岩板瓷砖湿铺贴的粘结机理

摘 要：本文以物理化学表面与界面及热力学基础理论入手，对陶瓷岩板瓷砖的湿铺贴固着机制及原理进行分析、讨论和论证。建立了岩板瓷砖与粘合材料由液-固到固-固界面转变的思维模型。提出了岩板瓷砖与粘合材料的粘结界面、粘结强度、粗糙度等名词概念的内涵。通过论证得出：岩板瓷砖与粘合材料的粘结界面是一个既不稳定又脆弱的刚性界面，这种界面特质又是自然现象、客观存在；因此，岩板瓷砖的湿铺贴存在着‘不可抗拒的’质量风险。

关键词：表面；界面；粘结界面；缩胀效应；空压效应；粗糙度

1引言

岩板瓷砖的铺贴技术有很多种，其中湿铺贴是最主流的技术工艺。湿铺贴就是使用水泥砂浆及其复配物，将岩板瓷砖粘合在地面或墙面上。

岩板瓷砖只有经过铺贴，才能具备其使用价值。优质的铺贴质量可以赋予岩板瓷砖的装饰、加固和增值的使用功能。

探讨、了解和掌握岩板瓷砖湿铺贴的基本理论和原理，是优质湿铺贴的基础常识和基本技能。

2 术语释义（物理化学基本概念）

2.1 表面

狭义表述：凝聚态物质（液体或固体）与其饱和蒸气达成平衡时fCHAb+RGqKx/l8E6S6hD0Q==，在两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区，称为该凝聚态的表面。

广义表述：通常将凝聚态物质与空气达成平衡时，在它们的两个相面之间，约有几个分子厚度（纳米级）的紧密接触的过渡区（层），也称之为：该凝聚态的表面。严格来讲，这是一种气-液或气-固界面。

从习惯上来讲，我们将液体或固体与空气的界面称之为液体或固体的表面，表面也是一种特殊的界面。

2.2 界面

界面是指：两个凝聚态物质的两个相面接触时，约有几个分子（纳米）厚度的过渡区或过渡层。（若其中的一个相是气体，这种界面通常称之为表面）

界面的种类：气-液，气-固，液-液，液-固，固-固。

表面和界面是两个不同的物理学概念，有着不同的物理化学特征和性质。对岩板瓷砖与粘合材料的表面、界面的认识和探究，以及对研究岩板瓷砖与粘合材料所形成的粘结界面特征的认识和探究，有着深刻的现实意义。

2.3 润湿

润湿是指：在固体表面上，一种液体取代另一种与之不相混溶的流体的过程。

不同的固体表面能否被润湿，需要一定的条件。那就是：润湿前的固体表面的自由能＞润湿后的固体表面的自由能，且被润湿后的固-液界面的自由能＞原固体表面的自由能。

研究岩板瓷砖的表面可否被粘合材料所润湿，是实现优质的粘结界面的必备条件。

2.4 吸附

吸附是指：异相原子或分子附着在固体表面上的现象。吸附可导致固体表面的自由能降低，固体表面力场趋于稳定。

2.5 固体表面自由能

表面自由能又简称‘表面能’。是一种广泛存在的微观自然现象。

物化热力学认为：新创建的固体表面是不稳定的，表面上存在着力场。这个力场是由各种不同性质的力所构成的微观立体空间。例如，固体表面的原子、分子具有不饱和键，能吸引、吸附其它原子或离子，发生物理或化学变化。又例如，组成固体表面的物质中的分子、微粒、粒子基团等具有极性，可产生静电引力或排斥力，可与其它相面的物质产生润湿、吸附、沉积、凝固、化合等作用。

由于固体表面上力场的作用，可以产生出新的界面或表面。

岩板瓷砖的铺贴表面就是这种‘固体表面’，具备固体表面的所有特质，又有其不同的特征。深入对岩板瓷砖铺贴表面的探究，有助于其铺贴质量的提高。

2.6 表面张力

凝聚态物质表面力场的一种综合表现行为，可以直观的描述为一种力：表面张力。不同质地的固体表面，其表面张力的大小和特质各不相同。

岩板瓷砖铺贴表面的表面张力也是大不相同的，会严重地影响其与粘合材料的粘结牢度。

以固体表面上的液体和空气为例：可形成固体、液体两个表面和液-固一种界面。液体在固体表面能否自由地铺展润湿开来，是液体和固体表面张力的综合体现。若铺展顺畅则称之为综合表面张力小，它们的液-固界面的力场或自由能级降低，液-固界面达到稳定。

