聚合物对水泥基瓷砖胶粘结强度及耐久性能影响研究

摘 要：本文研究了在自然环境、浸水环境、热老化环境及冻融环境下，使用偏高岭土、硅灰取代瓷砖胶中的水泥及不同聚合物掺量对瓷砖胶粘结强度的影响。结果表明：5%掺量的可再分散乳胶粉可以提升瓷砖胶的粘结强度、耐水性能、热老化性能及抗冻融性能；随着纤维素醚掺量的增加，瓷砖胶粘结强度与热老化性能提升，但耐水性能提升不大，甚至有害于抗冻融性能；随着甲酸钙掺量的增加，瓷砖胶粘结强度与热老化性能提升，但抗冻融性能及耐水性能却在降低。

关键词：纤维素醚；可再分散乳胶粉；甲酸钙；耐久性能；粘结强度

1 背景

瓷砖胶是一种用于粘贴瓷砖的现代装修材料，被应用于不同建筑的不同部位。而高层建筑外墙的瓷砖胶长期暴露于自然环境中，会遭受雨水、高温及冻融等损害，造成瓷砖脱落、翘曲变形等一系列问题，危害结构安全，这对瓷砖胶的耐久性能提出了更高的要求。

通过往瓷砖胶中加入聚合物来提升其性能，一般为乳胶粉[1-2]、纤维素醚[3]、淀粉醚[4]、甲酸钙[5]等，聚合物的使用可以提升瓷砖胶粘结性能以及力学性能，延长瓷砖的使用寿命。王瑾等[6-7]研究了不同掺量的可再分散乳胶粉对水泥基瓷砖胶自然条件下拉伸粘结强度的影响。发现乳胶粉的掺量不应小于配方总质量的1%，其最佳用量控制在2%～4%最为合适。另外，在水泥基瓷砖胶中掺入适量的可再分散乳胶粉有利于提高瓷砖胶浸水处理和热老化处理后的拉伸粘结强度。同时，不同种类的可再分散乳胶粉对水泥基瓷砖胶拉伸粘结性能影响以及耐久性能也不同，掺入PVA[8]、VINNAPAS 8620E三元共聚可再分散乳胶粉[9]，可以提升水泥基瓷砖胶常温下的拉伸粘结强度。除了可再分散乳胶粉之外，纤维素醚也是一种常用的水泥基瓷砖胶添加剂。Pawe1 Pichniarczyk[10]等人研究了不同粘度的纤维素醚对水泥基瓷砖胶性能以及机理的影响。使用低粘度的纤维素醚，水泥基瓷砖胶的性能无法满足规范要求，当添加中等粘度的纤维素醚时，瓷砖胶的性能最为优异，王恒煜等人的研究也得出了这一结果[2]。利用矿物掺合料来替代水泥基瓷砖胶中的水泥成为近年来的一个研究趋势。董峰亮等[11]利用粉煤灰取代瓷砖胶部分水泥，研究对瓷砖胶性能的影响，当使用粉煤灰以50%的取代量替代水泥时，水泥基瓷砖胶的拉伸粘结强度可达最优。范郭城等[12]研究了矿粉和偏高岭土对水泥基瓷砖胶性能的影响，发现使用矿粉、偏高岭土单掺或复掺均可显著提高其浸水后的拉伸粘结强度，其中，矿粉与偏高岭土在复掺时，总掺量为6%对瓷砖kfGSAzLccnuAVzJ5K5p0AA==胶粘结强度最优。

通过以上聚合物以及矿物掺合料调整的水泥基瓷砖胶，大部分研究集中于瓷砖胶经自然养护后的粘结强度，少数瓷砖胶耐久性能研究也是在规范标准范围内。本文通过使用硅灰和偏高岭土替代水泥基瓷砖胶中的水泥，使用可再分散乳胶粉、纤维素醚以及甲酸钙对水泥基瓷砖胶进行改性，研究其经自然环境、不同温度浸水和热老化环境，以及冻融循环环境养护后的拉伸粘结性能，为高性能聚合物改性水泥基瓷砖胶的研发制备提供理论依据。

