聚合物對水泥基瓷磚膠粘結(jié)強(qiáng)度及耐久性能影響研究

摘 要：本文研究了在自然環(huán)境、浸水環(huán)境、熱老化環(huán)境及凍融環(huán)境下，使用偏高嶺土、硅灰取代瓷磚膠中的水泥及不同聚合物摻量對瓷磚膠粘結(jié)強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：5%摻量的可再分散乳膠粉可以提升瓷磚膠的粘結(jié)強(qiáng)度、耐水性能、熱老化性能及抗凍融性能；隨著纖維素醚摻量的增加，瓷磚膠粘結(jié)強(qiáng)度與熱老化性能提升，但耐水性能提升不大，甚至有害于抗凍融性能；隨著甲酸鈣摻量的增加，瓷磚膠粘結(jié)強(qiáng)度與熱老化性能提升，但抗凍融性能及耐水性能卻在降低。

關(guān)鍵詞：纖維素醚；可再分散乳膠粉；甲酸鈣；耐久性能；粘結(jié)強(qiáng)度

1 背景

瓷磚膠是一種用于粘貼瓷磚的現(xiàn)代裝修材料，被應(yīng)用于不同建筑的不同部位。而高層建筑外墻的瓷磚膠長期暴露于自然環(huán)境中，會遭受雨水、高溫及凍融等損害，造成瓷磚脫落、翹曲變形等一系列問題，危害結(jié)構(gòu)安全，這對瓷磚膠的耐久性能提出了更高的要求。

通過往瓷磚膠中加入聚合物來提升其性能，一般為乳膠粉[1-2]、纖維素醚[3]、淀粉醚[4]、甲酸鈣[5]等，聚合物的使用可以提升瓷磚膠粘結(jié)性能以及力學(xué)性能，延長瓷磚的使用壽命。王瑾等[6-7]研究了不同摻量的可再分散乳膠粉對水泥基瓷磚膠自然條件下拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響。發(fā)現(xiàn)乳膠粉的摻量不應(yīng)小于配方總質(zhì)量的1%，其最佳用量控制在2%～4%最為合適。另外，在水泥基瓷磚膠中摻入適量的可再分散乳膠粉有利于提高瓷磚膠浸水處理和熱老化處理后的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。同時，不同種類的可再分散乳膠粉對水泥基瓷磚膠拉伸粘結(jié)性能影響以及耐久性能也不同，摻入PVA[8]、VINNAPAS 8620E三元共聚可再分散乳膠粉[9]，可以提升水泥基瓷磚膠常溫下的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。除了可再分散乳膠粉之外，纖維素醚也是一種常用的水泥基瓷磚膠添加劑。Pawe1 Pichniarczyk[10]等人研究了不同粘度的纖維素醚對水泥基瓷磚膠性能以及機(jī)理的影響。使用低粘度的纖維素醚，水泥基瓷磚膠的性能無法滿足規(guī)范要求，當(dāng)添加中等粘度的纖維素醚時，瓷磚膠的性能最為優(yōu)異，王恒煜等人的研究也得出了這一結(jié)果[2]。利用礦物摻合料來替代水泥基瓷磚膠中的水泥成為近年來的一個研究趨勢。董峰亮等[11]利用粉煤灰取代瓷磚膠部分水泥，研究對瓷磚膠性能的影響，當(dāng)使用粉煤灰以50%的取代量替代水泥時，水泥基瓷磚膠的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度可達(dá)最優(yōu)。范郭城等[12]研究了礦粉和偏高嶺土對水泥基瓷磚膠性能的影響，發(fā)現(xiàn)使用礦粉、偏高嶺土單摻或復(fù)摻均可顯著提高其浸水后的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，其中，礦粉與偏高嶺土在復(fù)摻時，總摻量為6%對瓷磚kfGSAzLccnuAVzJ5K5p0AA==膠粘結(jié)強(qiáng)度最優(yōu)。