2.7 范德华力

范德华力也称之为分子间的作用力。就固体而言，是固体表面所具有的一种重要的力场作用。也是凝聚态物质的界面得以存在的热力学基础。

范德华力有以下描述形式：

（1）定向力：两个极性分子之间的静电引力，力度相对较强。

（2）诱导力：极性分子诱导非极性分子产生极性，进而产生的静电感应引力，力度相对较弱。

（3）分散力：非极性分子之间的相互吸引力，力度相对更弱。

（4）氢（H）键：氢原子之间的电性引力，力度相对很弱。

凝聚态物质间的范德华力是没有化学键键合的，相对于凝聚态物质内部的共价键、离子键而言，范德华力的键能很微弱。

范德华力还有一个特征：就是其键能很不稳定，会随外界因素的变化而发生变化。例如，水分子（H2O）会在不同的温度下呈现出固体、液体、气体三种形态。

2.8 粘结界面

液态物质在固态物质表面铺展、润湿、吸附、沉积、凝固所形成的界面。粘结界面可以是柔性界面，也可以是刚性界面。

一个优质的粘结界面应该具备诸多的特质因素：如较大场强的定向力和诱导力，决定着粘结界面的强度；界面的刚柔性决定着粘结界面的牢度；构成界面的粘合物与被粘合物的特质，决定着粘结界面的寿命。

岩板瓷砖的湿铺贴应用，就是要追求得到一种优质的粘结界面。

2.9 固化粘结

凝聚态物质间所形成的固-固界面，可称之为固化粘结。例如在钢铁（Fe）的表面电镀铬（Cr）的金属层；水泥砂浆与岩板瓷砖的湿铺贴粘合等。

形成固化粘结的两种固体物质，在其自身固化时可以产生溶化、熔融、结晶、键合、交联等反应，但在二者之间的固-固界面上并没有这些反应发生，而是由粘结界面转化来的固-固界面在起作用。

3 岩板瓷砖的湿铺贴性能

岩板瓷砖的湿铺贴性能取决于其铺贴表面的特征，其表面特征决定着形成粘结界面的优劣。

岩板瓷砖理想的铺贴表面特征因素：表面能，强度，粗糙度，吸水率，缩胀率、平面度等。

3.1表面能

较高的表面能级可产生较强的表面力场，有利于优质的粘结界面的产生。岩板瓷砖的表面能级主要取决于其组成配方和制作工艺，岩板瓷砖主要由硅酸盐构成。研究表明：硅酸盐表面吸附水膜可形成硅醇基团，硅醇基团是一种具有活性和极性的基团，可与粘合剂材料形成一定强度的粘结界面。

要追求岩板瓷砖有较理想的铺贴质量，就要在产品组成配方中加入可产生强极性能级的元素，如钾（K）、钠（Na）、钙（Ca）、镁（Mg）等金属矿物质元素。

3.2强度

较高的表面强度有利于粘结界面的稳固。

3.3粗糙度

岩板瓷砖铺贴表面的粗糙度是相对于其使用光面而言的。粗糙度即铺贴表面的起伏程度。相对于其使用光面，铺贴表面最大特征有两个：一是具有凹凸起伏的表面，二是延展后其表面积的增加。