2试验

2.1原材料

水泥：海螺牌P·O42.5硅酸盐水泥，主要性能见表1；硅灰：由Elkem公司提供，其比表面积为21.36 m2/g，密度为2000 kg/m3；偏高岭土：产自巩义市欧尚耐材有限公司纯白色偏高岭土；砂：采用河南初灿环保科技有限公司生产的石英砂，粒径级配范围为40-70目、70-140目；纤维素醚：山东天盛纤维素股份有限公司，粘度为75 Pa·s的甲基纤维素醚；胶粉：乙烯-醋酸乙烯共聚物，4010N瓦克公司可再分散乳胶粉；早强剂：甲酸钙，山东凯米科化工股份有限公司；水：自来水。

2.2试验方法

瓷砖胶拉伸粘结强度试样的制备参照JC/T 547-2017，在环境温度23 ± 2℃、相对湿度50 ± 5%，且试验区循环风速小于0.2 m/s的标准环境中养护27 d后进行拉伸粘结强度试验，拉拔仪器使用万详中工WX-6000C 拉拔仪；耐水性试验先将试件置于标准环境中养护7 d，之后浸入温度为23℃的水中，浸泡20 d；除此之外，浸入温度为50℃的水中20 d，浸泡规定时间后，将试件从水中取出测试拉伸粘结强度，试验仪器使用绍兴上虞详达仪器制造有限公司的电热恒水浴槽；热老化试验先将试件置于标准环境下养护14 d，然后将试件置于70℃的烘箱中14 d，置于100℃的烘箱中14 d，高温养护规定时间后，将试件从烘箱中取出测试拉伸粘结强度，试验仪器使用上海精宏实验设备有限公司的烘箱；冻融试验先将试件置于标准环境中养护7 d，然后将试件浸入23±2℃的水中养护21 d。之后进行高温15±3℃，低温-15±3℃冻融循环，试验仪器使用天津港源试验仪器厂的全自动低温冻融试验机，冻融循环25次后测试砂浆拉伸粘结强度。

2.3配合比

研究包括6种瓷砖胶配合比。C-0为基准配合比组，CR-5表示乳胶粉质量分数为5%，CF-0.3表示纤维素醚质量分数为0.3%，CJ-0.75表示甲酸钙质量分数为0.75%，以此类推。采用乳胶粉质量分数为2%、5%；甲酸钙质量分数为0.5%、0.75%、1%；纤维素醚质量分数为0.2%、0.3%、0.4%。具体配合比如表2所示。

3试验结果与讨论

3.1拉伸粘结强度

图1为不同可再分散乳胶粉掺量（2%、5%）、不同纤维素醚掺量（0.2%、0.3%、0.4%）、不同甲酸钙掺量（0.5%、0.75%、1.0%）瓷砖胶28 d拉伸粘结强度。由图可以看出，瓷砖胶的粘结强度随着聚合物掺量的增加而增加。随着可再分散乳胶粉、纤维素醚和甲酸钙掺量的增加，瓷砖胶的粘结强度分别增大了21.4%、35%以及21.1%。在三种聚合物瓷砖胶的六个配合比中，其中可再分散乳胶粉掺量为5%的CR-5组拉伸粘结强度最大，为3.4MPa；甲酸钙掺量为0.75%的CJ-0.75组拉伸粘结强度最小，为1.9MPa。