通過以上聚合物以及礦物摻合料調(diào)整的水泥基瓷磚膠，大部分研究集中于瓷磚膠經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)后的粘結(jié)強(qiáng)度，少數(shù)瓷磚膠耐久性能研究也是在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。本文通過使用硅灰和偏高嶺土替代水泥基瓷磚膠中的水泥，使用可再分散乳膠粉、纖維素醚以及甲酸鈣對水泥基瓷磚膠進(jìn)行改性，研究其經(jīng)自然環(huán)境、不同溫度浸水和熱老化環(huán)境，以及凍融循環(huán)環(huán)境養(yǎng)護(hù)后的拉伸粘結(jié)性能，為高性能聚合物改性水泥基瓷磚膠的研發(fā)制備提供理論依據(jù)。

2試驗(yàn)

2.1原材料

水泥：海螺牌P·O42.5硅酸鹽水泥，主要性能見表1；硅灰：由Elkem公司提供，其比表面積為21.36 m2/g，密度為2000 kg/m3；偏高嶺土：產(chǎn)自鞏義市歐尚耐材有限公司純白色偏高嶺土；砂：采用河南初燦環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的石英砂，粒徑級配范圍為40-70目、70-140目；纖維素醚：山東天盛纖維素股份有限公司，粘度為75 Pa·s的甲基纖維素醚；膠粉：乙烯-醋酸乙烯共聚物，4010N瓦克公司可再分散乳膠粉；早強(qiáng)劑：甲酸鈣，山東凱米科化工股份有限公司；水：自來水。

2.2試驗(yàn)方法

瓷磚膠拉伸粘結(jié)強(qiáng)度試樣的制備參照J(rèn)C/T 547-2017，在環(huán)境溫度23 ± 2℃、相對濕度50 ± 5%，且試驗(yàn)區(qū)循環(huán)風(fēng)速小于0.2 m/s的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)27 d后進(jìn)行拉伸粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，拉拔儀器使用萬詳中工WX-6000C 拉拔儀；耐水性試驗(yàn)先將試件置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7 d，之后浸入溫度為23℃的水中，浸泡20 d；除此之外，浸入溫度為50℃的水中20 d，浸泡規(guī)定時間后，將試件從水中取出測試?yán)煺辰Y(jié)強(qiáng)度，試驗(yàn)儀器使用紹興上虞詳達(dá)儀器制造有限公司的電熱恒水浴槽；熱老化試驗(yàn)先將試件置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)14 d，然后將試件置于70℃的烘箱中14 d，置于100℃的烘箱中14 d，高溫養(yǎng)護(hù)規(guī)定時間后，將試件從烘箱中取出測試?yán)煺辰Y(jié)強(qiáng)度，試驗(yàn)儀器使用上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司的烘箱；凍融試驗(yàn)先將試件置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7 d，然后將試件浸入23±2℃的水中養(yǎng)護(hù)21 d。之后進(jìn)行高溫15±3℃，低溫-15±3℃凍融循環(huán)，試驗(yàn)儀器使用天津港源試驗(yàn)儀器廠的全自動低溫凍融試驗(yàn)機(jī)，凍融循環(huán)25次后測試砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。

2.3配合比

研究包括6種瓷磚膠配合比。C-0為基準(zhǔn)配合比組，CR-5表示乳膠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，CF-0.3表示纖維素醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，CJ-0.75表示甲酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%，以此類推。采用乳膠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、5%；甲酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、0.75%、1%；纖維素醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、0.3%、0.4%。具體配合比如表2所示。

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1拉伸粘結(jié)強(qiáng)度

圖1為不同可再分散乳膠粉摻量（2%、5%）、不同纖維素醚摻量（0.2%、0.3%、0.4%）、不同甲酸鈣摻量（0.5%、0.75%、1.0%）瓷磚膠28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。由圖可以看出，瓷磚膠的粘結(jié)強(qiáng)度隨著聚合物摻量的增加而增加。隨著可再分散乳膠粉、纖維素醚和甲酸鈣摻量的增加，瓷磚膠的粘結(jié)強(qiáng)度分別增大了21.4%、35%以及21.1%。在三種聚合物瓷磚膠的六個配合比中，其中可再分散乳膠粉摻量為5%的CR-5組拉伸粘結(jié)強(qiáng)度最大，為3.4MPa；甲酸鈣摻量為0.75%的CJ-0.75組拉伸粘結(jié)強(qiáng)度最小，為1.9MPa。