某产品的规格确定时，其使用面积亦确定。延展开来的铺贴表面积，其值大者受到的粘接力就大。

粘结强度（fat）、粘结力（F）、粘结面积（Az）之间的关系：

fat = F/Az F = fat×Az

要追求铺贴表面积越大，就要将铺贴面的图案（背纹）制作的越复杂、凹凸起伏（背纹深度）越大。

受岩板瓷砖冲压成型生产技术的制约，背纹图案越复杂、背纹深度值越大，岩板瓷砖的冲压坯体的脱模就越困难，坯体的强度就会变差，烧制后的变形就会越大。

岩板瓷砖铺贴表面的粗糙度是一个相对值，可以用下面公式表示：

Sc = λ（S2 - S1） / S1

Sc：粗糙度值

λ：凹深系数值，实际可检测得到。

S2：背纹表面积值，可计算得到。

S1：光面表面积值，可计算得到。

国标GB/T 4100-2015《陶瓷砖》规定：瓷砖背纹纹路设计时其凹凸值应≥0.7mm。

若岩板瓷砖背面没有纹路时，两面表面积相等：

则 S2 = S1， Sc = 0，即λ= 0

所以上式中凹深系数λ应为正数，取值范围：λ≥0，或≥0.7。

岩板瓷砖铺贴表面的粗糙度值Sc，可以作为其一项重要的质量指标，应用于生产质量管理之中。生产厂商应将实际粗糙度值予以标注，可为消费者提供一种铺贴质量优劣的参考选项。

3.4吸水率

岩板瓷砖的吸水率是其一项重要的质量指标，同时也是其铺贴性能优劣的重要指标。

国家标准GB/T4100-2015《陶瓷砖》中，根据吸水率（E）的不同将陶瓷砖进行了分类：

陶瓷砖产品因为不同的吸水率，标志着其产品生产时原料、工艺、强度等指标的不同。用户可以依据其不同的吸水率，选择不同的陶瓷砖品种使用在不同的场合。

陶瓷砖产品之所以有不同的吸水率，说明陶瓷砖的表面和砖体中，存在着不同数量、相互连通的空穴、空隙和裂痕等表象，这种表象我们称之为‘毛细管结构’。毛细管结构可以产生吸附流体的‘毛细管效应’。

用于粘合陶瓷砖的水泥砂浆中，主要是由硅酸盐的氧化态成分构成。在水的溶解作用下，可以nGVNYgeQ8CeO7Dx9eszYig==从水泥中溶出大量的‘水玻璃（Na2O.nSiO2）’和‘硅溶胶（mSiO2.nH2O）’之类的物质。这种硅溶胶类物质的大小是分子量级（10--20纳米）的，可以随水渗透到毛细管结构之中，水分蒸发后可以Si-O健相结合，形同‘毛细草根’一样，相互牢固结合、粘接在一起。这种硅溶胶类物质就是优良的无机粘接剂。

岩板瓷砖的吸水率普遍较低，因此岩板瓷砖的毛细管效应差，其湿铺贴性能就较差。

岩板瓷砖的吸水率指标可以通过检测得出，企业可以将其检测数据标明在外包装上，同时，也可为消费者提供一种铺贴方式方法的选择参考。

岩板瓷砖吸水率国标检测标准为GB/T 3810.3-2016《陶瓷砖试验方法》第3部分：吸水率的检测。

3.5缩胀率

岩板瓷砖的缩胀率是其重要的自然属性，缩胀率的大小关乎着其铺贴性能及使用功能的实现。

自然界中物质的形态会因为外界的条件变化而发生形态变化。岩板瓷砖同样会因为温度、湿度等因素的改变，产生伸缩或膨胀的形态改变，这种形态变化称之为岩板瓷砖的‘缩胀效应’。这种缩胀效应是可逆的，是可以反复发生或出现的。