由此可以看出，可再分散乳胶粉、纤维素醚以及甲酸钙的掺入可以提升砂浆28 d拉伸粘结强度，其中纤维素醚掺量的增加对砂浆粘结强度的提升效果最好，但强度不是最高；纤维素醚具有引气作用，使砂浆浆体的含气量增加，另外，纤维素醚能够吸收砂浆浆体内部的自由水使其自身体积膨胀增大，当其失水后会产生气孔，增加砂浆浆体孔隙率，降低结构密实性[13-14]，因此对强度提升效果并不明显。可再分散乳胶粉与甲酸钙掺量的增加，对砂浆粘结强度的提升效果相似，但比纤维素醚的强度提升效果差，掺入可再分散乳胶粉的砂浆强度最高。一方面，可再分散乳胶粉能够在试验基材板与砂浆浆体之间形成粘性膜，增加砂浆的粘结强度[15-16]，另外，可再分散乳胶粉也能够在砂浆浆体内部空隙处以及裂缝处形成粘性薄膜，使得水化产物与集料之间的连接更紧密，提高浆体密实度[17]，从而提高砂浆的拉伸粘结强度。甲酸钙能够提升砂浆3 d、7 d等早期粘结强度，而对砂浆28 d粘结强度的影响不大[18]。

3.2耐水性能

图2为聚合物瓷砖胶在自然环境下、23℃浸水环境下、50℃浸水环境下的28 d拉伸粘结强度。由图可以看出，随着聚合物掺量的增加，在自然环境下，瓷砖胶28 d拉伸粘结强度也随之增大。在23℃浸水环境中，只有在乳胶粉试验组中，瓷砖胶粘结强度随着乳胶粉掺量的增加而增加；而纤维素醚掺量的增加，并没有引起瓷砖胶粘结强度的变化；并且随着甲酸钙掺量的增加，砂浆粘结强度反而在减小，减小了16.7%。在50℃浸水环境中，随着乳胶粉和纤维素醚掺量的增加，砂浆粘结强度在增大，分别增大了11.5%和6.9%；而随着甲酸钙掺量的增加，砂浆粘结强度却在降低，降低了3.6%。由此可以看出，在自然环境中，三种聚合物对砂浆粘结强度都有增益作用；在23℃和50℃浸水环境中，乳胶粉对砂浆粘结强度有增益作用，而甲酸钙的掺入却不利于砂浆粘结强度；纤维素醚可以提高瓷砖胶在50℃浸水环境中的粘结强度，但强度增加幅度不大。2e9ef688f1e3349711a6ce93d4cc4e4e0d8c90bf5fd17a6b7f846f31c15dc072

另外，在乳胶粉试验组中，23℃和50℃浸水环境对瓷砖胶的强度不利，随着浸水环境温度的升高，C-0组和CR-5组瓷砖胶的强度分别降低了约60%和10%。在纤维素醚试验组中，23℃浸水环境对砂浆粘结强度不利，而50℃浸水环境能够提高砂浆粘约30%的粘结强度。在甲酸钙试验组中，23℃浸水环境同样会降低砂浆拉伸粘结强度，50℃浸水环境能够提升约32.4%粘结强度。由此可以看出，23℃浸水环境并不利于聚合物瓷砖胶粘结强度的发展，50℃浸水环境不利于乳胶粉试验组砂浆粘结强度，但影响不大，但提升了纤维素醚组与甲酸钙组砂浆的粘结强度。在50℃浸水环境中，水通过浆体孔隙进入内部，并且在50℃高温下，促进未水化水泥颗粒的水化，砂浆内部孔隙被水化产物填充从而使得基体更为密实，提高砂浆粘结强度。

3.3热老化性能

图3为聚合物瓷砖胶在自然环境、70℃热老化环境以及100℃热老化环境下28 d拉伸粘结强度。由图可以看出，在三种环境中，瓷砖胶的粘结强度随着聚合物掺量的增加而增加。在70℃热老化环境下，可再分散乳胶粉、纤维素醚以及甲酸钙试验组，粘结强度分别增大了22.7%、 26.3%以及 33.3%；在100℃热老化环境下，分别增大了5.3%、 23.5%以及 36.4%。由此可以看出，砂浆结合使用可再分散乳胶粉、纤维素醚以及甲酸钙，可以提升其热老化性能，其中甲酸钙对瓷砖胶粘结强度的提升效果最好。

