云石膠壓縮剪切強(qiáng)度影響因素的探討

劉 陳，黃曉寬，嚴(yán)景恒，鐘穎詩

（廣州質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，廣東 廣州 511447）

石材是一類具有優(yōu)異的材料性能和豐富多彩的藝術(shù)效果的高檔建筑裝飾材料，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外裝飾設(shè)計(jì)和公共設(shè)施建設(shè)。石材用膠粘劑（云石膠、干掛膠）的誕生和發(fā)展使碎片化石材有效快速粘合，顯著提高建筑施工效率、美觀度和安全性能[1]。膠粘劑在石材應(yīng)用施工過程中被大量使用以固定修補(bǔ)材料，膠粘劑的質(zhì)量直接影響建筑工程安全。因此，對石材膠粘劑物理化學(xué)特性的系統(tǒng)科學(xué)檢測可在產(chǎn)品端把控其質(zhì)量，促進(jìn)相關(guān)生產(chǎn)研究企業(yè)提升水平，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

云石膠是一種以不飽和聚酯為基體的樹脂，配以促進(jìn)劑、引發(fā)劑及其他材料配制而成，起到石材定位、修補(bǔ)和粘接等非結(jié)構(gòu)承載粘合作用。云石膠的優(yōu)勢在于固化時(shí)間可控，通過調(diào)整固化劑量多少控制固化時(shí)間，便于施工調(diào)節(jié)，在石材加工制作及建筑行業(yè)應(yīng)用廣泛[2]。云石膠的性能是決定剪切強(qiáng)度大小的內(nèi)部因素，如何根據(jù)其組成來改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能以提高剪切強(qiáng)度是新型云石膠材料研發(fā)的重要課題[3]。壓縮剪切強(qiáng)度不僅是云石膠粘接強(qiáng)度檢測的重要質(zhì)量指標(biāo)，也是力學(xué)性能最基礎(chǔ)的測試項(xiàng)目之一。在實(shí)際檢測操作過程中，被粘物表面是否與膠黏劑充分潤濕、粘接工藝（表面處理、膠層厚度等）是否到位、養(yǎng)護(hù)條件是否適宜等因素都會影響云石膠壓縮剪切強(qiáng)度結(jié)果，測試難度高[5]。

本文以一種典型云石膠為對象，在JC/T 989—2016[4]標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上從表面處理、膠層厚度、粘接面積、環(huán)境濕度等因素上來分析它們對于測試剪切強(qiáng)度的影響，以期為云石膠精準(zhǔn)質(zhì)量檢測控制提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要試驗(yàn)儀器及材料

試驗(yàn)儀器：LT-JW-M-225F-4型恒溫恒濕箱，東莞利拓檢測儀器有限公司；BL-3100F-1C型電子天平，福迪威西特傳感工業(yè)控制（天津）有限公司；BT1-FR020TNA50型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，德國ZWICK公司。

材料：云石膠；濟(jì)南青（50mm×30mm×25mm）。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件：環(huán)境溫度為（23±2）℃；相對濕度為45%~55%。

1.2 剪切強(qiáng)度的測定

根據(jù)JC/T 989—2016[4]標(biāo)準(zhǔn)要求，先用游標(biāo)卡尺測得每個(gè)試件的粘接面積尺寸，將其安裝在試驗(yàn)機(jī)壓剪夾具上（保證安裝粘接面與試驗(yàn)機(jī)力線一致），以5mm/min的速度加載至試件破壞，記錄最大破壞載荷，再根據(jù)最大載荷與粘接面積的比值得出壓剪強(qiáng)度。試驗(yàn)五個(gè)試件為一組，計(jì)算5個(gè)測量值的算術(shù)平均值為最后結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 基材表面處理的影響

表面處理是指用物理或化學(xué)等方法來改變基材表面結(jié)構(gòu)形態(tài)及性質(zhì)，使膠黏劑盡可能充分潤濕基材表面來獲得理想的粘結(jié)強(qiáng)度。表面處理是大部分膠黏劑粘結(jié)工藝中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，所有的基材在加工、運(yùn)輸及儲存等過程中，表面都會出現(xiàn)類似氧化層、有機(jī)污染物層、灰層等污染層，如果不進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，將會大大影響粘結(jié)強(qiáng)度。除此之外，表面光滑也對粘結(jié)性能不利，所以也需適當(dāng)提高表面粗糙度。適當(dāng)?shù)靥岣叽植诙饶鼙砻娼佑|面積，從而提高機(jī)械嵌合力，但當(dāng)過于粗糙甚至出現(xiàn)明顯凹凸不平時(shí)，又會在凹處出現(xiàn)間隙或氣泡，在凸處貧膠，導(dǎo)致膠層不連續(xù)，從而降低強(qiáng)度[6]。

為了驗(yàn)證基材表面處理對于云石膠壓縮剪切強(qiáng)度的影響，在其他制樣及養(yǎng)護(hù)因素相同的情況下，本次試驗(yàn)對基材（濟(jì)南青）表面進(jìn)行不同方式的處理，結(jié)果如表1所示。

表1 不同表面處理方法對壓剪強(qiáng)度的影響

從表1可以看出，經(jīng)過表面處理后的強(qiáng)度要比無處理時(shí)的大，而適當(dāng)打磨后的基材表面粗糙度也有所提高，強(qiáng)度要比未打磨時(shí)稍微大，因此為了盡可能提高云石膠的粘結(jié)性能，常需對基材粘結(jié)面表面進(jìn)行清潔處理。

