宋學(xué)鋒，郭思琦，陳 帆

（1. 西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 廣東蒙娜麗莎新型材料集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 52800）

國(guó)家“十一五”科技重大項(xiàng)目“綠色環(huán)保節(jié)能瓷質(zhì)板材示范生產(chǎn)基地”于 2007年啟動(dòng)，項(xiàng)目主導(dǎo)的“大規(guī)格超薄建筑陶瓷板”與相同面積傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品對(duì)比，具有節(jié)能環(huán)保、施工效率高、裝飾效果佳等優(yōu)勢(shì)[1]．

“大規(guī)格超薄建筑陶瓷板”在推廣應(yīng)用過(guò)程中存在的主要問(wèn)題是：粘結(jié)劑與陶瓷板在線變形系數(shù)方面存在差異性進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力．對(duì)大板而言，這種內(nèi)應(yīng)力更大，更易導(dǎo)致已鋪貼瓷板出現(xiàn)翹曲、破裂及脫落；陶瓷大板生產(chǎn)融入了大量的藝術(shù)元素（如質(zhì)感、色彩、噴繪等），傳統(tǒng)水泥基粘結(jié)劑由于泛霜抑制能力弱，難以保持其長(zhǎng)期藝術(shù)效果．

可再分散膠粉具有優(yōu)異的成膜性能．在干粉砂漿中添加適量的可再分散膠粉，可顯著提高砂漿的粘附性、柔韌性，降低因干燥收縮而導(dǎo)致開(kāi)裂、剝落風(fēng)險(xiǎn)，已成為改性水泥基材料的重要組份[2-5]．

水泥基粘結(jié)劑泛霜的原因是水泥、砂及功能性添加劑中的可溶性成分被水溶解后，隨粘結(jié)劑表面水分的蒸發(fā)，在硬化體表面析出或與空氣中的 CO2作用生成白色沉積物的結(jié)果．統(tǒng)計(jì)分析表明：泛霜成分是以 Na+、Ca2+、K+、SO42-、CO32-等可溶性離子為主形成的 CaCO3、 K2SO4、 Na2SO4、CaSO4鹽分，且以白色毛絨狀、棉絮狀、鱗狀、片狀及松針狀等不同的結(jié)晶形式出現(xiàn)[6-8]．在水泥水化產(chǎn)物中，Ca(OH)2約占20%，是水泥基粘結(jié)劑產(chǎn)生泛霜的重要原因，也是現(xiàn)有泛霜抑制措施考慮的關(guān)鍵因素[9]．

本研究以水泥作為主要膠結(jié)物質(zhì)，石英砂為骨料，輔以功能材料配制成“大規(guī)格超薄建筑陶瓷板”專用粘結(jié)劑，通過(guò)正交試驗(yàn)分析了不同因素對(duì)粘結(jié)劑正拉粘結(jié)強(qiáng)度、壓折比、干燥收縮率的影響規(guī)律．在此基礎(chǔ)上，加入泛霜抑制劑，通過(guò)單因素法及正交試驗(yàn)法考察了不同泛霜抑制劑的單獨(dú)及協(xié)同作用效果．

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及儀器設(shè)備

試驗(yàn)原材料：P.O42.5水泥，粒徑 40～70目的石英砂，Ⅱ級(jí)粉煤灰FA，低堿AEA型膨脹劑，粉狀聚羧酸高效減水劑（摻量0.1%），5044N可再分散乳膠粉，30011C纖維素醚（摻量0.3%），PWC500木質(zhì)纖維，8034H 乙烯-月桂酸酯-氯乙烯三元共聚膠粉，特諾CC鋁酸鹽水泥等．

試驗(yàn)儀器設(shè)備：ZQS6-2000A型高精度粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)儀，RPZ-03P全自動(dòng)線膨脹系數(shù)測(cè)定儀，氙燈淋雨濕熱試驗(yàn)箱TSN-600等．