α = 单位长度的材料温度每升高一度的伸长量

实验表明，相同材料的缩胀效应，会因其密度、形态、线性尺寸等因素产生差异。说明同种材料的缩胀效应还存在着‘各向差异性’。

例如，相同规格相同条件下的岩板瓷砖，因其内部密度的不同，它们的缩胀值会有差异，密度值高者缩胀值也会高。

又例如，不同规格相同条件下的岩板瓷砖，线性尺寸较大者缩胀值也会较大。

又例如，同一片岩板瓷砖，因其铺贴面与光面表面积的大小不同，它们的缩胀值也会存在差异，表面积大者缩胀值也大。

岩板瓷砖在受到温度和湿度的改变时，都会发生不同程度的收缩和膨胀，这是两种不同性质的缩胀效应。因此，岩板瓷砖的缩胀就分为热缩胀和湿缩胀两种形式。

热缩胀：由于受温度的变化而产生的缩胀效应。

湿缩胀：由于受湿度的变化而产生的缩胀效应。

缩胀率：相同材料的岩板瓷砖，在不同条件下的膨胀或收缩的变化程度。

虽然岩板瓷砖受湿度的变化会产生缩胀效应，但其吸水率的大小不能代表缩胀率的大小。

岩板瓷砖的缩胀率是其铺贴性能的最大影响因素之一。

岩板瓷砖缩胀率的大小，是其使用寿命长短的重要指标之一。

岩板瓷砖缩胀率越小，对铺贴表面所形成的粘结界面的损害就越小，岩板瓷砖的粘合牢度保持的时间就会越久。

岩板瓷砖的缩胀率可以通过检测得出，企业应将其检测数据标注在外包装上，也可为消费者提供一种铺贴方式方法的选择参考。

岩板瓷砖缩胀率国标检测标准：

GB/T 3810.8-2016《陶瓷砖试验方法》第8部分《线性膨胀系数》

GB/T 3810.10-2016《陶瓷砖试验方法》第10部分《湿膨胀系数》

3.6平面度

岩板瓷砖的平面度是指：岩板瓷砖上下两个表面是否平行，及每个表面应在同一个平面内。就其铺贴表面而言，要求其中间、四角、四条边应在同平面内，且不得有凹凸起翘等缺陷。

若岩板瓷砖的平面度不好，例如铺贴面凹陷（或光面鼓起），铺贴后的砖板因其自身的弹性形变，会对粘结界面造成破坏。

岩板瓷砖形态尺寸的检测应遵照国标检测方法标准：

GB/T 3810.2-2016《陶瓷砖试验方法》第2部分《尺寸和表面质量的检验》。

4.粘合材料的铺贴性能

粘合材料的铺贴性能应集中体现在它的界面粘接性能上，而非其凝固后的自身强度。凝固后的自身强度好，不代表其界面粘结力就大、粘接能力就好。也不代表其形成的粘结界面就一定是优良的。

品质优良的粘合材料应具备：强极性、亲和力、刚柔并济、稳定性、经济性等特质。

4.1强极性

粘合材料中应富含极性分子及其化合物，能与岩板瓷砖铺贴表面的极性分子相配伍并形成广泛的范德华力，这是粘结界面牢度的源泉。粘合材料的极性强粘结力就强。

根据相似相溶原理，优质的水泥砂浆就是一种优良的无机粘合材料。水泥砂浆中添加少量的无机或有机粘接剂、添加剂，可以部分增强其粘结力、柔韧性等各项指标。

4.2亲和力

亲和力即对岩板瓷砖表面的润湿、铺展、附着的能力。 粘合材料形成的的液体表面，相对于岩板瓷砖表面的表面张力要小。要有一定比例的亲水基团的表面活性剂，例如有机磺酸盐类等，可有效降低液-固界面的表面张力和能级。

4.3刚柔并济

岩板瓷砖与粘合材料最终形成的是固-固粘结界面，两个密度不同的固体，所形成界面的缩胀效应是不同步的。通常岩板瓷砖的缩胀会大于粘合材料，这就要求粘合材料的凝固体能随岩板瓷砖的缩胀而缩胀。

