無機(jī)改性瓷磚背膠的橋接效果與粘接強(qiáng)度研究

林杰賜，陳明毅，陳炳耀，黃文靜，李旭，左燕

摘要：為提高瓷磚背膠粘接強(qiáng)度，通過使用硅酸鉀和硅溶膠對普通背膠乳液進(jìn)行無機(jī)改性，在標(biāo)準(zhǔn)、浸水、凍融及熱老化4種養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下研究不同比例的無機(jī)改性背膠乳液與瓷磚和水泥砂漿之間的粘接強(qiáng)度的影響。此外還對無機(jī)改性背膠乳液的儲存穩(wěn)定性和無機(jī)改性背膠乳液與瓷磚和水泥砂漿之間斷裂面進(jìn)行分析。結(jié)果表明：適量的硅酸鉀或硅溶膠對普通背膠乳液的粘接強(qiáng)度具有一定增強(qiáng)作用，其中25%的以硅溶膠改性的背膠乳液其增強(qiáng)效果較為顯著，且具有良好的儲存穩(wěn)定性，在現(xiàn)實中有較高的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：硅酸鉀；硅溶膠；瓷磚背膠；粘接強(qiáng)度

中圖分類號：TQ437+.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0005-04

Research on bridging effect and adhesive strength of inorganic modified ceramic tile adhesive

LIN Jieci1，CHEN Mingyi1，CHEN Bingyao2，HUANG Wenjing1，LI Xu1，ZUO Yan1

（1.GuangdongShunde Sanhe Chemical Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan 528325，Guangdong China;2.Guangdong Sanhe Chemical Technology Co.，Ltd.，Zhongshan 528429，Guangdong China）

Abstract：In order to improve the adhesive bonding strength of ceramic tile backing，by using potassium silicate and silica sol，the influence of the bonding strength between different proportions of inorganic modified back emulsion and ceramic tile and cement mortar was studied under four curing states：standard，water immersion，freeze-thaw and thermal aging.In addition，the storage stability of inorganic modified emulsion and the fracture surface between inorganic modified emulsion and ceramic tile and cement mortar were analyzed.The results showed that the appropriate amount of potassium silicate or silica sol had a certain enhanced effect on the bonding strength of ordinary emulsion，among which 25% of the silicone-sol-modified back emulsion had the most significant enhancement effect and good storage stability，which had a high application prospect in reality.

Key words：potassium silicate;silicon sol;ceramic tile back glue;bonding strength

隨著建筑內(nèi)外墻飾面的快速化發(fā)展，出現(xiàn)了大量的低吸水率甚至零吸水率、大尺寸的飾面材料，如陶瓷薄板磚、?；u、拋光磚、微晶石、人造大理石等，鋪貼材料也從水泥砂漿，發(fā)展到瓷磚膠和瓷磚背膠。由于瓷磚吸水率越來越低，粘貼面也越來越光滑致密，無法提供有效的機(jī)械嵌固[1]。采用傳統(tǒng)鋪貼更加無法滿足粘接要求，尤其是?；u、拋光磚材質(zhì)強(qiáng)度較高，對溫度變化敏感，溫差不同步，與水泥的熱膨賬系數(shù)不同，大規(guī)格瓷磚鋪貼后存在溫差應(yīng)力，季節(jié)性的溫差振蕩．會造成粘接強(qiáng)度降低，破壞磚體和基體的粘接強(qiáng)度，導(dǎo)致了瓷磚與結(jié)構(gòu)層之間就會因粘貼、結(jié)合不牢而出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象，水泥砂漿屬于剛性材料，其耐久性好但粘接強(qiáng)度不高，也無法抵御因熱脹泠縮或濕胩干縮帶來的脫落。瓷磚背膠是一種新型的瓷磚粘接材料，施工方便，配合水泥砂漿或瓷磚膠使用時，能有效增強(qiáng)對瓷磚與基材的粘接強(qiáng)度，近幾年在瓷磚鋪貼領(lǐng)域得到了大力的發(fā)展和推廣。目前的瓷磚背膠大多都是有機(jī)聚合物乳液或膠粉組成，其作用機(jī)理通常主要是利用聚合物的自身黏性及少量活性基團(tuán)來增強(qiáng)材料的粘接強(qiáng)度，在浸水和凍融后容易導(dǎo)致聚合物吸水溶脹，自身強(qiáng)度和粘接力下降[2-5]。本文通過使用硅酸鉀和硅溶膠對普通背膠乳液進(jìn)行無機(jī)改性，研究無機(jī)硅酸鹽對普通瓷磚背膠在不同條件下的粘接性能的影響，為瓷磚背膠的發(fā)展提供支持。

