單組分瓷磚背膠及粘結(jié)劑體系與玻化磚粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究

徐振東，陳兵，蘇思維

（1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.廣東巴德富新材料有限公司，廣東佛山 528322）

0 引 言

瓷磚背膠是一種新型粘結(jié)材料，涂覆于瓷磚背面，待其成膜干燥后可搭配水泥砂漿或膠粘劑使用，使空鼓、掉磚情況得到很大改善。目前單組分瓷磚背膠應(yīng)用更為普遍，主要由高分子聚合物乳液，輔以消泡劑、潤(rùn)濕分散劑、防霉劑等高性能助劑制備而成，在作用機(jī)理上分為成膜型和滲透型[1]。

李光球等[2]研究瓷磚背膠與多種粘結(jié)材料的復(fù)合使用，形成多種瓷磚鋪貼系統(tǒng)，大幅提高瓷磚與基層的粘結(jié)力和耐久性。楊洪濤等[3]研究表明，隨著單組分瓷磚背膠中乳液用量的增加，粘結(jié)系統(tǒng)的粘結(jié)強(qiáng)度也隨之提高。何俊鵬等[4]研究表明，單組分背膠的引入可以降低空鼓率，提高瓷磚鋪貼系統(tǒng)的安全性。付毅群等[5]通過(guò)?；郀t礦渣粉改性瓷磚背膠，提高浸水、凍融循環(huán)和熱老化條件下的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。然而瓷磚背膠缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，成分復(fù)雜、性能各異，仍會(huì)出現(xiàn)空鼓掉磚現(xiàn)象。目前關(guān)于瓷磚背膠與瓷磚膠粘劑的匹配性問(wèn)題以及破壞機(jī)理的研究較少。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)不同初粘性背膠、瓷磚膠粘劑厚度以及浸水時(shí)間，研究瓷磚背膠與瓷磚膠粘劑的匹配機(jī)制和破壞機(jī)理，從而探尋解決瓷磚空鼓脫落問(wèn)題的措施。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

瓷磚背膠：?jiǎn)谓M分試劑，主要由柔性乳液和水組成。乳液的主要成分是苯乙烯-丙烯酸酯共聚物（SAE）膠乳，其中包含苯乙烯（ST）、丙烯酸丁酯（BA）、丙烯酸異辛酯（EHA）等單體結(jié)構(gòu)，均為廣東巴德富新材料有限公司生產(chǎn)。瓷磚背膠的主要技術(shù)性能見表1，其中初粘性的測(cè)試方法參考GBT 4852—2002《壓敏膠粘帶初粘性試驗(yàn)方法（滾球法）》。瓷磚膠粘劑：C0 型和C1 型，其配方見表2，德高（廣州）建材有限公司生產(chǎn)。?；u：吸水率為0.1%~0.5%（煮沸法），符合GB/T 4100—2015《陶瓷磚》附錄A 要求的AⅠa 類擠壓陶瓷磚，廣東東鵬陶瓷股份有限公司生產(chǎn)。混凝土基材：符合JC/T 547—2017《陶瓷磚膠粘劑》規(guī)定要求，上海增司工貿(mào)有限公司生產(chǎn)。

表1 瓷磚背膠的主要技術(shù)性能

表2 瓷磚膠粘劑的配方

1.2 試樣制備

瓷磚粘結(jié)體系如圖1 所示，分別為C30 混凝土基材、瓷磚膠粘劑、瓷磚背膠和玻化磚。其制備參照J(rèn)C/T 547—2017，主要分為3 步：（1）將60 mm×60 mm C30 混凝土基材均勻潤(rùn)濕后在105 ℃下放置5 h，然后在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置24 h；（2）玻化磚經(jīng)清潔干燥后涂刷瓷磚背膠，將試樣置于（23±2）℃、相對(duì)濕度（50±5）%下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定時(shí)間；（3）將玻化磚切割成50 mm×50 mm 的小塊，用瓷磚膠粘劑按照單面薄貼法將其粘貼在混凝土基材上，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

圖1 瓷磚粘結(jié)體系

設(shè)計(jì)以下3 組試驗(yàn)：

（1）研究不同初粘性背膠的影響，分別設(shè)定為R0（空白樣）、R1、R2、R3。

（2）研究瓷磚膠粘劑厚度的影響，分別設(shè)定為5、8、12、15 mm。

（3）研究浸水時(shí)間的影響，分別設(shè)定為0、7、14、21 d。

第1、2 組試樣養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。第3 組試樣浸水前養(yǎng)護(hù)21 d。第1 組試樣膠粘劑為C0 和C1，第2、3 組試樣膠粘劑均為C1。