由此可以看出，可再分散乳膠粉、纖維素醚以及甲酸鈣的摻入可以提升砂漿28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，其中纖維素醚摻量的增加對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的提升效果最好，但強(qiáng)度不是最高；纖維素醚具有引氣作用，使砂漿漿體的含氣量增加，另外，纖維素醚能夠吸收砂漿漿體內(nèi)部的自由水使其自身體積膨脹增大，當(dāng)其失水后會產(chǎn)生氣孔，增加砂漿漿體孔隙率，降低結(jié)構(gòu)密實(shí)性[13-14]，因此對強(qiáng)度提升效果并不明顯。可再分散乳膠粉與甲酸鈣摻量的增加，對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的提升效果相似，但比纖維素醚的強(qiáng)度提升效果差，摻入可再分散乳膠粉的砂漿強(qiáng)度最高。一方面，可再分散乳膠粉能夠在試驗(yàn)基材板與砂漿漿體之間形成粘性膜，增加砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度[15-16]，另外，可再分散乳膠粉也能夠在砂漿漿體內(nèi)部空隙處以及裂縫處形成粘性薄膜，使得水化產(chǎn)物與集料之間的連接更緊密，提高漿體密實(shí)度[17]，從而提高砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。甲酸鈣能夠提升砂漿3 d、7 d等早期粘結(jié)強(qiáng)度，而對砂漿28 d粘結(jié)強(qiáng)度的影響不大[18]。

3.2耐水性能

圖2為聚合物瓷磚膠在自然環(huán)境下、23℃浸水環(huán)境下、50℃浸水環(huán)境下的28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。由圖可以看出，隨著聚合物摻量的增加，在自然環(huán)境下，瓷磚膠28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度也隨之增大。在23℃浸水環(huán)境中，只有在乳膠粉試驗(yàn)組中，瓷磚膠粘結(jié)強(qiáng)度隨著乳膠粉摻量的增加而增加；而纖維素醚摻量的增加，并沒有引起瓷磚膠粘結(jié)強(qiáng)度的變化；并且隨著甲酸鈣摻量的增加，砂漿粘結(jié)強(qiáng)度反而在減小，減小了16.7%。在50℃浸水環(huán)境中，隨著乳膠粉和纖維素醚摻量的增加，砂漿粘結(jié)強(qiáng)度在增大，分別增大了11.5%和6.9%；而隨著甲酸鈣摻量的增加，砂漿粘結(jié)強(qiáng)度卻在降低，降低了3.6%。由此可以看出，在自然環(huán)境中，三種聚合物對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度都有增益作用；在23℃和50℃浸水環(huán)境中，乳膠粉對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度有增益作用，而甲酸鈣的摻入?yún)s不利于砂漿粘結(jié)強(qiáng)度；纖維素醚可以提高瓷磚膠在50℃浸水環(huán)境中的粘結(jié)強(qiáng)度，但強(qiáng)度增加幅度不大。2e9ef688f1e3349711a6ce93d4cc4e4e0d8c90bf5fd17a6b7f846f31c15dc072