2.2 膠層厚度的影響

為了研究云石膠膠層厚度對壓縮剪切強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)采用不同金屬線控制厚度以及對試樣加壓，制成不同膠層厚度的5組試樣進(jìn)行對比，其試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同膠層厚度的影響

從膠層厚度方面可以看出，當(dāng)大于0.6mm時(shí)，壓縮剪切強(qiáng)度會隨著膠層厚度的增加而減小，導(dǎo)致這樣的原因是：①隨著膠層厚度的增加，膠層中的氣孔、裂縫等其他隱藏內(nèi)部缺陷會導(dǎo)致膠層內(nèi)聚強(qiáng)度迅速下降；②云石膠為雙組分固化型，其固化是一個(gè)自由基引發(fā)不飽和聚酯的碳碳雙鍵與苯乙烯類單體交聯(lián)固化的急劇放熱過程，雙鍵的斷裂致使體積急劇收縮[8]（收縮率一般達(dá)到10%以上），因此當(dāng)膠層越厚時(shí)，內(nèi)部溫度變化和膨脹等因素所引起的熱應(yīng)力、收縮力、應(yīng)力差都較大，這些都會造成強(qiáng)度損失。除此之外，由于云石膠黏度大，流動(dòng)性較差，膠層太薄（厚度小于0.4mm）很可能會出現(xiàn)缺膠現(xiàn)象，潤濕性、滲透性、均勻性較差，使膠層與基材不能緊密接觸，在受力時(shí)也會產(chǎn)生應(yīng)力集中，加速膠膜破裂，從而導(dǎo)致強(qiáng)度變低[6-7]。

因此，為了保證獲得最佳的剪切強(qiáng)度，必須要在不缺膠的情況下，盡量涂薄膠層并且施加適當(dāng)?shù)膲毫Α?/p>

2.3 石材含水率及試件養(yǎng)護(hù)的環(huán)境濕度的影響

為了探究這一影響，試驗(yàn)從石材含水率（提前對制樣前石材進(jìn)行7d不同濕度的養(yǎng)護(hù)）及制樣后養(yǎng)護(hù)的環(huán)境濕度兩方面出發(fā)，制成5組相同的養(yǎng)護(hù)環(huán)境濕度、不同含水率的石材（養(yǎng)護(hù)的環(huán)境濕度按JC/T989-2016標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行）及5組相同含水率的石材、不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境濕度下的試件，其試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 石材含水率及試件養(yǎng)護(hù)的環(huán)境濕度的影響

從石材含水率方面可以看出，壓縮剪切強(qiáng)度基本會隨含水率的上升而下降；而從養(yǎng)護(hù)的環(huán)境濕度不難發(fā)現(xiàn)，在濕度不高的情況下，強(qiáng)度基本變化不大，而當(dāng)濕度大于50%時(shí)，強(qiáng)度會隨著濕度的上升而逐漸下降。這是由于云石膠的主要成分不飽和聚酯結(jié)構(gòu)中存在許多親水性較強(qiáng)的酯鍵，在潮濕環(huán)境中主體樹脂會慢慢水解，導(dǎo)致剪切強(qiáng)度急劇降低[1、8]。因此可知，在基材含水率過高以及施工制樣養(yǎng)護(hù)過程中空氣濕度較大時(shí)，均會對云石膠的強(qiáng)度有較大影響。

2.4 粘接面積對壓縮剪切強(qiáng)度的影響

根據(jù)JC/T 989—2016[4]標(biāo)準(zhǔn)所描述的基材尺寸為（50×30×20~25）mm進(jìn)行試驗(yàn)來探討粘接面積對壓縮剪切強(qiáng)度的影響。本試驗(yàn)制成7組不同粘結(jié)面積大?。ㄕ辰Y(jié)面寬度30mm不變，長度相應(yīng)變化）大小的試件，制樣方式及養(yǎng)護(hù)條件等按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，其試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 粘接面積（粘接面長度）對壓縮剪切強(qiáng)度的影響

從表4可以看出，壓縮剪切強(qiáng)度基本會隨著粘接面積（粘接面長度小于30mm時(shí)）增加而上升，但到一定程度（粘接面長度超過30mm時(shí)）時(shí)反而稍微有所下降。這是由于應(yīng)力在粘接面的四周會更集中，當(dāng)粘接面積較小時(shí)，粘接面周圍應(yīng)力對強(qiáng)度影響比較明顯（面積越小，影響越大），而中間部分應(yīng)力的影響會隨著面積的增加相對變小，所以綜合來說，強(qiáng)度會隨著面積的增加而增大；當(dāng)粘接面積增加大一定程度時(shí)，粘接面四周應(yīng)力的影響相對減小，再加上粘接面內(nèi)部缺陷等因素的概率增加，導(dǎo)致實(shí)際強(qiáng)度反而會稍微有所下降[7]。

3 結(jié)論

綜上所述，為了獲得云石膠較為理想的壓縮剪切強(qiáng)度測試結(jié)果，在對基材進(jìn)行有效的表面處理外，需將粘接面積控制在30mm×30mm的合理范圍內(nèi)，不管是基材還是制好的試件在養(yǎng)護(hù)過程中，需要嚴(yán)格控制好環(huán)境濕度。同時(shí)，涂膠過程中遵循在不缺膠的情況下，盡量涂薄膠層并施加適當(dāng)?shù)膲毫Α?/p>