1.3 性能測(cè)試方法

瓷磚粘結(jié)體系拉伸粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試：參照J(rèn)C/T 547—2017進(jìn)行。瓷磚粘結(jié)體系養(yǎng)護(hù)27 d 后，在?；u表面涂上高強(qiáng)度粘合劑（例如環(huán)氧粘合劑），將拉拔頭粘在瓷磚上，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)24 h。待其粘結(jié)牢固后，用粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)定儀，以（250±50）N/s 的加荷速率測(cè)試體系的粘結(jié)強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同初粘性背膠對(duì)體系粘結(jié)強(qiáng)度的影響

瓷磚背膠玻璃化溫度的高低直接影響其初粘性，而初粘性是否影響背膠層與瓷磚、瓷磚膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度尚無(wú)定論。因此設(shè)置不同初粘性背膠與瓷磚膠粘劑匹配后進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同初粘性背膠與瓷磚膠粘劑匹配后的粘結(jié)強(qiáng)度

由表3 可見，瓷磚背膠的應(yīng)用使瓷磚粘結(jié)體系的粘結(jié)強(qiáng)度得到提高。當(dāng)采用R1 搭配C0 或C1 膠粘劑時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度相比R0 分別提高了26.53%和20.00%。這是由于瓷磚面和膠粘劑、水泥砂漿等粘接材料都屬于剛性材料，受外部環(huán)境影響發(fā)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)或變形收縮后，容易整體脫落[6]，單組分背膠能在剛性的膠粘劑和瓷磚之間形成了一層柔性過(guò)渡層，可以起到吸收溫度形變應(yīng)力的作用，進(jìn)而減少空鼓[4]。

隨著初粘性的提高和玻璃化溫度Tg降低，粘結(jié)強(qiáng)度的提高幅度也隨之降低。以R3 為例，搭配C0 膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度比R0 僅提高12.24%，搭配C1 膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度比R0 降低3.33%。這說(shuō)明，選擇初粘性較低或玻璃化溫度較高的背膠，可以更有效提高粘結(jié)強(qiáng)度。

對(duì)比3 種背膠與C0 和C1 匹配后的粘結(jié)強(qiáng)度，R1 與C1匹配后的粘結(jié)強(qiáng)度最高。C1 的甲酸鈣含量高于C0，Chen 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，添加甲酸鈣會(huì)加速水泥體系的水化凝結(jié)作用，導(dǎo)致其本身的強(qiáng)度建立效果較優(yōu)。此外，C1 含有的可再分散乳膠粉均勻分散于水泥-聚合物基體中，乳膠膜的形成提高了膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度[8]。

2.2 不同膠粘劑厚度對(duì)體系粘結(jié)強(qiáng)度的影響

膠粘劑粘劑厚度的變化可能導(dǎo)致其內(nèi)聚強(qiáng)度產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響粘結(jié)體系的整體強(qiáng)度。因此設(shè)置不同厚度膠粘劑（C1）與瓷磚背膠匹配后進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同厚度膠粘劑粘劑與背膠匹配后的粘結(jié)強(qiáng)度

由圖2 可見，當(dāng)C1 膠粘劑厚度為8 mm 時(shí)，背膠與膠粘劑匹配后粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到峰值。以R2 為例，當(dāng)膠粘劑厚度為8 mm 時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度為0.69 MPa，較5 mm 時(shí)提高11.29%；當(dāng)厚度為12、15 mm 時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度為0.68、0.58 MPa，較8 mm 時(shí)分別下降1.45%和15.94%。這表明，與不同類型背膠的搭配組合，膠粘劑的最佳施工厚度應(yīng)該控制在8 mm 左右?？紤]實(shí)際工程中的經(jīng)濟(jì)性和適用性，選擇R1，匹配度更高。

膠粘劑厚度為12、15 mm 時(shí)，R1、R2 與C1 匹配后的粘結(jié)強(qiáng)度與R0 相近。當(dāng)厚度為12 mm 時(shí)，R0、R1、R2 與C1 匹配時(shí)的破壞形式均為內(nèi)聚破壞（見圖3），即斷裂面產(chǎn)生在膠粘劑內(nèi)部的破壞形式，而R3 與C1 匹配后，破壞形式為界面破壞，即發(fā)生在?；u與背膠接觸面的破壞形式[8]。這表明，隨著膠粘劑厚度的不斷增加，其內(nèi)聚粘結(jié)強(qiáng)度屬于整個(gè)瓷磚粘結(jié)體系的薄弱環(huán)節(jié)，此時(shí)背膠匹配膠粘劑提高的界面粘結(jié)強(qiáng)度已無(wú)法保證體系的穩(wěn)定。

圖3 不同背膠與12 mm 厚C1 膠粘劑匹配后粘結(jié)試樣破壞斷面的狀態(tài)