另外，在乳膠粉試驗(yàn)組中，23℃和50℃浸水環(huán)境對瓷磚膠的強(qiáng)度不利，隨著浸水環(huán)境溫度的升高，C-0組和CR-5組瓷磚膠的強(qiáng)度分別降低了約60%和10%。在纖維素醚試驗(yàn)組中，23℃浸水環(huán)境對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度不利，而50℃浸水環(huán)境能夠提高砂漿粘約30%的粘結(jié)強(qiáng)度。在甲酸鈣試驗(yàn)組中，23℃浸水環(huán)境同樣會降低砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，50℃浸水環(huán)境能夠提升約32.4%粘結(jié)強(qiáng)度。由此可以看出，23℃浸水環(huán)境并不利于聚合物瓷磚膠粘結(jié)強(qiáng)度的發(fā)展，50℃浸水環(huán)境不利于乳膠粉試驗(yàn)組砂漿粘結(jié)強(qiáng)度，但影響不大，但提升了纖維素醚組與甲酸鈣組砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度。在50℃浸水環(huán)境中，水通過漿體孔隙進(jìn)入內(nèi)部，并且在50℃高溫下，促進(jìn)未水化水泥顆粒的水化，砂漿內(nèi)部孔隙被水化產(chǎn)物填充從而使得基體更為密實(shí)，提高砂漿粘結(jié)強(qiáng)度。

3.3熱老化性能

圖3為聚合物瓷磚膠在自然環(huán)境、70℃熱老化環(huán)境以及100℃熱老化環(huán)境下28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。由圖可以看出，在三種環(huán)境中，瓷磚膠的粘結(jié)強(qiáng)度隨著聚合物摻量的增加而增加。在70℃熱老化環(huán)境下，可再分散乳膠粉、纖維素醚以及甲酸鈣試驗(yàn)組，粘結(jié)強(qiáng)度分別增大了22.7%、 26.3%以及 33.3%；在100℃熱老化環(huán)境下，分別增大了5.3%、 23.5%以及 36.4%。由此可以看出，砂漿結(jié)合使用可再分散乳膠粉、纖維素醚以及甲酸鈣，可以提升其熱老化性能，其中甲酸鈣對瓷磚膠粘結(jié)強(qiáng)度的提升效果最好。

另外，在每個配比試驗(yàn)組中，瓷磚膠的粘結(jié)強(qiáng)度都隨著環(huán)境溫度的升高而降低，100℃的環(huán)境溫度對瓷磚膠的強(qiáng)度損傷最嚴(yán)重，在100℃高溫環(huán)境中，水泥砂漿漿體內(nèi)部的C-S-H水化產(chǎn)物會高溫分解，在漿體內(nèi)部產(chǎn)生熱裂紋和孔洞，并且部分氫氧化鈣產(chǎn)物也會分解，從而使得硬化砂漿漿體結(jié)構(gòu)疏松，降低其粘結(jié)強(qiáng)度[19]。其中在CR-5試驗(yàn)組中，環(huán)境溫度由常溫升高到70℃與100℃，強(qiáng)度降低了約41%、21%，是六個配合比中強(qiáng)度降低最大的，可再分散乳膠粉在砂漿內(nèi)部形成的“殼-核”結(jié)構(gòu)，其保護(hù)膠體“殼”極易在高溫環(huán)境中受熱分解，從而使得在水化產(chǎn)物之間形成的粘性膜破壞，產(chǎn)生裂紋，降低砂漿粘結(jié)強(qiáng)度，從而可見，可再分散乳膠粉對砂漿抗熱老化性能的提升不如纖維素醚與甲酸鈣[20]。

3.4 抗凍融性能

圖4為聚合物瓷磚膠在凍融環(huán)境下28d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。由圖可以看出，在凍融循環(huán)環(huán)境下，瓷磚膠粘結(jié)強(qiáng)度隨可再分散乳膠粉摻量的增加而增加，增大了25%；隨纖維素醚摻量的增加而減少，減少了20%；而甲酸鈣摻量的變化并沒有引起瓷磚膠粘結(jié)強(qiáng)度的變化。可以看出，可再分散乳膠粉可以提高砂漿抗凍融性能，而纖維素醚與甲酸鈣并不能提升砂漿抗凍融性能，甚至?xí)档推湔辰Y(jié)強(qiáng)度。