1實驗部分

1.1實驗材料

硅酸鹽水泥：P·O42.5，安徽海螺水泥股份有限公司；河砂：60～120目，廣州志成新材料公司；玻化磚：吸水率小于0.5%，市售；羥丙基甲基纖維素：HPMC100000S，山東赫達(dá)股份有限公司；水泥砂漿塊：70 mm×70 mm×20 mm，標(biāo)格達(dá)精密儀器（廣州）有限公司；背膠乳液：工業(yè)級；硅酸鉀溶液：工業(yè)級；硅溶膠：工業(yè)級，南源化工。

1.2實驗儀器

萬能拉力試驗機(jī)（東莞天誠）；DHL7-9053A電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏）；SFJ-400高速分散機(jī)（上海現(xiàn)代）；LRH-100CA低溫培養(yǎng)箱（上海一恒）；SGS-350B砂漿干縮養(yǎng)護(hù)箱（獻(xiàn)縣鵬翼）；NDJ-8 s旋轉(zhuǎn)黏度計（上海軒澄）。

1.3實驗步驟

1.3.1無機(jī)改性瓷磚背膠的制備

在燒杯中加入背膠乳液，在轉(zhuǎn)速300～600 r/min條件下緩慢分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%、25%的硅酸鉀，所得無機(jī)改性背膠乳液分別記為G1、G2、G3、G4、G5；緩慢加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%、20%、25%的硅溶膠，所得無機(jī)改性背膠乳液分別記為G1′、G2′、G3′、G4′、G5′；未加硅酸鉀或硅溶膠的純背膠乳液記為G0。

1.3.2粘接強(qiáng)度的測試

首先清理好的瓷磚背面，去除灰塵、脫模劑等雜物，再將上述瓷磚背膠薄刷一層瓷磚背面，然后晾置3～4 h，待其干燥后，用基準(zhǔn)水泥砂漿（m（水泥）∶m（石英砂）∶m（纖維素）：m（水）=1 000∶1 000∶4∶200）進(jìn)行粘貼。然后按照 JC/T 547—2017有關(guān)原粘接強(qiáng)度、浸水后、熱老化和凍融后的粘接強(qiáng)度的相關(guān)養(yǎng)護(hù)要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后進(jìn)行粘接強(qiáng)度測試。

1.3.3儲存穩(wěn)定性測試

熱儲穩(wěn)定性：取適量樣品與容器中，在50 ℃烘箱中放置15 d，然后觀察其狀態(tài)及黏度變化情況。

凍融穩(wěn)定性：按照GB/T 9268—2008中的A法進(jìn)行3次循環(huán)測試，然后觀察其狀態(tài)變化情況。

2結(jié)果與討論

2.1標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的粘接強(qiáng)度

硅酸鉀與硅溶膠的含量與粘接強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖1所示。

由圖1可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下，當(dāng)背膠乳液中加入硅酸鉀，改性后瓷磚背膠的粘接強(qiáng)度得到了一定幅度的提高。無機(jī)改性瓷磚背膠的粘接強(qiáng)度隨硅酸鉀添加量的增加呈先增加后下降的趨勢；當(dāng)添加量達(dá)20%硅酸鉀時，粘接強(qiáng)度增至最大1.187 MPa，與不含硅酸鉀的瓷磚背膠相比，其粘接強(qiáng)度提升了60.8%。在加入硅溶膠之后，瓷磚背膠的粘接強(qiáng)度隨硅溶膠添加量的增加而增加，當(dāng)硅溶膠的添加量達(dá)25%時，粘接強(qiáng)度高達(dá)1.413 MPa，與未改性的瓷磚背膠相比，強(qiáng)度提升了約91.5%。

硅酸鉀/硅溶膠之所以能夠提高瓷磚背膠乳液的粘接強(qiáng)度，其原因可能是納米級的硅酸鉀/硅溶膠可以滲透到瓷磚表面的孔隙中，且與瓷磚發(fā)生化學(xué)鍵合，生成的產(chǎn)物沉積在孔隙中和瓷磚牢固結(jié)合，即改性后的瓷磚背膠與瓷磚的結(jié)合不僅有有機(jī)聚合物提供的物理粘接力，還有牢固的化學(xué)結(jié)合，能夠使背膠與瓷磚間產(chǎn)生更大的附著力[6]。此外，硅酸鉀/硅溶膠也為硅酸鹽水泥提供了化學(xué)結(jié)合的活性點，相較于單純以有機(jī)樹脂為主要成分的瓷磚背膠，通過硅酸鉀/硅溶膠改性的瓷磚背膠更能在瓷磚與水泥砂漿之間起到良好的橋接作用。隨著硅酸鉀/硅溶膠添加量的增加，瓷磚背膠的橋接效果更為明顯，粘接強(qiáng)度的增效更加顯著[7-8]。

