出,在一定范围内,随着砂子级配中粒径0.075~0.15 mm 砂子含量的增大,原强度、浸水强度和耐热强度都逐渐提高。砂子是一种惰性填料,不会起到增强粘结的作用。但砂子级配的调整会改善瓷砖胶粘剂的孔隙结构。砂子的级配越合理、孔隙越少,瓷砖胶粘剂的密实程度越高,其与瓷砖的粘结就会越紧密,原强度就会越高。随着内部孔隙的减少,外部水渗入瓷砖胶粘剂的通道也会逐渐减少,更加有利于维持其内部的离子浓度稳定,从而促进耐水强度的提高。瓷砖胶粘剂与瓷砖界面的粘结越紧密,咬合作用越强,也会在一定程度上促进耐热强度的提升。但当砂子的级配中细砂的比例过高时,瓷砖胶过于致密,在高温条件下,反而会降低其耐热强度。
因此,在保证水泥基瓷砖胶粘剂体积稳定性的前提下,需要对砂子的级配进行分析,选择合理的砂子级配,降低孔隙率,可以有助于提高其粘结强度。在试验范围内,砂子级配为3# 时,最有利于拉伸粘结强度的提升。
2.3 胶粉用量对瓷砖胶拉伸粘结强度的影响
可分散胶粉是水泥基瓷砖胶粘剂中的重要添加剂。在瓷砖粘结过程中,除了水泥水化产物的化学作用外,还可以通过胶粉的成膜作用直接粘结瓷砖。二者的协同作用,可以起到一定的互补。同时,胶粉具有很好的柔韧性,可以改善水泥的刚度,对外界的冲击和温度变化有一定的缓冲作用,可以改善水泥基瓷砖胶粘剂的耐久性和安全性。本实验选择市场上使用较广的醋酸乙烯-乙烯共聚物的可分散胶粉,这种胶粉有粘结强度高的特点。调整基础配方中的水泥用量为40%、砂子为3# 级配,在此基础上对胶粉用量进行调整,研究胶粉用量对瓷砖胶拉伸粘结强度的影响,结果见图3。
由图3 可以看出,随着胶粉用量的增加,瓷砖胶粘剂的原强度、耐水强度和耐热强度逐渐提高。胶粉在溶于水后逐步成膜,增强瓷砖胶粘剂与瓷砖界面的粘结力,改善界面的粘结效果,从而提高瓷砖的粘结力。随着胶粉用量的增加,瓷砖胶的整体密实性也相对增大。水在瓷砖胶粘剂中的渗透作用显著减小,离子的溶解现象受到很大的抑制,瓷砖胶粘剂在浸水后的强度损失较小。在外界温度的作用下,除了水泥石的结构破坏外,还出现另一种破坏形式。在高温条件下,基体、瓷砖胶粘剂和瓷砖的热膨胀系数不同,基体/瓷砖胶粘剂界面和瓷砖胶粘剂/瓷砖界面会出现界面裂缝,导致瓷砖胶粘剂的耐热强度急剧降低。加入适量胶粉后,瓷砖胶粘剂的柔韧性显著提高,大幅度降低界面出现裂缝的机率。此外,胶粉成膜后对水泥水化产物起到保护作用,进一步减缓水化产物的结构破坏。因此,胶粉可以显著改善水泥基瓷砖胶粘剂的原强度、耐水强度和耐热强度。在试验的范围内,当胶粉用量为3%及以上时,其耐热强度可以达到JC/T 547—2005 标准要求的1.0MPa,继续增加还可以继续提高其耐热强度。
3 结语
(1)在一定的范围内,提高瓷砖胶粘剂中的水泥用量可以提高其原强度、浸水强度和耐热强度。水泥用量以40%为最佳。
(2)在不影响瓷砖胶粘剂的体积稳定性的情况下,调整砂子的级配,增大瓷砖胶粘剂的密实度,降低孔隙率,可以很好地改善瓷砖的粘结力。在试验范围内,砂子级配为3# 时,最有利于瓷砖胶拉伸粘结强度的提升。
(3)随着胶粉用量的增加,瓷砖胶粘剂与瓷砖的界面粘结效果会显著增强,从而提高瓷砖胶的原强度和耐水强度。胶粉可以改善瓷砖胶粘剂的柔韧性,其对瓷砖胶粘剂耐热性能的提升起到了不可替代的作用。在试验的范围内,当胶粉掺量≥3%时,瓷砖胶的耐热强度可以达到JC/T 547—2005 标准要求的1.0 MPa。