admin
现代建筑装修中, 瓷砖是地面、走道、客厅、厨房、卫生间等的主要饰面材料。使用中, 瓷砖的粘贴往往通过水泥砂浆固定于基材上, 但经常会出现瓷砖与砂浆粘结面的破坏, 造成瓷砖空鼓脱落等问题。引起这些问题有多方面的原因[1], 例如, 施工措施不当、材料本身质量问题、结构本身的变形等等。以上这些原因造成的瓷砖粘结失效, 在一些工程实例中有所体现[2- 4]。然而, 在一些工程中, 排除了这些原因, 还是出现瓷砖的脱落问题。本文通过对材料产生不同变形时瓷砖粘结剂内应力分析, 指出材料之间的变形不协调是造成瓷砖发生粘结破坏的重要原因, 并通过改善砂浆柔韧性的方法, 解决瓷砖粘结破坏的问题。
1 变形条件下粘结层的受力分析
1.1 变形的来源分析
材料的变形来源主要有湿度变化引起的湿胀和干缩作用, 温度变化引起的热胀冷缩, 基底砂浆或混凝土伴随龄期的发展产生的收缩。不同材质饰面材料及混凝土的性能见表1。
由表1 可见, 炻瓷砖、陶质砖对水的敏感性较大, 可能会有较明显的湿胀反应, 而基底材料在湿度变化时湿胀反应不明显。所以, 当这类瓷砖使用于卫生间等经常浸水的地方, 瓷砖产生的变形比基材大得多。砂浆的线膨胀系数是混凝土的2 倍左右, 是瓷砖的4 倍, 它们受相同的温度变化时, 粘结层的变形远大于瓷砖和混凝土的变形。
基层混凝土和砂浆的干缩变形也是粘结层变形差的主要来源。混凝土楼板在浇筑后的一定时期内, 随着水泥水化的进行和湿度的变化, 会发生收缩。收缩在6 个月的龄期之内非常显著, 在1～3 年的龄期内还在继续, 而且还可能与碳化收缩等产生叠加, 混凝土楼板的收缩可达0.8 mm/m。普通的水泥砂浆, 收缩更加明显, 可以达到混凝土的2～3 倍。
1.2 变形作用下的内应力分析
相对而言, 瓷砖和基底材料与粘结层刚性相差很大, 视瓷砖和基底材料为刚性材料, 而粘结剂具有一定的变形能力。假设粘结层与瓷砖、基材粘结良好, 则粘结层上、下表面具有不同的变形量( 见图1) , 此时, 粘结层中承受较大的剪应力, 剪应力τ与剪应变γ和剪切模量G 的关系见式( 1) :
τ=γG ( 1)
当粘结层本身的抗剪强度和界面抗剪粘结强度都大于最大剪应力时, 粘结体系才不至于破坏。剪应变是关于基材收缩、点的位置、砂浆层厚度的函数, 基材收缩越大, 越靠近边缘, 剪应变越大。剪切模量与材料的种类有关, 各向同性的弹性材料, 剪切模量与弹性模量E 及泊桑比v之间的关系如式( 2) 所示:
G=E /2( 1+v) ( 2)
剪应力随着剪切模量的增大而增大, 也即随着弹性模量的增大而增大。砂浆的剪切模量与剪应变不易直接由试验测出。所以对于某一点的剪应力不易直接得到。文献5 指出, 剪应力的分布可以用公式( 3) 来表示, K 表示粘结层, F 表示瓷砖:
该式体现了剪应力与上、下面变形差、瓷砖的尺寸、瓷砖的弹性模量、粘结层的厚度、剪切弹性模量间的关系。从式( 3) 中可以看出最大剪应力出现在边沿区, 随着砂浆层的剪切模量的增大而增大, 随着变形差( 与剪切变形有直接关联)的增大而增大。这些方面都与实际情况相符合。所以该式具有一定的参考价值, 同时也表明, 砂浆的剪切模量越小, 内力也越小。以上分析表明, 降低粘结层的弹性模量( 即增加柔性) , 可以减小粘结层中的作用力, 从而可以适当地降低对抗剪粘结强度的要求。所以控制弹性模量和粘结强度的合理匹配, 是解决瓷砖粘结剂粘结问题的有效办法之一。
2 改善砂浆柔性的试验研究
2.1 试验原材料