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 收縮率測(cè)定

制作6 mm×6 mm×40 mm試件，每組三個(gè)．在室內(nèi)相對(duì)濕度RH=50±5 %、溫度T=20 ℃條件下進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期，并按式（1）計(jì)算其干燥收縮率，測(cè)試結(jié)果取三個(gè)試件的平均值．

式（1）中：iε為i時(shí)的干燥收縮率，iL為i時(shí)的試件測(cè)試長(zhǎng)度，0L試件初始長(zhǎng)度0L=40 mm．

1.2.2 泛霜試驗(yàn)

在陶瓷薄板上成型尺寸為120 mm×200 mm×3 mm粘結(jié)劑試樣，自然養(yǎng)護(hù)1 d后，移入氙燈淋雨濕-熱試驗(yàn)箱．濕-熱制度設(shè)定為：加濕10 min，60 ℃干燥110 min，2 h為一個(gè)濕-熱循環(huán)．經(jīng)歷一定濕-熱循環(huán)后，目測(cè)粘結(jié)劑表面泛霜程度，并評(píng)價(jià)其泛霜抑制效果．

2 結(jié)果與討論

2.1 粘結(jié)劑的力學(xué)性能及干燥收縮率

采用四因素三水平正交試驗(yàn)，研究了可再分散膠粉、木質(zhì)纖維、膨脹劑及膠砂比對(duì)粘結(jié)劑正拉粘結(jié)強(qiáng)度（標(biāo)準(zhǔn)條件）、壓折比、干燥收縮率（28 d自由收率）的影響，并通過(guò)“綜合平衡法和功效系數(shù)法”分析了各個(gè)影響因素的顯著性水平[10]．粘結(jié)劑組成材料的因素水平如表1所示，正交試驗(yàn)安排及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示．綜合平衡法結(jié)果分析如表3所示，功效系數(shù)法結(jié)果分析表4所示．

表3結(jié)果分析表明：壓折比的影響因素顯著性水平由強(qiáng)到弱排列次序?yàn)镈、A、B、C；粘結(jié)強(qiáng)度的影響因素顯著性水平由強(qiáng)到弱排列次序?yàn)镃、A、B、D；收縮率的影響因素顯著性水平由強(qiáng)到弱排列次序?yàn)镈、A、B、C．分析認(rèn)為因素A和D對(duì)考核指標(biāo)的影響顯著，而因素B、C對(duì)考核指標(biāo)影響較?。C合三個(gè)考核指標(biāo)，因素影響顯著性由強(qiáng)到弱的排列次序?yàn)锳、D、B、C．

表1 粘結(jié)劑組成材料的因素水平表Tab.1 Factors level of composition of tile adhesive

表2 粘結(jié)劑的正交試驗(yàn)安排L9(34)及試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of tile adhesive conducted by L9 (34)

壓折比、收縮率表征粘結(jié)劑的韌性和體積穩(wěn)定性指標(biāo)，其值越小說(shuō)明粘結(jié)劑韌性越高、體積穩(wěn)定性越好．相比于粘結(jié)強(qiáng)度，壓折比、收縮率更能反映瓷磚（板）鋪貼后的質(zhì)量問(wèn)題（如開(kāi)裂、剝落等現(xiàn)象），是高性能粘結(jié)劑優(yōu)先控制的質(zhì)量指標(biāo)．因此，當(dāng)粘結(jié)強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，本研究各因素水平最佳組合為A3D1B3C2，即試驗(yàn)編號(hào)9為最佳組合．

由功效系數(shù)法分析表4可知，試驗(yàn)編號(hào)9的總功率系數(shù) d=0.889，其值最大，相應(yīng)的因素組合亦為A3D1B3C2，與綜合平衡法分析結(jié)果一致．