另外，在每个配比试验组中，瓷砖胶的粘结强度都随着环境温度的升高而降低，100℃的环境温度对瓷砖胶的强度损伤最严重，在100℃高温环境中，水泥砂浆浆体内部的C-S-H水化产物会高温分解，在浆体内部产生热裂纹和孔洞，并且部分氢氧化钙产物也会分解，从而使得硬化砂浆浆体结构疏松，降低其粘结强度[19]。其中在CR-5试验组中，环境温度由常温升高到70℃与100℃，强度降低了约41%、21%，是六个配合比中强度降低最大的，可再分散乳胶粉在砂浆内部形成的“壳-核”结构，其保护胶体“壳”极易在高温环境中受热分解，从而使得在水化产物之间形成的粘性膜破坏，产生裂纹，降低砂浆粘结强度，从而可见，可再分散乳胶粉对砂浆抗热老化性能的提升不如纤维素醚与甲酸钙[20]。

3.4 抗冻融性能

图4为聚合物瓷砖胶在冻融环境下28d拉伸粘结强度。由图可以看出，在冻融循环环境下，瓷砖胶粘结强度随可再分散乳胶粉掺量的增加而增加，增大了25%；随纤维素醚掺量的增加而减少，减少了20%；而甲酸钙掺量的变化并没有引起瓷砖胶粘结强度的变化。可以看出，可再分散乳胶粉可以提高砂浆抗冻融性能，而纤维素醚与甲酸钙并不能提升砂浆抗冻融性能，甚至会降低其粘结强度。

养护环境由自然环境变为冻融循环环境，六个配比中砂浆强度都显著降低，在CJ-1试验组中砂浆强度降低最大，降低了73.9%。可以看出，相比于热老化与耐水环境，冻融循环环境对砂浆强度损伤显著。在砂浆浆体内部存在大量可结冰的毛细孔，孔溶液在冻融环境下结冰膨胀，从而使得孔壁产生裂缝，破坏浆体结构；可再分散乳胶粉、纤维素醚以及甲酸钙聚合物的掺入，使得孔溶液中盐的浓度升高，在已结冰的孔中，周围未冻溶液中的盐浓度升高，形成浓度差，使得孔溶液向周围迁移，在迁移的过程中形成静水压力[21]。因而冻融环境对瓷砖胶强度的损害严重，但经冻融循环后的瓷砖胶粘结强度都在0.5MPa以上。

4 结论

（1）可再分散乳胶粉、纤维素醚以及甲酸钙的掺入可以提升砂浆28 d拉伸粘结强度，其中纤维素醚掺量的增加对砂浆粘结强度的提升效果最好。

（2）在23℃和50℃浸水环境中，乳胶粉对砂浆粘结强度有增益作用，而甲酸钙却在降低砂浆的粘结强度；纤维素醚在23℃浸水环境中对砂浆粘结强度没有影响，而在50℃浸水环境中能够提高其粘结强度，但强度增益效果不大。23℃浸水环境并不利于聚合物瓷砖胶粘结强度的发展，50℃浸水环境虽降低了乳胶粉试验组砂浆粘结强度，但影响不大，提升了纤维素醚组与甲酸钙组砂浆的粘结强度。

（3）乳胶粉、纤维素醚以及甲酸钙掺量的增加，可以提升砂浆热老化性能，其中，在自然环境下，纤维素醚对砂浆粘结强度的增益效果最好；在70℃和100℃热老化环境下，甲酸钙对瓷砖胶粘结强度的提升效果最好。70℃热老化环境和100℃热老化环境都会对砂浆的拉伸粘结强度有损害，100℃热老化环境对强度损伤最严重。

（4）乳胶粉掺量的增加，可以提升砂浆耐冻融性能，而纤维素醚与甲酸钙掺量的增加，并不能提升砂浆耐冻融性能，甚至降低了砂浆的拉伸粘结强度。不同于热老化与耐水环境，砂浆在冻融循环环境下，其拉伸粘结强度损失是十分显著的，强度损失率都达到了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