單組分瓷磚背膠及粘結劑體系與?；u粘結強度試驗研究

徐振東，陳兵，蘇思維

（1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，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用更為普遍，主要由高分子聚合物乳液，輔以消泡劑、潤濕分散劑、防霉劑等高性能助劑制備而成，在作用機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材料的復合使用，形成多種瓷磚鋪貼系統，大幅提高瓷磚與基層的粘結力和耐久性。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，粘結系統的粘結強度也隨之提高。何俊鵬等[4]研究表明，單組分背膠的引入可以降低空鼓率，提高瓷磚鋪貼系統的安全性。付毅群等[5]通過?；郀t礦渣粉改性瓷磚背膠，提高浸水、凍融循環和熱老化條件下的拉伸粘結強度。然而瓷磚背膠缺乏統一標準，成分復雜、性能各異，仍會出現空鼓掉磚現象。目前關于瓷磚背膠與瓷磚膠粘劑的匹配性問題以及破壞機理的研究較少。

本文通過設計不同初粘性背膠、瓷磚膠粘劑厚度以及浸水時間，研究瓷磚背膠與瓷磚膠粘劑的匹配機制和破壞機理，從而探尋解決瓷磚空鼓脫落問題的措施。

1 試 驗

1.1 試驗材料

瓷磚背膠：單組分試劑，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）等單體結構，均為廣東巴德富新材料有限公司生產。瓷磚背膠的主要技術性能見表1，其中初粘性的測試方法參考GBT 4852—2002《壓敏膠粘帶初粘性試驗方法（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。?；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?；炷粱模悍螶C/T 547—2017《陶瓷磚膠粘劑》規定要求，上海增司工貿有限公司生產。

表1 瓷磚背膠的主要技術性能

表2 瓷磚膠粘劑的配方

1.2 試樣制備

瓷磚粘結體系如圖1 所示，分別為C30 混凝土基材、瓷磚膠粘劑、瓷磚背膠和?；u。其制備參照JC/T 547—2017，主要分為3 步：（1）將60 mm×60 mm C30 混凝土基材均勻潤濕后在105 ℃下放置5 h，然后在標準試驗條件下放置24 h；（2）?；u經清潔干燥后涂刷瓷磚背膠，將試樣置于（23±2）℃、相對濕度（50±5）%下養護至規定時間；（3）將?；u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，在標準試驗條件下養護至規定齡期。

圖1 瓷磚粘結體系

設計以下3 組試驗：

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

（2）研究瓷磚膠粘劑厚度的影響，分別設定為5、8、12、15 mm。

（3）研究浸水時間的影響，分別設定為0、7、14、21 d。

第1、2 組試樣養護齡期為28 d。第3 組試樣浸水前養護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 性能測試方法

瓷磚粘結體系拉伸粘結強度測試：參照JC/T 547—2017進行。瓷磚粘結體系養護27 d 后，在?；u表面涂上高強度粘合劑（例如環氧粘合劑），將拉拔頭粘在瓷磚上，在標準養護條件下繼續養護24 h。待其粘結牢固后，用粘結強度測定儀，以（250±50）N/s 的加荷速率測試體系的粘結強度。

2 結果與討論

2.1 不同初粘性背膠對體系粘結強度的影響

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、瓷磚膠粘劑的粘結強度尚無定論。因此設置不同初粘性背膠與瓷磚膠粘劑匹配后進行測試，結果如表3 所示。

表3 不同初粘性背膠與瓷磚膠粘劑匹配后的粘結強度

由表3 可見，瓷磚背膠的應用使瓷磚粘結體系的粘結強度得到提高。當采用R1 搭配C0 或C1 膠粘劑時，粘結強度相比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，受外部環境影響發生結構振動或變形收縮后，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渡層，可以起到吸收溫度形變應力的作用，進而減少空鼓[4]。

隨著初粘性的提高和玻璃化溫度Tg降低，粘結強度的提高幅度也隨之降低。以R3 為例，搭配C0 膠粘劑的粘結強度比R0 僅提高12.24%，搭配C1 膠粘劑的粘結強度比R0 降低3.33%。這說明，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強度。

對比3 種背膠與C0 和C1 匹配后的粘結強度，R1 與C1匹配后的粘結強度最高。C1 的甲酸鈣含量高于C0，Chen 等[7]研究發現，添加甲酸鈣會加速水泥體系的水化凝結作用，導致其本身的強度建立效果較優。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強度[8]。

2.2 不同膠粘劑厚度對體系粘結強度的影響

膠粘劑粘劑厚度的變化可能導致其內聚強度產生變化，進而影響粘結體系的整體強度。因此設置不同厚度膠粘劑（C1）與瓷磚背膠匹配后進行測試，結果如圖2 所示。

圖2 不同厚度膠粘劑粘劑與背膠匹配后的粘結強度

由圖2 可見，當C1 膠粘劑厚度為8 mm 時，背膠與膠粘劑匹配后粘結強度達到峰值。以R2 為例，當膠粘劑厚度為8 mm 時，粘結強度為0.69 MPa，較5 mm 時提高11.29%；當厚度為12、15 mm 時，粘結強度為0.68、0.58 MPa，較8 mm 時分別下降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該控制在8 mm 左右?？紤]實際工程中的經濟性和適用性，選擇R1，匹配度更高。

膠粘劑厚度為12、15 mm 時，R1、R2 與C1 匹配后的粘結強度與R0 相近。當厚度為12 mm 時，R0、R1、R2 與C1 匹配時的破壞形式均為內聚破壞（見圖3），即斷裂面產生在膠粘劑內部的破壞形式，而R3 與C1 匹配后，破壞形式為界面破壞，即發生在?；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，其內聚粘結強度屬于整個瓷磚粘結體系的薄弱環節，此時背膠匹配膠粘劑提高的界面粘結強度已無法保證體系的穩定。