表2結(jié)果表明，當(dāng)可再分散膠粉摻量由0.5%增至 1.5%時(shí)，粘結(jié)劑正拉粘結(jié)強(qiáng)度平均值呈下降趨勢(shì)，這與可再分散膠粉的強(qiáng)化機(jī)理似乎相悖．文獻(xiàn)[11]就可再分散膠粉對(duì)瓷磚粘結(jié)劑的微觀結(jié)構(gòu)及粘結(jié)性能進(jìn)行了詳細(xì)研究并認(rèn)為：大多可再分散膠粉都具有較大的引氣作用．當(dāng)粘結(jié)劑硬化后會(huì)在混凝土基材-粘結(jié)劑-瓷磚界面形成數(shù)量可觀的氣泡，削弱了粘結(jié)劑與粘結(jié)基材的接觸面積，降低了機(jī)械嚙合作用，故隨其摻量增加，粘結(jié)強(qiáng)度有所降低（圖1）．至于可再分散膠粉對(duì)壓折比、收縮率影響的正面效應(yīng)，作者認(rèn)為源于可再分散膠粉的成膜夾筋作用，使硬化粘結(jié)劑內(nèi)聚力增加，基材抗拉（抗折）強(qiáng)度提高，表現(xiàn)為粘結(jié)劑的韌性增加；同時(shí)可再分散膠粉通過(guò)大量的氫鍵作用，使得新拌粘結(jié)劑具有優(yōu)異的保水作用，延緩了干燥引起的自由收縮，故收縮率降低．

表3 綜合平衡法分析結(jié)果Tab.3 Result of the integrated balance method

表4 功效系數(shù)法分析結(jié)果Tab.4 Result of the efficacy coefficient method

圖1 混凝土-瓷磚粘結(jié)劑-瓷磚體系的微觀結(jié)構(gòu)[11]Fig.1 Microstructure of concrete-tile adhesive-tile system [11]

因素 B、C、D的設(shè)計(jì)主要是考慮粘結(jié)劑的收縮性能．綜合平衡法分析結(jié)果表明，膠砂比影響最為顯著，而木質(zhì)纖維、膨脹劑次之．就本次試驗(yàn)最佳組合A3D1B3C2而言，膠砂比取低水平時(shí)，單位體積內(nèi)膠凝材料少，由膠凝材料引起的化學(xué)收縮和干燥收縮降低，故粘結(jié)劑收縮率低，符合現(xiàn)有水泥制品收縮率的傳統(tǒng)規(guī)律．木質(zhì)纖維多用于防止砂漿表面開(kāi)裂，其作用效果與纖維長(zhǎng)徑比關(guān)系密切，由于本次試驗(yàn)只選用了D500一種短纖維，效果并不明顯．膨脹劑作為限制水泥制品收縮開(kāi)裂的一種技術(shù)手段，在本研究中作用最不明顯，其原因是薄層砂漿試件早期失水過(guò)快，膨脹劑在無(wú)水或少水狀態(tài)下，難以充分水化產(chǎn)生膨脹源起到補(bǔ)償收縮作用．

根據(jù)正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，滿足正拉粘結(jié)強(qiáng)度及較小的壓折比、干燥收率的粘結(jié)劑最佳組成如表5所示．

表5 粘結(jié)劑的優(yōu)化組成及各原材料用量 /%Tab.5 Optimum composition and materials dosage of tile adhesive / %

表6 所研制粘結(jié)劑的主要性能指標(biāo)（JC/T547-2005）Tab.6 Main properties of tile adhesive (JC/T547-2005)

以表5粘結(jié)劑的優(yōu)化組成為基礎(chǔ)，配制粘結(jié)劑，固定水料比為0.2～0.25，按照J(rèn)C/T547-2005（墻地磚粘結(jié)劑）測(cè)定所研制粘結(jié)劑的主要性能指標(biāo)如表6所示．測(cè)試結(jié)果表明所研制粘結(jié)劑滿足JC/T547-2005標(biāo)準(zhǔn)要求，且收縮率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值．

