基于正交設計的陶瓷磚粘結強度影響因素分析*

張琨健

(1 福建省建筑科學研究院有限責任公司 福州 350025)(2 福建省綠色建筑技術重點實驗室 福州 350025)

前言

現有的陶瓷磚粘貼過程存在的主要工程問題是陶瓷磚發生空鼓或脫落，不僅容易造成開發商、施工單位或業主之間產生質量糾紛，甚至會因為脫落造成人員傷亡，因此應引起足夠的重視。從材料力學角度講，陶瓷磚的空鼓或脫落是由于陶瓷磚—陶瓷磚粘接劑—基材貼磚系統的內應力所致[1-2]。這些內應力的產生主要來自于基材的收縮變形、溫度的變化、干濕交替等因素所產生的膨脹或收縮。因為不同材料之間彈性模量差異較大，造成各材料層線性變形不匹配，進而新成內應力。當貼磚系統的內應力大于貼磚系統本身強度時，貼磚系統就會被破壞，陶瓷磚就會出現空鼓或脫落現象[3]。而造成貼磚系統強度不足的主要來源于基層的材料強度、陶瓷磚的性能、水泥或粘接砂漿的性能以及施工工藝等方面。筆者重點研究陶瓷磚吸水率、界面層處理工藝、晾置時間、膠粘劑粘結強度這幾個因素對陶瓷磚粘結強度的影響。

1 試驗

選擇相同菱形背紋不同吸水率的炻瓷磚、細炻磚、炻質磚各一批進行試驗，吸水率分別為0.6%、3.8%和8.5%。陶瓷磚粘貼面的磚底粉和防污劑用濕抹布擦拭干凈。采用滿貼工藝，粘接劑選擇華鴻(福建)建筑科技有限公司生產的Ⅰ型PA-A益膠泥，其主要性能見表1；泉州固潔建材公司生產的C1型瓷磚膠，其主要性能見表2。龍巖天馬新型建材有限公司生產的R型高強樹脂粘結劑，其主要性能見表3。界面劑采用福州大匠環保建筑材料有限公司生產的Ⅰ型界面劑，其主要性能見表4。瓷磚背膠：采用龍巖天馬新型建材有限公司提供的背膠，其標準拉伸粘結強度在0.8 MPa以上。粘結強度測試采用深圳萬測試驗機廠生產的電子拉力試驗機，量程為0～30 kN，精度為Ⅰ級，采用專用粘結強度鋼頭拉拔夾具。

基層混凝土板按照JC/T 547-2017《陶瓷磚膠粘劑》附錄A中規定制作并養護至28 d后備用，尺寸為400 mm×400 mm×40 mm。瓷磚試樣均采用大片瓷磚切割成50 mm×50 mm的小塊按照上述標準進行制樣養護至27 d后，用高強環氧樹脂粘貼鋼制拉拔頭1 d后在電子拉力試驗機上測試其拉伸粘結強度。

表1 Ⅰ型PA-A益膠泥性能

表2 C1型瓷磚膠性能

表3 R型高強樹脂粘結劑

表4 大匠Ⅰ型界面處理劑

選擇陶瓷磚吸水率、界面處理等級、晾置時間、膠粘劑標準粘結強度為四個研究因子。其中陶瓷磚吸水率對陶瓷磚粘結強度主要影響為：吸水率高的陶瓷磚，其表面毛細孔隙率較大，膠粘劑容易滲透進入毛細孔增加粘結力。界面處理主要包括了對混凝土基板的表面處理以及瓷磚背面采用背膠作為過渡粘結層加強處理等方式加強界面粘結力，其中Ⅰ級定義為基層混凝塊且陶瓷磚背面無任何處理；Ⅱ級為基層混凝土塊表面進行灰漿粗磨去灰；Ⅲ級為基層混凝土塊表面進行灰漿粗磨去灰+陶瓷磚背面刷涂背膠層。晾置時間主要是考慮到膠粘劑凝結時間的快慢對粘結強度的影響。最后膠粘劑標準粘結強度則是考慮到膠粘劑自身的粘結強度屬性對陶瓷磚粘結系統強度的影響。