2.3 不同浸水時(shí)間對(duì)體系粘結(jié)強(qiáng)度的影響

考慮實(shí)際工程中外部環(huán)境可能對(duì)瓷磚膠粘劑和瓷磚背膠產(chǎn)生影響，導(dǎo)致粘結(jié)體系內(nèi)部界面強(qiáng)度或內(nèi)聚強(qiáng)度發(fā)生變化，從而影響粘結(jié)體系的整體強(qiáng)度。通過(guò)設(shè)計(jì)不同浸水時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同浸水時(shí)間下背膠與瓷磚膠粘劑匹配后的粘結(jié)強(qiáng)度

由圖4 可見，隨浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，C1 和R1 匹配后瓷磚粘結(jié)體系的耐水性均要好于其他2 種背膠。在浸水時(shí)間為7 d的條件下，粘結(jié)強(qiáng)度分別比另外2 組試樣提高25.5%、19.55%，效果十分顯著。而浸水時(shí)間延長(zhǎng)至21 d 時(shí)，3 種試樣粘結(jié)強(qiáng)度接近。這表明，R1 的耐水性具有時(shí)效性，在工程中需考慮防水措施，后期養(yǎng)護(hù)應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間泡水。

作為對(duì)比，隨浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，R0 的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸提高。這表明，在泡水過(guò)程中，C1 的水化程度不斷增強(qiáng)，并于7 d 后趨于平穩(wěn)。Wang R 和Wang P[9]研究發(fā)現(xiàn)，共聚物膠粉在瓷磚膠粘劑中具有良好的減水和保水效果，并顯著提高瓷磚膠粘劑的韌性、收縮性能、防水質(zhì)量和抗?jié)B透能力。

背膠作為有機(jī)物在瓷磚粘結(jié)體系內(nèi)成膜，并在吸水后內(nèi)聚力不斷降低，出現(xiàn)疲勞破壞。不同類型背膠與瓷磚膠粘劑匹配后泡水15 d 試樣的斷裂面如圖5 所示。

圖5 不同類型背膠與瓷磚膠粘劑匹配后泡水15 d 試樣的斷裂面

由圖5 可見，試樣斷裂面均發(fā)生在?；u與背膠接觸面。Reyes-Mercado 等[10]研究總結(jié)，苯乙烯-丙烯酸丁酯乳膠成膜后吸水率和滲水率主要受膜形態(tài)的影響，而膜形態(tài)又由膠體間相互作用和干燥速率決定，表面粗糙度越高的薄膜表現(xiàn)出越高吸水率。由于丙烯酸增加了膠體表面電荷，從而產(chǎn)生的膠乳薄膜具有更多孔的結(jié)構(gòu)，單體的親水性也增強(qiáng)了水蒸氣的通過(guò)，最終導(dǎo)致背膠層粘結(jié)強(qiáng)度不斷損失。

2.4 粘結(jié)機(jī)理及破壞形式

單組分瓷磚背膠體系內(nèi)共有4 個(gè)物理層：混凝土基材、瓷磚膠粘劑、瓷磚背膠、?；u。4 個(gè)物理層形成3 個(gè)界面，即混凝土基材-瓷磚膠粘劑、瓷磚膠粘劑-瓷磚背膠、瓷磚背膠-?；u。界面的粘結(jié)機(jī)理主要體現(xiàn)在2 方面：一方面是機(jī)械咬合作用[11]；另一方面是粘結(jié)界面處的化學(xué)和物理粘結(jié)力[12]。瓷磚背膠依靠乳液中的高分子聚合物鏈的極性基團(tuán)、特殊官能團(tuán)能與膠粘劑發(fā)生物理及化學(xué)反應(yīng)，形成新的物理化學(xué)鏈接，提高界面間的粘結(jié)強(qiáng)度，抵消應(yīng)力釋放的同時(shí)依然有較好的層間粘結(jié)。此外，瓷磚背膠能滲入瓷磚背面的毛細(xì)孔中，形成良好的機(jī)械咬合力和分子作用力，特別是應(yīng)用于表面致密的瓷磚。

瓷磚背膠體系發(fā)生瓷磚脫粘后的破壞形式分2 種（見圖6）：一種是界面破壞，即發(fā)生在A 區(qū)域（瓷磚背膠-?；u接觸面）、B 區(qū)域（瓷磚膠粘劑-瓷磚背膠接觸面）的破壞形式；另一種為內(nèi)聚破壞，即發(fā)生在C 區(qū)域（瓷磚膠粘劑內(nèi)部）的破壞形式[8]。由于體系中背膠的施工厚度很薄，約為0.1 mm，其產(chǎn)生的內(nèi)聚破壞可以忽略不計(jì)。在拉伸粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，試件破壞后產(chǎn)生的斷裂面包含3 種類型，其中少部分試件破壞后的斷裂面僅有1 種類型。