2.2 粘結(jié)劑的泛霜抑制性能

結(jié)合粘結(jié)劑泛霜的成因及機(jī)理，本文通過(guò)三種思路研究了粘結(jié)劑的泛霜抑制效果： 1）摻入活性礦物摻合料粉煤灰（FA），利用其活性組份SiO2、Al2O3與水泥水化產(chǎn)物 Ca(OH)2反應(yīng)，生成水化硅酸鈣(C-S-H)和水化鋁酸鈣(C-A-H)，消耗泛霜組份Ca(OH)2達(dá)到抑制效果；2）根據(jù)鋁酸鹽水泥水化不生成 Ca(OH)2，且與硅酸鹽水泥混用可消耗大量Ca(OH)2的原理達(dá)到抑制粘結(jié)劑泛霜的目的；3）通過(guò)在粘結(jié)劑中加入適量的憎水膠粉，改善其親、疏水特性，阻止外界水分向砂漿硬化體中傳輸，限制由于水分蒸發(fā)而出現(xiàn)泛霜現(xiàn)象．

試驗(yàn)以表5粘結(jié)劑的組成為基礎(chǔ)，通過(guò)單因素法和正交試驗(yàn)法（因素水平如表 1，正交試驗(yàn)安排如表 2）分析了三個(gè)因素不同水平及其協(xié)同作用下粘結(jié)劑的泛霜抑制效果（圖2～3）．

圖2結(jié)果表明：相比于普通砂漿或無(wú)泛霜抑制成分的粘結(jié)劑，加入憎水膠粉、粉煤灰及鋁酸鹽水泥均可抑制粘結(jié)劑的泛霜程度；粉煤灰與鋁酸鹽水泥，在給定摻量范圍內(nèi)，隨摻量增加，泛霜抑制效果變化不明顯；憎水膠粉隨摻量增加，抑制泛霜效果顯著，當(dāng)摻量為1.5%時(shí)，可見(jiàn)泛霜基本消失．

圖3結(jié)果表明：與基準(zhǔn)粘結(jié)劑（JZ）相比，正交試驗(yàn)的9組粘結(jié)劑均表現(xiàn)出了優(yōu)異的泛霜抑制能力；相比于單因素的作用效果，三種因素的協(xié)同作用更為突出．

圖2 單因素下不同抑制劑對(duì)粘結(jié)劑泛霜抑制效果Fig.2 Efflorescence resistance of tile adhesive added different admixtures

圖3 不同泛霜抑制劑相互作用下的粘結(jié)劑泛霜效果Fig.3 Efflorescence resistance of tile adhesive under the corporation of admixtures

如前所述，粉煤灰和鋁酸鹽是通過(guò)消耗Ca(OH)2達(dá)到抑制泛霜效果．加入適量的粉煤灰和鋁酸鹽雖可消耗一定量的Ca(OH)2，對(duì)泛霜具有一定的抑制效果，但由于不能完全消耗水泥水化產(chǎn)生的 Ca(OH)2，故該技術(shù)措施抑制泛霜效果有限；憎水膠粉的摻入，通過(guò)改變粘結(jié)劑的親、疏水特性，使粘結(jié)劑硬化體由親水性變?yōu)樵魉?，限制了環(huán)境-粘結(jié)劑之間的水分傳輸．一方面阻止了粘結(jié)劑中易溶鹽向粘結(jié)劑表面遷移析出，同時(shí)也可以阻止碳化過(guò)程的發(fā)生（碳化的實(shí)質(zhì)是二氧化碳在水的參與下，與 Ca(OH)2間的酸堿中和反應(yīng)），故憎水膠粉可具有更優(yōu)異的泛霜抑制效果．

3 結(jié)論

(1) 可再分散膠粉能顯著改善水泥基粘結(jié)劑的韌性、降低干燥收縮性能，是水泥基粘結(jié)劑高性能化的重要技術(shù)途徑；

(2) Ca(OH)2析出及碳化沉積是泛霜的一種重要表現(xiàn)形式，粉煤灰和鋁酸鹽通過(guò)消耗Ca(OH)2具有抑制泛霜效果；

(3) 憎水膠粉通過(guò)改變粘結(jié)劑的親疏水特性，限制了環(huán)境-粘結(jié)劑之間的水分傳輸，限制了易溶鹽析出和碳化過(guò)程的發(fā)生，顯示出了優(yōu)異的泛霜抑制效果．

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