養(yǎng)護(hù)環(huán)境由自然環(huán)境變?yōu)閮鋈谘h(huán)環(huán)境，六個配比中砂漿強(qiáng)度都顯著降低，在CJ-1試驗(yàn)組中砂漿強(qiáng)度降低最大，降低了73.9%?？梢钥闯觯啾扔跓崂匣c耐水環(huán)境，凍融循環(huán)環(huán)境對砂漿強(qiáng)度損傷顯著。在砂漿漿體內(nèi)部存在大量可結(jié)冰的毛細(xì)孔，孔溶液在凍融環(huán)境下結(jié)冰膨脹，從而使得孔壁產(chǎn)生裂縫，破壞漿體結(jié)構(gòu)；可再分散乳膠粉、纖維素醚以及甲酸鈣聚合物的摻入，使得孔溶液中鹽的濃度升高，在已結(jié)冰的孔中，周圍未凍溶液中的鹽濃度升高，形成濃度差，使得孔溶液向周圍遷移，在遷移的過程中形成靜水壓力[21]。因而凍融環(huán)境對瓷磚膠強(qiáng)度的損害嚴(yán)重，但經(jīng)凍融循環(huán)后的瓷磚膠粘結(jié)強(qiáng)度都在0.5MPa以上。

4 結(jié)論

（1）可再分散乳膠粉、纖維素醚以及甲酸鈣的摻入可以提升砂漿28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，其中纖維素醚摻量的增加對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的提升效果最好。

（2）在23℃和50℃浸水環(huán)境中，乳膠粉對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度有增益作用，而甲酸鈣卻在降低砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度；纖維素醚在23℃浸水環(huán)境中對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度沒有影響，而在50℃浸水環(huán)境中能夠提高其粘結(jié)強(qiáng)度，但強(qiáng)度增益效果不大。23℃浸水環(huán)境并不利于聚合物瓷磚膠粘結(jié)強(qiáng)度的發(fā)展，50℃浸水環(huán)境雖降低了乳膠粉試驗(yàn)組砂漿粘結(jié)強(qiáng)度，但影響不大，提升了纖維素醚組與甲酸鈣組砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度。

（3）乳膠粉、纖維素醚以及甲酸鈣摻量的增加，可以提升砂漿熱老化性能，其中，在自然環(huán)境下，纖維素醚對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的增益效果最好；在70℃和100℃熱老化環(huán)境下，甲酸鈣對瓷磚膠粘結(jié)強(qiáng)度的提升效果最好。70℃熱老化環(huán)境和100℃熱老化環(huán)境都會對砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度有損害，100℃熱老化環(huán)境對強(qiáng)度損傷最嚴(yán)重。

（4）乳膠粉摻量的增加，可以提升砂漿耐凍融性能，而纖維素醚與甲酸鈣摻量的增加，并不能提升砂漿耐凍融性能，甚至降低了砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。不同于熱老化與耐水環(huán)境，砂漿在凍融循環(huán)環(huán)境下，其拉伸粘結(jié)強(qiáng)度損失是十分顯著的，強(qiáng)度損失率都達(dá)到了50%及以上。

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Study on the Bond Strength and Durability of Polymer to Cement-based Ceramic Tile Adhesive

Dong Qi-you1， LI Yun-feng1，Ren Hai1， XIE Jun1，Ren Gai-xia1， Ye Guan-chu1， ZENG Jin-fen1，Deng Xu-hui2， Huang Wei2

（1. Foshan Zhuoshi High-tech Materials Co. Ltd.， Foshan， 528500， China;

2. College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou， Fujian 350116， China）

Abstract： The effects of using metakaolin and silica fume to replace cement in ceramic tile adhesive and different polymer content on the bond strength of ceramic tile adhesive were studied in natural environment， water immersion environment， thermal aging environment and freeze-thaw environment. The results show that the redispersible latex powder with 5 % content can improve the bonding strength， water resistance， thermal aging performance and freeze-thaw resistance of ceramic tile adhesive. With the increase of cellulose ether content， the bonding strength and thermal aging performance of ceramic tile adhesive are improved， but the water resistance is not improved much， and even harmful to the freeze-thaw resistance; with the increase of calcium formate content， the bonding strength and thermal aging performance of ceramic tile adhesive are improved， but the freeze-thaw resistance and water resistance are reduced.

Keywords： cellulose ether; redispersible latex powder; calcium formate; durability; bond strength