圖3 不同背膠與12 mm 厚C1 膠粘劑匹配后粘結試樣破壞斷面的狀態

2.3 不同浸水時間對體系粘結強度的影響

考慮實際工程中外部環境可能對瓷磚膠粘劑和瓷磚背膠產生影響，導致粘結體系內部界面強度或內聚強度發生變化，從而影響粘結體系的整體強度。通過設計不同浸水時間進行測試，結果如圖4 所示。

圖4 不同浸水時間下背膠與瓷磚膠粘劑匹配后的粘結強度

由圖4 可見，隨浸水時間的延長，C1 和R1 匹配后瓷磚粘結體系的耐水性均要好于其他2 種背膠。在浸水時間為7 d的條件下，粘結強度分別比另外2 組試樣提高25.5%、19.55%，效果十分顯著。而浸水時間延長至21 d 時，3 種試樣粘結強度接近。這表明，R1 的耐水性具有時效性，在工程中需考慮防水措施，后期養護應避免長時間泡水。

作為對比，隨浸水時間的延長，R0 的粘結強度逐漸提高。這表明，在泡水過程中，C1 的水化程度不斷增強，并于7 d 后趨于平穩。Wang R 和Wang P[9]研究發現，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、防水質量和抗滲透能力。

背膠作為有機物在瓷磚粘結體系內成膜，并在吸水后內聚力不斷降低，出現疲勞破壞。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，試樣斷裂面均發生在?；u與背膠接觸面。Reyes-Mercado 等[10]研究總結，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的影響，而膜形態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出越高吸水率。由于丙烯酸增加了膠體表面電荷，從而產生的膠乳薄膜具有更多孔的結構，單體的親水性也增強了水蒸氣的通過，最終導致背膠層粘結強度不斷損失。

2.4 粘結機理及破壞形式

單組分瓷磚背膠體系內共有4 個物理層：混凝土基材、瓷磚膠粘劑、瓷磚背膠、?；u。4 個物理層形成3 個界面，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。界面的粘結機理主要體現在2 方面：一方面是機械咬合作用[11]；另一方面是粘結界面處的化學和物理粘結力[12]。瓷磚背膠依靠乳液中的高分子聚合物鏈的極性基團、特殊官能團能與膠粘劑發生物理及化學反應，形成新的物理化學鏈接，提高界面間的粘結強度，抵消應力釋放的同時依然有較好的層間粘結。此外，瓷磚背膠能滲入瓷磚背面的毛細孔中，形成良好的機械咬合力和分子作用力，特別是應用于表面致密的瓷磚。

瓷磚背膠體系發生瓷磚脫粘后的破壞形式分2 種（見圖6）：一種是界面破壞，即發生在A 區域（瓷磚背膠-?；u接觸面）、B 區域（瓷磚膠粘劑-瓷磚背膠接觸面）的破壞形式；另一種為內聚破壞，即發生在C 區域（瓷磚膠粘劑內部）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，其產生的內聚破壞可以忽略不計。在拉伸粘結強度試驗過程中發現，試件破壞后產生的斷裂面包含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，提出與試驗數據相近的計算式：

式中：σ——瓷磚背膠體系粘結強度值，MPa；

σ1——瓷磚背膠-?；u界面粘結強度，MPa；

σ2——瓷磚膠粘劑-瓷磚背膠界面粘結強度，MPa；

σ3——瓷磚膠粘劑內聚粘結強度，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界面粘結強度有效系數；

η2——瓷磚膠粘劑-瓷磚背膠界面粘結強度有效系數；

η3——瓷磚膠粘劑內聚粘結強度有效系數。

式（1）中有效系數值受材料性質、養護環境及試驗規范等因素影響。

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現，沒有發生瓷磚膠粘劑-瓷磚背膠界面破壞形式，瓷磚背膠-?；u界面破壞面積約占20%，瓷磚膠粘劑內聚破壞面積約占80%。這一現象表明，該組試驗內，界面粘結強度遠大于內聚粘結強度，膠粘劑內部屬于體系的薄弱環節。此時，可取α2=0，得到計算式（2）：

考慮環境及施工等因素造成的誤差，取有效系數之和為0.9。根據該組試驗內試件界面破壞面積占25%和15%的數據，粘結強度分別為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，最終得到計算式（3）：

R1 與C1 匹配后瓷磚背膠體系粘結強度理論值與測量值的對比見表4，誤差率計算式為：

表4 瓷磚背膠體系粘結強度理論值與測量值對比

式中：δ——粘結強度理論值與測量值的誤差率，%；

σ——粘結強度理論值，MPa；

As——粘結強度測試值，MPa。

3 結 論

由表4 可見，理論值與測試值的吻合度較好。另外研究發現，粘結強度隨著瓷磚背膠-?；u界面破壞面積占比的增大而增大，且試驗中界面破壞占比最高的試件所測得的粘結強度最大。這說明，瓷磚背膠體系在實際應用時，應盡量追求更高的界面破壞占比，減小瓷磚膠粘劑內聚破壞占比。最佳選擇是采用更高級別的膠粘劑作為粘結材料。

（1）對于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行鋪貼，可以有效提高瓷磚粘結體系的粘結強度，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強度。在使用膠粘劑匹配瓷磚背膠進行瓷磚鋪貼時，選擇C1 更合適。

（2）膠粘劑厚度過大會導致內聚粘結強度降低，成為薄弱環節，影響背膠對瓷磚粘結體系的增益。最佳施工厚度應該控制在8 mm 左右，此時R1 與之匹配度較高。

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

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