基准水泥, P.O42.5R; 砂, ISO 标准砂; 可再分散乳胶粉,50E100S、10211、FX3300( 以下简称胶粉A、胶粉B、胶粉C) ,国民淀粉化学有限公司提供( 其化学成分与性能指标见表2) ; 甲基纤维素醚(HMPC) , 分子量40 000, 德国拜耳公司生产, 适宜掺量在0.05%～0.5%, 本文采用0.3%的掺量; 橡胶粉,200 目, 浙江绿环橡胶粉体工程有限公司提供; 消泡剂, 聚醚类, 市售。
2.2 试验方法
2.2.1 砂浆拌制
采用UJZ- 15 砂浆搅拌机搅拌。先将干粉材料搅拌均匀,然后加入水搅拌。
2.2.2 养护
先由薄膜包裹, 在( 20±3) ℃的条件下养护至7 d 龄期,然后在温度( 20±3) ℃、湿度为70%左右的条件下进行养护。
2.2.3 性能测试
砂浆的抗压、抗折强度按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行测试, 抗剪粘结强度按JC/T 547—94《陶瓷墙地砖胶粘剂》进行测试, 弹性模量按JGJ 70—1990《建筑砂浆基本性能试验方法》进行测试。试验中使用的配合比如表3 所示[各试件中水泥(C) 的质量配合比均为1]。
3 结果与分析
各试样的强度试验结果见表4
3.1 胶粉种类和掺量对砂浆性能的影响
由表2 可知, 胶粉A 与胶粉B 的化学成分相同, 但乙烯含量不同, 最低成膜温度也不同, 胶粉C 除了乙烯、醋酸乙烯外, 还含有叔碳酸乙烯, 3 种胶粉都可以用于砂浆中增加粘结强度和柔性, 需试验比较三者的改性效果, 选出较理想的胶粉。
根据表3 和表4 比较掺加胶粉A 和胶粉B 的砂浆强度,可以得到:
( 1) 加胶粉A 和胶粉B 均降低了砂浆的抗压强度和抗折强度, 且掺量越大, 强度越低。胶粉A 掺量从2.5%到15.7%,14 d 抗压强度降低了49%, 抗折强度降低了34%。胶粉B 掺量从2.5%到15.7%, 抗压强度和抗折强度分别降低了44%、15%。胶粉A 对强度的不利影响更大。
( 2) 掺胶粉A 和胶粉B 都能提高砂浆的折压比, 随着掺量的增加, 折压比增大。掺量从2.5%增加到15.7%, 掺胶粉A使14 d 折压比从0.252 增长至0.327, 增长了29%; 掺胶粉B使折压比从0.221 增长至0.338, 增长了53%。随着掺量增加,胶粉B 对折压比的增长幅度更大, 说明随着掺量增加, 胶粉B 更能增加砂浆的柔性。
( 3) 14 d 抗剪粘结强度表明, 掺胶粉A 和胶粉B 均能提高砂浆的抗剪粘结强度, 并且随着掺量的增加, 提高幅度明显。胶粉掺量从2.5%增至15.7%, 胶粉B 使抗剪粘结强度从1.53 MPa 增加至1.93 MPa, 胶粉A 使抗剪粘结强度从1.26MPa 增长至1.72 MPa。掺胶粉B 比掺胶粉A 的砂浆抗剪粘结强度高。
对胶粉A 与胶粉B 的试验结果分析说明, 乙烯、醋酸乙烯共聚的胶粉, 乙烯含量低, 可能对砂浆粘结强度和柔性较更有利。
试样ES4- 1 与F2- 1 采用相同的聚合物掺量, 均为干粉总质量的5%( 见表3) 。由表4 可知, 掺胶粉C 的7 d 抗折强度比掺胶粉B 高9%, 抗压强度相差不大, 14 d 抗折强度比掺胶粉B 高26%, 抗压强度高7%。14 d 折压比掺胶粉C 比掺胶粉B 高18%, 说明掺加胶粉C 对抗压和抗折强度的降低影响小, 而且掺胶粉C 对抗折强度的影响比对抗压强度的影响更小, 所以胶粉C 具有更好的提高砂浆柔韧性的作用。比较两者的抗剪粘结强度, 后者比前者抗剪粘结强度增大5%。从2 种胶粉对抗压、抗折、折压比和抗剪粘结强度的影响对比, 说明胶粉C 对增加砂浆粘结性和柔性的效果比胶粉B 好。