采用4因素3水平正交設計試驗方法，查正交設計表，L9(34)共9組比對試驗，詳見表5和表6。

表5 因子水平編碼表

表6 L9(34)正交試驗設計表

續表6 L9(34)正交試驗設計表

為了分析說明問題的方便，引入如下定義：定義“0.6%-Ⅰ級-0 min-0.7 MPa”為試驗用陶瓷磚為吸水率為0.6%的炻瓷磚，基層混凝土塊采取Ⅰ級界面處理，晾置時間為0 min，采用的膠粘劑為標準粘結強度為0.7 MPa的C1型瓷磚膠。同理可以得出其他試驗組合所表征的試驗過程。

2 結果與分析

根據上述表6中的試驗設計方案，對9組正交試驗的陶瓷磚粘結強度進行了測試，精確到0.01 MPa，結果如表7所示。從各試驗組粘結強度結果可以看出陶瓷磚粘結強度差異較明顯。下面以粘結強度為指標，通過直觀分析，來分析陶瓷磚吸水率、界面處理等級、晾置時間、膠粘劑標準粘結強度這四個因素對陶瓷磚粘結強度性能的影響。

九組試驗測試結果中以S8#號試驗的粘結強度值為最高，為1.22 MPa。相應的水平組合(A3=8.5%，B2=Ⅱ級，C1=0 min，C3=1.6 MPa)，即“8.5%-Ⅱ級-0 min-1.6 MPa”是當前最好的水平搭配。表7中給出正交設計計算表，其中M1為A、B、C、D各因子在水平1下測試結果的平均值，類似的可以得到各因子在水平2、水平3下的測試結果平均值M2，M3。R值表示相應因子的極差值。不同因子在各自不同水平下的測試結果的平均值見圖1中因子效應曲線圖。

可以得到如下結論：

(1)隨著陶瓷磚吸水率的提高，其粘結強度呈上升趨勢。這主要是由于隨著陶瓷磚吸水率的提高，其表面毛細孔道增多，膠粘劑更容易滲入陶瓷磚背面微孔，增強粘結力。

(2)隨著界面處理等級的增加，其粘結強度呈上升趨勢。這主要是由于陶瓷磚粘結是一個系統構造，包含了多個界面層的粘結，而粘結破壞往往是從最薄弱的界面開始萌生裂紋，并隨著應力增加裂紋快速擴展而導致瓷磚剝落。

(3)隨著晾置時間的延長，其粘結強度呈顯著下降趨勢。這主要是因為膠粘劑在遇水拌合后不斷凝固，若長時間未與陶瓷磚結合，則其表面的膠凝材料因局部硬化未能與陶瓷磚背面有效粘接，進而導致粘結力快速下降。

(4)隨著膠粘劑標準粘結強度的提高，其粘結強度呈快速上升趨勢。膠粘劑是陶瓷磚粘結強度的初始來源，因此其標準粘結強度的大小對陶瓷磚系統粘結強度影響顯著。

從圖1可以看出點子散布范圍大的因素是主要的，散布范圍小的是次要的。將因素對粘結強度指標的影響排序其主次關系如下：

表7 正交試驗結果與分析

續表7 正交試驗結果與分析

圖1 因子效應曲線圖

3 結論

在不考慮陶瓷磚背紋紋理、磚底粉、表面殘留防污劑的影響情況下，陶瓷磚粘結強度的影響因素大小為：界面處理等級>膠粘劑標準粘結強度>晾置時間>陶瓷磚吸水率。隨著陶瓷磚吸水率的提高以及界面處理等級的增加，陶瓷磚粘結強度呈上升趨勢。隨著晾置時間的延長，其粘結強度呈顯著下降趨勢；隨著膠粘劑標準粘結強度的提高，其粘結強度呈快速上升趨勢。本次試驗最佳的試驗組合為：“8.5%-Ⅱ級-0 min-1.6 MPa”，其陶瓷磚粘結強度為1.22 MPa。因此，要想提高陶瓷磚粘結強度，應著重做好基層界面清理，合理使用瓷磚背膠，選擇合適強度的膠粘劑，并應在施工現場控制好單次抹膠與瓷磚粘貼的間隔時間，確保陶瓷磚粘結強度達標。