2.2浸水養(yǎng)護(hù)條件下的粘接強(qiáng)度

圖2為經(jīng)過浸水養(yǎng)護(hù)后各試樣的粘接強(qiáng)度。

由圖2可知，對比圖1可以發(fā)現(xiàn)，浸水之后，未經(jīng)無機(jī)改性的瓷磚背膠的粘接強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的粘接強(qiáng)度下降了28%；而由5%硅酸鉀/硅溶膠改性的瓷磚背膠的粘接強(qiáng)度則分別下降了18%和19%。當(dāng)瓷磚背膠中硅酸鉀/硅溶膠的添加量達(dá)10%，浸水后的粘接強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的粘接強(qiáng)度基本持平。隨著瓷磚背膠中硅酸鉀/硅溶膠含量的增加，浸水后的粘接強(qiáng)度開始從下降逐漸轉(zhuǎn)為增強(qiáng)。這是由于瓷磚背膠主要是利用聚合物的自身粘性及少量活性基團(tuán)來增強(qiáng)材料的粘接強(qiáng)度，當(dāng)其受到水的入侵，提供粘接作用的聚合物膜的形態(tài)發(fā)生了溶脹，聚合物強(qiáng)度下降，化學(xué)與物理粘接力下降[9-12]，進(jìn)而粘接強(qiáng)度下降。通過無機(jī)改性的瓷磚背膠能與瓷磚與水泥砂漿之間形成良好的化學(xué)結(jié)合，同時水泥在浸水環(huán)境條件下充分水化，從而粘接強(qiáng)度增強(qiáng)；這在一定程度上彌補(bǔ)了聚合物遇水溶脹造成的缺陷，整體上提高了粘接強(qiáng)度。

2.3熱老化養(yǎng)護(hù)條件下的粘接強(qiáng)度

圖3是經(jīng)過熱老化養(yǎng)護(hù)后各試樣的粘接強(qiáng)度。

由圖3可知，在高溫養(yǎng)護(hù)下，未改性的瓷磚背膠的粘接強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下增強(qiáng)了66.8%。隨著瓷磚背膠中硅酸鉀/硅溶膠的增加，聚合物含量減少，粘接強(qiáng)度呈現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)的趨勢，對比15%硅酸鉀/硅溶膠改性的瓷磚背膠在熱老化后和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的粘接強(qiáng)度，分別下降了10%和4%，這可能是由于高溫狀態(tài)下水泥干燥過快，水化不充分導(dǎo)致其強(qiáng)度減弱。根據(jù)JC/T 547—2017關(guān)于熱老化養(yǎng)護(hù)的規(guī)定，試件先在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)14 d，之后高溫養(yǎng)護(hù)14 d。在最初的14 d，水泥砂漿的強(qiáng)度快速的增長，之后強(qiáng)度增長速率緩慢[15-16]。這表明在進(jìn)行高溫養(yǎng)護(hù)時，水泥砂漿已具有較高的強(qiáng)度，加之瓷磚背膠中的聚合物和硅酸鉀/硅溶膠的增效，所以后續(xù)高溫所導(dǎo)致的水化不充分對試件的整體粘接強(qiáng)度影響并不嚴(yán)重。

2.4凍融養(yǎng)護(hù)條件下的粘接強(qiáng)度

圖4為經(jīng)過凍融養(yǎng)護(hù)后各試樣的粘接強(qiáng)度。

由圖4可知，在經(jīng)過浸水、凍結(jié)和解凍的多次循環(huán)之后，各試樣的粘接強(qiáng)度都有明顯的下降。這是由于凍融環(huán)境下晶體膨脹和收縮的反復(fù)作用，降低了聚合物膜的柔韌性，此時粘接強(qiáng)度比浸水時粘接強(qiáng)度略低[17]。同時，在降溫過程中，加劇瓷磚與砂漿的相對變形、加速界面損傷的萌生和擴(kuò)展，使得損傷面積和脫粘面積分別增加[18]。

2.5無機(jī)改性瓷磚背膠的穩(wěn)定性

因為硅酸鉀、硅溶膠等無機(jī)成膜物質(zhì)具有較高的反應(yīng)活性[19]，儲存穩(wěn)定性一直以來都是其一項至關(guān)重要的指標(biāo)。表1為無機(jī)改性瓷磚背膠的儲存穩(wěn)定性測試情況。

定性無異常無異常無異常無異常無異常無異常無異常無異常無異常無異常無異常由表1可知，隨著瓷磚背膠中硅酸鉀/硅溶膠的增加，熱儲后黏度變化幅度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。相較于硅酸鉀，硅溶膠與所用的背膠乳液之間有更好的相適性，復(fù)配后具有良好的儲存穩(wěn)定性。而硅酸鉀活性比硅溶膠更高，在經(jīng)過15 d的熱儲之后有一定程度的增稠，且當(dāng)硅酸鉀達(dá)到15%時，增稠最明顯。