比较胶粉C 与胶粉A、B, 可以得出乙烯、醋酸乙烯和叔碳酸乙烯三元共聚的胶粉对砂浆的粘结强度和柔性的改善效果更为明显, 胶粉C 是三者中对粘结强度和柔性改性效果最好的产品。
胶粉对砂浆性能的影响, 一方面是由于引气效果, 使砂浆中含有较多的气泡, 从而影响砂浆的强度; 另一方面胶粉在砂浆内部使水泥水化产物周围形成了柔性膜, 这种膜有较好的韧性, 故对抗折强度的影响小于抗压强度。胶粉对砂浆的粘结性能的增强, 通常的解释是乳胶粉形成的乳胶膜在砂浆内部水泥水化产物之间和砂浆与瓷砖接触面上形成了柔性连接, 对粘结强度有利。
3.2 灰砂比对性能的影响
比较试样F3 与F4, 只改变灰砂比, 其余配比均相同。灰砂比为1∶1.5 的砂浆比1∶2 的抗折强度与抗压强度均有提高,7 d 龄期抗折强度提高14%, 抗压强度提高12%, 14 d 龄期抗折强度提高14%, 抗压强度提高13%, 折压比略有提高。虽然提高灰砂比对强度有利, 但是, 对提高折压比效果并不明显,而且会增加水泥用量, 提高成本, 故提高灰砂比并不是提高折压比的合理办法。
3.3 掺橡胶粉对砂浆性能的影响
添加聚合物胶粉, 使砂浆的粘结强度和柔性都得到了很大的改善。为了进一步降低砂浆的弹性模量, 增加砂浆韧性,如果采用继续增大胶粉掺量的方法, 成本太高。鉴于橡胶是较有韧性的材料, 橡胶粉对砂浆或混凝土具有一定的增韧作用[6], 故试验在砂浆中掺入橡胶粉。
试样XF 是在F4 的配比基础上, 用橡胶粉代替10%的砂, 掺橡胶粉对砂浆弹性模量的影响见图2。
图2 复掺橡胶粉对砂浆弹性模量的影响
试验结果表明, 橡胶粉的掺入虽然使砂浆的抗压强度和抗折强度降低, 但折压比增大, 7 d 龄期折压比增大24%, 14 d龄期增大26%。更重要的是, 加入橡胶粉, 使弹性模量进一步从3 360 MPa 减小到1 220 MPa, 减小了64%。复掺橡胶粉和胶粉C 的弹性模量是单掺胶粉C 的1 /3 左右, 是基准砂浆的1 /5 左右, 故橡胶粉对降低砂浆弹性模量的作用比较明显。若取泊桑比v 为0.25, 瓷砖尺寸为300 mm×300 mm×7mm, 弹性模量为35 000 MPa, 砂浆层厚度为5 mm, 当基材收缩为0.25 mm/m 时, 将测得的弹性模量代入式( 2) 与式( 3)计算可得: 普通砂浆J2 产生的最大剪力达2.75 MPa, 远大于它的抗剪粘结强度1.21 MPa, 将产生破坏; 单掺胶粉的F4最大剪力2.02 MPa, 小于它的抗剪粘结强度2.27 MPa, 但安全系数不高; 当橡胶粉与胶粉复掺时, 产生的最大剪力仅1.22 MPa, 远小于其抗剪粘结强度1.79 MPa。虽然加入橡胶粉使抗剪粘结强度从2.27 MPa 降低到1.79 MPa ( 降低21%) , 但是由于弹性模量降低64%, 使剪应力降低的幅度更大( 40%) , 因此, 橡胶粉能显著提高砂浆的韧性和粘结层的抗裂能力。
4 结论
( 1) 改善砂浆的柔韧性, 可以通过变形吸收一部分能量,从而减小粘结砂浆层内应力, 使剪应力在安全的范围内, 避免发生边缘处的剪力破坏。通过合理匹配砂浆的粘结强度和弹性模量, 是提高粘结砂浆抗破坏能力的最佳途径。
( 2) 在砂浆中加入可分散性乳胶粉, 可以增加砂浆的柔性和抗剪粘结强度, 其中, 添加FX3300 的效果比较好, 掺量为5%( 干粉总量) 时, 抗剪粘结强度可达2.3 MPa, 弹性模量可降低50%左右。
( 3) 在砂浆中掺加橡胶粉, 虽会影响粘结强度, 但是它对砂浆柔韧性的增强作用显得尤为明显。橡胶粉与胶粉C 以合适的掺量复掺, 可以在保证有一定粘结强度的基础上, 大大降低砂浆的弹性模量, 从而提高粘结层的抗裂能力。