如何降低它们之间的缩胀差，是优质粘合剂应具备的特质之一。

4.4稳定性

粘合材料的稳定性有两个方面内容，一是材料自身的稳定性，二是凝固过程及使用过程的稳定性。

材料自身稳定性：耐储存、不变质，不降解、不漂油，无气泡。

使用过程的稳定性：使用条件宽泛、操作工艺简单。粘结强度、缩胀率长期稳定。

4.5经济性

无污染，易操作，低成本，有售后。

5.岩板瓷砖与粘合材料的铺贴

岩板瓷砖与粘合材料铺贴时的粘合过程，就是由液-固界面转化为固-固界面的过程。这个过程会存在诸多不定的因素，影响着岩板瓷砖粘结界面的质量。

优质的液-固界面应该是：均匀、连续、密实、稳定的柔性界面层。

优质的固-固界面应该是：均匀、连续、密实、稳定且柔韧性好又坚固的刚性界面层。

长期应用实践表明，要达到优质的界面层是很困难的。岩板瓷砖与粘合材料形成的固-固粘结界面，尚存在着两大特征急需解决：

5.1 关键特征1：固-固粘结界面的稳定性较差

岩板瓷砖和粘接材料形成固-固界面后，因自身都存在着缩胀效应，且缩胀率不同步。在单位面积上，这种缺陷会以‘界面剪切振荡’、或类似‘界面横波震动’效应呈现。虽然这种‘震荡、震动’释放的能量微小，但随着使用时间的推移，能量的积累，粘结界面将逐渐地被破坏。

粘结界面的稳定性差是客观存在，只要这种固-固界面存在它就会存在。

5.2 关键特征2：固-固粘结界面的脆弱性

岩板瓷砖和粘接材料所形成的固-固界面是一种刚性界面，或称之为‘脆性界面’。这种界面类似于玻璃体，坚固有余、柔韧不足。加之界面上仅有范德华力的存在，极易在较小的集中应力作用下，力键断裂、剥离开来。

例如，铺贴操作时，粘结界面上或粘合剂内部的均匀性、连续性、密实性是难以做到的，这其中会造成空气的储存或聚积。大规格、大面积铺贴时片差会更严重。

通常情况下，岩板瓷砖的表面都烧结着一层密实釉面层，吸水率低的铺贴面上也处于封闭的状态。固-固界面上存在的数量众多、大小不一、又相对独立的孔洞和空穴，其内部的空气会随温度的变化，产生不同强度的压力，导致界面上产生上下鼓起的运动趋势。这是一种‘界面纵波震动’的类似效应，界面上众多的、密集的微孔洞，每个都是一个‘微震源’。这种‘震动波’累积的能量是相当可观的，届某一临界点时，可导致界面的崩溃。这种现象可称之为‘空压效应’。

6 结 语

陶瓷岩板瓷砖的湿铺贴，是一种典型的液-固、固-固界面形成的物理化学过程。‘表面’‘界面’理论可以完整地分析和描述它们的粘结机理。

岩板瓷砖与粘合材料所形成的固-固界面，是一种‘刚性+脆性’的界面，被称之为‘粘结界面’。

粘结界面间存在着相互平行的‘粘结力’，相互作用在岩板瓷砖和粘合材料的固体表面上。这种粘结力的性质属于范德华力的范畴。

由于岩板瓷砖与固化后的粘合材料所形成表面的特殊性，会导致‘缩胀效应’及‘空压效应’产生。

缩胀及空压效应将导致粘结界面既不稳定又很脆弱，粘结界面的强度值随时间函数呈现下滑趋势，最终将导致粘结界面被‘剪切’崩解。

岩板瓷砖与粘合材料所形成的粘结界面的这些特征，是自然现象，是客观存在。它们是共生互存的关系，只要粘结界面存在它们就会存在。

这些特征就决定着岩板瓷砖的湿铺贴存在着‘不可抗拒的’质量风险。要改变这样的质量风险，要么改变粘结界面，要么寻求‘外力介入’。在岩板瓷砖粘结界面上增加一种剪切抵抗力是必须的。

参考文献

[1]GB/T4100-2015陶瓷砖.[S].北京：中国标准出版社，2015.

[2]GB/T 3810.3-2016陶瓷砖试验方法，第3部分：吸水率的检测.[S].北京：中国标准出版社，2016.

[3]GB/T 3810.8-2016陶瓷砖试验方法，第8部分：线性膨胀系数.[S].北京：中国标准出版社，2016.

[4]GB/T 3810.10-2016陶瓷砖试验方法，第10部分：湿膨胀系数.[S].北京：中国标准出版社，2016.

[5]GB/T 3810.2-2016陶瓷砖试验方法，第2部分：尺寸和表面质量的检验.[S].北京：中国标准出版社，2016.

[6]JGJ/T70-2009.建筑砂浆基本性能测试方法标准.[S]

[7]赵亚勇，表面与界面物理力学[M].北京：科学出版社，2012.