云石胶压缩剪切强度影响因素的探讨

刘 陈，黄晓宽，严景恒，钟颖诗

（广州质量监督检测研究院，广东 广州 511447）

石材是一类具有优异的材料性能和丰富多彩的艺术效果的高档建筑装饰材料，广泛应用于室内外装饰设计和公共设施建设。石材用胶粘剂（云石胶、干挂胶）的诞生和发展使碎片化石材有效快速粘合，显著提高建筑施工效率、美观度和安全性能[1]。胶粘剂在石材应用施工过程中被大量使用以固定修补材料，胶粘剂的质量直接影响建筑工程安全。因此，对石材胶粘剂物理化学特性的系统科学检测可在产品端把控其质量，促进相关生产研究企业提升水平，保障人民生命财产安全。

云石胶是一种以不饱和聚酯为基体的树脂，配以促进剂、引发剂及其他材料配制而成，起到石材定位、修补和粘接等非结构承载粘合作用。云石胶的优势在于固化时间可控，通过调整固化剂量多少控制固化时间，便于施工调节，在石材加工制作及建筑行业应用广泛[2]。云石胶的性能是决定剪切强度大小的内部因素，如何根据其组成来改变内部结构和性能以提高剪切强度是新型云石胶材料研发的重要课题[3]。压缩剪切强度不仅是云石胶粘接强度检测的重要质量指标，也是力学性能最基础的测试项目之一。在实际检测操作过程中，被粘物表面是否与胶黏剂充分润湿、粘接工艺（表面处理、胶层厚度等）是否到位、养护条件是否适宜等因素都会影响云石胶压缩剪切强度结果，测试难度高[5]。

本文以一种典型云石胶为对象，在JC/T 989—2016[4]标准的基础上从表面处理、胶层厚度、粘接面积、环境湿度等因素上来分析它们对于测试剪切强度的影响，以期为云石胶精准质量检测控制提供技术支撑。

1 试验部分

1.1 主要试验仪器及材料

试验仪器：LT-JW-M-225F-4型恒温恒湿箱，东莞利拓检测仪器有限公司；BL-3100F-1C型电子天平，福迪威西特传感工业控制（天津）有限公司；BT1-FR020TNA50型电子万能材料试验机，德国ZWICK公司。

材料：云石胶；济南青（50mm×30mm×25mm）。

标准养护条件：环境温度为（23±2）℃；相对湿度为45%~55%。

1.2 剪切强度的测定

根据JC/T 989—2016[4]标准要求，先用游标卡尺测得每个试件的粘接面积尺寸，将其安装在试验机压剪夹具上（保证安装粘接面与试验机力线一致），以5mm/min的速度加载至试件破坏，记录最大破坏载荷，再根据最大载荷与粘接面积的比值得出压剪强度。试验五个试件为一组，计算5个测量值的算术平均值为最后结果。

2 结果与讨论

2.1 基材表面处理的影响

表面处理是指用物理或化学等方法来改变基材表面结构形态及性质，使胶黏剂尽可能充分润湿基材表面来获得理想的粘结强度。表面处理是大部分胶黏剂粘结工艺中非常重要的一个环节，所有的基材在加工、运输及储存等过程中，表面都会出现类似氧化层、有机污染物层、灰层等污染层，如果不进行适当的表面处理，将会大大影响粘结强度。除此之外，表面光滑也对粘结性能不利，所以也需适当提高表面粗糙度。适当地提高粗糙度能表面接触面积，从而提高机械嵌合力，但当过于粗糙甚至出现明显凹凸不平时，又会在凹处出现间隙或气泡，在凸处贫胶，导致胶层不连续，从而降低强度[6]。

为了验证基材表面处理对于云石胶压缩剪切强度的影响，在其他制样及养护因素相同的情况下，本次试验对基材（济南青）表面进行不同方式的处理，结果如表1所示。

表1 不同表面处理方法对压剪强度的影响

从表1可以看出，经过表面处理后的强度要比无处理时的大，而适当打磨后的基材表面粗糙度也有所提高，强度要比未打磨时稍微大，因此为了尽可能提高云石胶的粘结性能，常需对基材粘结面表面进行清洁处理。

