基于正交設(shè)計(jì)的陶瓷磚粘結(jié)強(qiáng)度影響因素分析*

張琨健

(1 福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 福州 350025)(2 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福州 350025)

前言

現(xiàn)有的陶瓷磚粘貼過程存在的主要工程問題是陶瓷磚發(fā)生空鼓或脫落，不僅容易造成開發(fā)商、施工單位或業(yè)主之間產(chǎn)生質(zhì)量糾紛，甚至?xí)驗(yàn)槊撀湓斐扇藛T傷亡，因此應(yīng)引起足夠的重視。從材料力學(xué)角度講，陶瓷磚的空鼓或脫落是由于陶瓷磚—陶瓷磚粘接劑—基材貼磚系統(tǒng)的內(nèi)應(yīng)力所致[1-2]。這些內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生主要來自于基材的收縮變形、溫度的變化、干濕交替等因素所產(chǎn)生的膨脹或收縮。因?yàn)椴煌牧现g彈性模量差異較大，造成各材料層線性變形不匹配，進(jìn)而新成內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)貼磚系統(tǒng)的內(nèi)應(yīng)力大于貼磚系統(tǒng)本身強(qiáng)度時(shí)，貼磚系統(tǒng)就會(huì)被破壞，陶瓷磚就會(huì)出現(xiàn)空鼓或脫落現(xiàn)象[3]。而造成貼磚系統(tǒng)強(qiáng)度不足的主要來源于基層的材料強(qiáng)度、陶瓷磚的性能、水泥或粘接砂漿的性能以及施工工藝等方面。筆者重點(diǎn)研究陶瓷磚吸水率、界面層處理工藝、晾置時(shí)間、膠粘劑粘結(jié)強(qiáng)度這幾個(gè)因素對(duì)陶瓷磚粘結(jié)強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)

選擇相同菱形背紋不同吸水率的炻瓷磚、細(xì)炻磚、炻質(zhì)磚各一批進(jìn)行試驗(yàn)，吸水率分別為0.6%、3.8%和8.5%。陶瓷磚粘貼面的磚底粉和防污劑用濕抹布擦拭干凈。采用滿貼工藝，粘接劑選擇華鴻(福建)建筑科技有限公司生產(chǎn)的Ⅰ型PA-A益膠泥，其主要性能見表1；泉州固潔建材公司生產(chǎn)的C1型瓷磚膠，其主要性能見表2。龍巖天馬新型建材有限公司生產(chǎn)的R型高強(qiáng)樹脂粘結(jié)劑，其主要性能見表3。界面劑采用福州大匠環(huán)保建筑材料有限公司生產(chǎn)的Ⅰ型界面劑，其主要性能見表4。瓷磚背膠：采用龍巖天馬新型建材有限公司提供的背膠，其標(biāo)準(zhǔn)拉伸粘結(jié)強(qiáng)度在0.8 MPa以上。粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試采用深圳萬測(cè)試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的電子拉力試驗(yàn)機(jī)，量程為0～30 kN，精度為Ⅰ級(jí)，采用專用粘結(jié)強(qiáng)度鋼頭拉拔夾具。

基層混凝土板按照J(rèn)C/T 547-2017《陶瓷磚膠粘劑》附錄A中規(guī)定制作并養(yǎng)護(hù)至28 d后備用，尺寸為400 mm×400 mm×40 mm。瓷磚試樣均采用大片瓷磚切割成50 mm×50 mm的小塊按照上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣養(yǎng)護(hù)至27 d后，用高強(qiáng)環(huán)氧樹脂粘貼鋼制拉拔頭1 d后在電子拉力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試其拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。

表1 Ⅰ型PA-A益膠泥性能

表2 C1型瓷磚膠性能

表3 R型高強(qiáng)樹脂粘結(jié)劑

表4 大匠Ⅰ型界面處理劑

選擇陶瓷磚吸水率、界面處理等級(jí)、晾置時(shí)間、膠粘劑標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)強(qiáng)度為四個(gè)研究因子。其中陶瓷磚吸水率對(duì)陶瓷磚粘結(jié)強(qiáng)度主要影響為：吸水率高的陶瓷磚，其表面毛細(xì)孔隙率較大，膠粘劑容易滲透進(jìn)入毛細(xì)孔增加粘結(jié)力。界面處理主要包括了對(duì)混凝土基板的表面處理以及瓷磚背面采用背膠作為過渡粘結(jié)層加強(qiáng)處理等方式加強(qiáng)界面粘結(jié)力，其中Ⅰ級(jí)定義為基層混凝塊且陶瓷磚背面無任何處理；Ⅱ級(jí)為基層混凝土塊表面進(jìn)行灰漿粗磨去灰；Ⅲ級(jí)為基層混凝土塊表面進(jìn)行灰漿粗磨去灰+陶瓷磚背面刷涂背膠層。晾置時(shí)間主要是考慮到膠粘劑凝結(jié)時(shí)間的快慢對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。最后膠粘劑標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)強(qiáng)度則是考慮到膠粘劑自身的粘結(jié)強(qiáng)度屬性對(duì)陶瓷磚粘結(jié)系統(tǒng)強(qiáng)度的影響。