圖6 單組分瓷磚背膠體系破壞形式示意

因此，提出與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相近的計(jì)算式：

式中：σ——瓷磚背膠體系粘結(jié)強(qiáng)度值，MPa；

σ1——瓷磚背膠-?；u界面粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；

σ2——瓷磚膠粘劑-瓷磚背膠界面粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；

σ3——瓷磚膠粘劑內(nèi)聚粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；

α1——瓷磚背膠-?；u界面破壞面積占膠粘面積的百分比；

α2——瓷磚膠粘劑-瓷磚背膠界面破壞面積占膠粘面積的百分比；

η1——瓷磚背膠-?；u界面粘結(jié)強(qiáng)度有效系數(shù)；

η2——瓷磚膠粘劑-瓷磚背膠界面粘結(jié)強(qiáng)度有效系數(shù)；

η3——瓷磚膠粘劑內(nèi)聚粘結(jié)強(qiáng)度有效系數(shù)。

式（1）中有效系數(shù)值受材料性質(zhì)、養(yǎng)護(hù)環(huán)境及試驗(yàn)規(guī)范等因素影響。

以R1 與C1 匹配的瓷磚背膠體系為例，分析瓷磚脫粘后的破壞形式發(fā)現(xiàn)，沒有發(fā)生瓷磚膠粘劑-瓷磚背膠界面破壞形式，瓷磚背膠-?；u界面破壞面積約占20%，瓷磚膠粘劑內(nèi)聚破壞面積約占80%。這一現(xiàn)象表明，該組試驗(yàn)內(nèi)，界面粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于內(nèi)聚粘結(jié)強(qiáng)度，膠粘劑內(nèi)部屬于體系的薄弱環(huán)節(jié)。此時(shí)，可取α2=0，得到計(jì)算式（2）：

考慮環(huán)境及施工等因素造成的誤差，取有效系數(shù)之和為0.9。根據(jù)該組試驗(yàn)內(nèi)試件界面破壞面積占25%和15%的數(shù)據(jù)，粘結(jié)強(qiáng)度分別為0.78、0.74 MPa，將其代入式（2）后解方程組得σ1=1.2 MPa，σ3=0.76 MPa，最終得到計(jì)算式（3）：

R1 與C1 匹配后瓷磚背膠體系粘結(jié)強(qiáng)度理論值與測(cè)量值的對(duì)比見表4，誤差率計(jì)算式為：

表4 瓷磚背膠體系粘結(jié)強(qiáng)度理論值與測(cè)量值對(duì)比

式中：δ——粘結(jié)強(qiáng)度理論值與測(cè)量值的誤差率，%；

σ——粘結(jié)強(qiáng)度理論值，MPa；

As——粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試值，MPa。

3 結(jié) 論

由表4 可見，理論值與測(cè)試值的吻合度較好。另外研究發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)強(qiáng)度隨著瓷磚背膠-玻化磚界面破壞面積占比的增大而增大，且試驗(yàn)中界面破壞占比最高的試件所測(cè)得的粘結(jié)強(qiáng)度最大。這說(shuō)明，瓷磚背膠體系在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量追求更高的界面破壞占比，減小瓷磚膠粘劑內(nèi)聚破壞占比。最佳選擇是采用更高級(jí)別的膠粘劑作為粘結(jié)材料。

（1）對(duì)于C0 及C1 或相近性能的瓷磚膠粘劑，推薦使用單組分瓷磚背膠進(jìn)行鋪貼，可以有效提高瓷磚粘結(jié)體系的粘結(jié)強(qiáng)度，提高安全性。選擇初粘性較低或玻璃化溫度較高的背膠，可以更有效提高粘結(jié)強(qiáng)度。在使用膠粘劑匹配瓷磚背膠進(jìn)行瓷磚鋪貼時(shí)，選擇C1 更合適。

（2）膠粘劑厚度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致內(nèi)聚粘結(jié)強(qiáng)度降低，成為薄弱環(huán)節(jié)，影響背膠對(duì)瓷磚粘結(jié)體系的增益。最佳施工厚度應(yīng)該控制在8 mm 左右，此時(shí)R1 與之匹配度較高。

（3）浸水后3 種瓷磚背膠的粘結(jié)性能均受影響，出現(xiàn)不同程度的降低。其中R1 相比另外2 類產(chǎn)品具有更好的耐水性，但浸水時(shí)間達(dá)到21 d 后相差不大。

（4）瓷磚背膠體系在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量追求更高的界面破壞占比，減小瓷磚膠粘劑內(nèi)聚破壞占比。最佳選擇是采用更高級(jí)別的膠粘劑作為粘結(jié)材料。