2.2 胶层厚度的影响

为了研究云石胶胶层厚度对压缩剪切强度的影响，试验采用不同金属线控制厚度以及对试样加压，制成不同胶层厚度的5组试样进行对比，其试验结果如表2所示。

表2 不同胶层厚度的影响

从胶层厚度方面可以看出，当大于0.6mm时，压缩剪切强度会随着胶层厚度的增加而减小，导致这样的原因是：①随着胶层厚度的增加，胶层中的气孔、裂缝等其他隐藏内部缺陷会导致胶层内聚强度迅速下降；②云石胶为双组分固化型，其固化是一个自由基引发不饱和聚酯的碳碳双键与苯乙烯类单体交联固化的急剧放热过程，双键的断裂致使体积急剧收缩[8]（收缩率一般达到10%以上），因此当胶层越厚时，内部温度变化和膨胀等因素所引起的热应力、收缩力、应力差都较大，这些都会造成强度损失。除此之外，由于云石胶黏度大，流动性较差，胶层太薄（厚度小于0.4mm）很可能会出现缺胶现象，润湿性、渗透性、均匀性较差，使胶层与基材不能紧密接触，在受力时也会产生应力集中，加速胶膜破裂，从而导致强度变低[6-7]。

因此，为了保证获得最佳的剪切强度，必须要在不缺胶的情况下，尽量涂薄胶层并且施加适当的压力。

2.3 石材含水率及试件养护的环境湿度的影响

为了探究这一影响，试验从石材含水率（提前对制样前石材进行7d不同湿度的养护）及制样后养护的环境湿度两方面出发，制成5组相同的养护环境湿度、不同含水率的石材（养护的环境湿度按JC/T989-2016标准进行）及5组相同含水率的石材、不同养护环境湿度下的试件，其试验结果如表3所示。

表3 石材含水率及试件养护的环境湿度的影响

从石材含水率方面可以看出，压缩剪切强度基本会随含水率的上升而下降；而从养护的环境湿度不难发现，在湿度不高的情况下，强度基本变化不大，而当湿度大于50%时，强度会随着湿度的上升而逐渐下降。这是由于云石胶的主要成分不饱和聚酯结构中存在许多亲水性较强的酯键，在潮湿环境中主体树脂会慢慢水解，导致剪切强度急剧降低[1、8]。因此可知，在基材含水率过高以及施工制样养护过程中空气湿度较大时，均会对云石胶的强度有较大影响。

2.4 粘接面积对压缩剪切强度的影响

根据JC/T 989—2016[4]标准所描述的基材尺寸为（50×30×20~25）mm进行试验来探讨粘接面积对压缩剪切强度的影响。本试验制成7组不同粘结面积大小（粘结面宽度30mm不变，长度相应变化）大小的试件，制样方式及养护条件等按照标准要求进行，其试验结果如表4所示。

表4 粘接面积（粘接面长度）对压缩剪切强度的影响

从表4可以看出，压缩剪切强度基本会随着粘接面积（粘接面长度小于30mm时）增加而上升，但到一定程度（粘接面长度超过30mm时）时反而稍微有所下降。这是由于应力在粘接面的四周会更集中，当粘接面积较小时，粘接面周围应力对强度影响比较明显（面积越小，影响越大），而中间部分应力的影响会随着面积的增加相对变小，所以综合来说，强度会随着面积的增加而增大；当粘接面积增加大一定程度时，粘接面四周应力的影响相对减小，再加上粘接面内部缺陷等因素的概率增加，导致实际强度反而会稍微有所下降[7]。

3 结论

综上所述，为了获得云石胶较为理想的压缩剪切强度测试结果，在对基材进行有效的表面处理外，需将粘接面积控制在30mm×30mm的合理范围内，不管是基材还是制好的试件在养护过程中，需要严格控制好环境湿度。同时，涂胶过程中遵循在不缺胶的情况下，尽量涂薄胶层并施加适当的压力。