采用4因素3水平正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，查正交設(shè)計(jì)表，L9(34)共9組比對(duì)試驗(yàn)，詳見表5和表6。

表5 因子水平編碼表

表6 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

續(xù)表6 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

為了分析說明問題的方便，引入如下定義：定義“0.6%-Ⅰ級(jí)-0 min-0.7 MPa”為試驗(yàn)用陶瓷磚為吸水率為0.6%的炻瓷磚，基層混凝土塊采?、窦?jí)界面處理，晾置時(shí)間為0 min，采用的膠粘劑為標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)強(qiáng)度為0.7 MPa的C1型瓷磚膠。同理可以得出其他試驗(yàn)組合所表征的試驗(yàn)過程。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)上述表6中的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，對(duì)9組正交試驗(yàn)的陶瓷磚粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，精確到0.01 MPa，結(jié)果如表7所示。從各試驗(yàn)組粘結(jié)強(qiáng)度結(jié)果可以看出陶瓷磚粘結(jié)強(qiáng)度差異較明顯。下面以粘結(jié)強(qiáng)度為指標(biāo)，通過直觀分析，來分析陶瓷磚吸水率、界面處理等級(jí)、晾置時(shí)間、膠粘劑標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)強(qiáng)度這四個(gè)因素對(duì)陶瓷磚粘結(jié)強(qiáng)度性能的影響。

九組試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果中以S8#號(hào)試驗(yàn)的粘結(jié)強(qiáng)度值為最高，為1.22 MPa。相應(yīng)的水平組合(A3=8.5%，B2=Ⅱ級(jí)，C1=0 min，C3=1.6 MPa)，即“8.5%-Ⅱ級(jí)-0 min-1.6 MPa”是當(dāng)前最好的水平搭配。表7中給出正交設(shè)計(jì)計(jì)算表，其中M1為A、B、C、D各因子在水平1下測(cè)試結(jié)果的平均值，類似的可以得到各因子在水平2、水平3下的測(cè)試結(jié)果平均值M2，M3。R值表示相應(yīng)因子的極差值。不同因子在各自不同水平下的測(cè)試結(jié)果的平均值見圖1中因子效應(yīng)曲線圖。

可以得到如下結(jié)論：

(1)隨著陶瓷磚吸水率的提高，其粘結(jié)強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。這主要是由于隨著陶瓷磚吸水率的提高，其表面毛細(xì)孔道增多，膠粘劑更容易滲入陶瓷磚背面微孔，增強(qiáng)粘結(jié)力。

(2)隨著界面處理等級(jí)的增加，其粘結(jié)強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。這主要是由于陶瓷磚粘結(jié)是一個(gè)系統(tǒng)構(gòu)造，包含了多個(gè)界面層的粘結(jié)，而粘結(jié)破壞往往是從最薄弱的界面開始萌生裂紋，并隨著應(yīng)力增加裂紋快速擴(kuò)展而導(dǎo)致瓷磚剝落。

(3)隨著晾置時(shí)間的延長(zhǎng)，其粘結(jié)強(qiáng)度呈顯著下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)槟z粘劑在遇水拌合后不斷凝固，若長(zhǎng)時(shí)間未與陶瓷磚結(jié)合，則其表面的膠凝材料因局部硬化未能與陶瓷磚背面有效粘接，進(jìn)而導(dǎo)致粘結(jié)力快速下降。

(4)隨著膠粘劑標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)強(qiáng)度的提高，其粘結(jié)強(qiáng)度呈快速上升趨勢(shì)。膠粘劑是陶瓷磚粘結(jié)強(qiáng)度的初始來源，因此其標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)強(qiáng)度的大小對(duì)陶瓷磚系統(tǒng)粘結(jié)強(qiáng)度影響顯著。

從圖1可以看出點(diǎn)子散布范圍大的因素是主要的，散布范圍小的是次要的。將因素對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)的影響排序其主次關(guān)系如下：

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

續(xù)表7 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 因子效應(yīng)曲線圖

3 結(jié)論

在不考慮陶瓷磚背紋紋理、磚底粉、表面殘留防污劑的影響情況下，陶瓷磚粘結(jié)強(qiáng)度的影響因素大小為：界面處理等級(jí)>膠粘劑標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)強(qiáng)度>晾置時(shí)間>陶瓷磚吸水率。隨著陶瓷磚吸水率的提高以及界面處理等級(jí)的增加，陶瓷磚粘結(jié)強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。隨著晾置時(shí)間的延長(zhǎng)，其粘結(jié)強(qiáng)度呈顯著下降趨勢(shì)；隨著膠粘劑標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)強(qiáng)度的提高，其粘結(jié)強(qiáng)度呈快速上升趨勢(shì)。本次試驗(yàn)最佳的試驗(yàn)組合為：“8.5%-Ⅱ級(jí)-0 min-1.6 MPa”，其陶瓷磚粘結(jié)強(qiáng)度為1.22 MPa。因此，要想提高陶瓷磚粘結(jié)強(qiáng)度，應(yīng)著重做好基層界面清理，合理使用瓷磚背膠，選擇合適強(qiáng)度的膠粘劑，并應(yīng)在施工現(xiàn)場(chǎng)控制好單次抹膠與瓷磚粘貼的間隔時(shí)間，確保陶瓷磚粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。