2.6無機(jī)改性瓷磚背膠的斷裂面分析

圖5為無機(jī)改性瓷磚背膠在拉伸斷裂面的形態(tài)。

由圖5可知，未改性的瓷磚背膠的拉伸斷裂面是比較干凈的，背膠固化形成聚合物薄膜較為完整的粘接在水泥砂漿層。而隨著無機(jī)硅酸鹽的加入，拉伸斷裂面逐漸發(fā)生變化，從未改性的背膠-瓷磚之間的界面破壞逐漸變成水泥砂漿層的內(nèi)聚破壞以及水泥砂漿層與水泥砂漿塊之間的界面破壞。由此可見，經(jīng)過無機(jī)硅酸鹽的改性之后，瓷磚背膠與瓷磚的粘接力逐漸增加，慢慢大過水泥砂漿自身的內(nèi)聚力和水泥砂漿層與水泥砂漿塊之間粘接力。

3結(jié)語

通過使用硅酸鉀和硅溶膠對普通背膠乳液進(jìn)行無機(jī)改性發(fā)現(xiàn)，硅酸鉀/硅溶膠改性的瓷磚背膠更能在瓷磚與水泥砂漿之間起到良好的橋接作用，且隨著添加量的增加，瓷磚背膠的橋接效果更為明顯，粘接強(qiáng)度的增效更加顯著。這在一定程度上彌補(bǔ)了聚合物遇水溶脹、高溫下水化不充分以及凍融下造成的缺陷，整體上提高了粘接強(qiáng)度。此外，硅溶膠改性瓷磚背膠較之硅酸鉀有更好的增強(qiáng)效果和儲存穩(wěn)定性，在實際應(yīng)用中具有良好的前景。

【參考文獻(xiàn)】

［1］陳劍偉，李鴻堅，楊燦.瓷磚背膠的應(yīng)用力學(xué)性能研究[J].中國膠粘劑，2017，26（12）：38-41.

[2]李光球，陳曉龍，郭一鋒.瓷磚背膠在瓷磚鋪貼系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].新型建筑材料，2016，43（9）：69-72.

[3]彭剛陽.硅酸鉀/硅溶膠基水性無機(jī)涂料的制備與性能[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[4]黃金玉.丙烯酸乳液改性瓷磚粘結(jié)劑的研究[J].墻材革新與建筑節(jié)能，2009（8）：47-49.

[5]武海龍.瓷磚粘結(jié)砂漿的配制及性能研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

[6]徐鋒.改性硅酸鹽無機(jī)膠粘劑的制備及性能研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

[7]潘慧銘，黃素娟.表面、界面的作用與粘接機(jī)理（三）[J].粘接，2003，24（4）：37-42.

[8]陳秀琴，安麗思，顧學(xué)民.硅酸鹽無機(jī)粘合劑的固化機(jī)理探討[J].粘接，1990，11（4）：5-8.

[9]JENNI A，ZURBRIGGEN R，HOLZER L，et al.Changes in microstructures and physical properties of polymer-modified mortars during wet storage[J].Cement and Concrete Research，2006，36（1）：79-90.

[10]PASCAL S，ALLICHE A，PILVIN P.Mechanical behavior of polymer modified mortars[J].Materials Science and Engineering，2004，380（1-2）：1-8.

[11]龔瑾.礦物摻合料對瓷磚背膠持續(xù)齡期的耐候性影響研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2020.

[12]羅建光，李玉海.水泥基陶瓷磚膠粘劑在水養(yǎng)護(hù)過程中拉拔強(qiáng)度變化趨勢淺析[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2022，20（8）：1-3.

[13]余璇，廖國勝，付毅群，等.瓷磚粘接材料的力學(xué)性能研究[J].中國膠粘劑，2020，29（1）：41-44.

[14]王復(fù)星，李國忠，陳娟.外加劑對再生細(xì)骨料水泥砂漿性能的影響[J].磚瓦，2014（2）：51-53.

[15]范偉麗.養(yǎng)護(hù)條件對混凝土強(qiáng)度及耐久性的影響[J].河南水利，2006（5）：21-22.

[16]吳英淑，郭文.不同養(yǎng)護(hù)條件對混凝土強(qiáng)度的影響[J].黑龍江科技信息，2010（2）：292-292.

[17]黎凡.養(yǎng)護(hù)條件對水泥基陶瓷磚粘結(jié)劑性能的影響及其機(jī)理[J].廣東建材，2011，27 （10）：97-99.

[18]吳楷，張艷榮，孔祥明，等.基于疲勞內(nèi)聚力模型的瓷磚-砂漿界面溫度疲勞特性分析[J].建筑材料學(xué)報，2023，26 （4）：403-411.

[19]田和保，張超燦，吳立力.硅溶膠與硅酸鉀（鈉）混合物體系單組分涂料的穩(wěn)定性[J].涂料工業(yè)，2010，40（6）：13-17.