建筑腻子抗裂性能试验方法的研究

1、建筑腻子抗裂性能试验方法的研究项目完成单位: 国家化学建筑材料测试中心（建工测试部）项目完成人: 马 捷 袁 扬关键词: 建筑 腻子 抗裂性能 试验随着我国建筑业的迅猛发展，建筑涂料在内外墙墙体装饰中成为主要的装饰材料之一，它以优异的装饰性、耐久性、施工简便性及好的性能价格比越来越受到市场的欢迎。在全国大中城市，特别是京津、珠江三角洲、长江三角洲等经济发达的地区使用建筑涂料进行内外墙装饰的工程比比皆是，但是随着工程量的增多，出现了一些较为普遍的工程质量问题，其中最为严重的是涂装完成经过一段时间（大多一年）后，墙体出现龟裂等现象，这不但给建筑物带来损失，造成渗水等弊病，还使涂料丧失了装饰性，严重

2、影响了建筑涂料的声誉。这个问题如果得不到很好地解决，会阻碍建筑涂料的迅速发展。建筑墙面局部开裂主要是由于建筑结构内部存在不均匀的动态应力，外部温湿度变化等因素也会诱发不均匀膨胀或收缩从而产生局部应力。普通薄质涂料层一般厚度不超过0.1mm，抗开裂应力的能力较低，当基材裂缝扩张或产生新的开裂时，涂料层可能在对应位置开裂，丧失应有的保护和装饰功能。当前解决建筑墙面裂缝或裂纹（不包括结构裂纹）的技术途径，除提高抹灰砂浆柔性以减少基材开裂外，主要是先在涂料层下批刮厚度为12mm的抗裂性腻子，吸收开裂应力，缓冲裂纹扩展，同时填补墙体裂缝和缺陷，为涂料提供平整、光滑、稳定的涂饰表面，提高装饰效果和耐久性。

3、目前，抗裂性腻子在外墙装饰装修工程中的应用已取得明显效果，其生产厂家和产量逐渐增多，但也应运而生一些性能低劣的产品，控制建筑腻子的抗开裂性显得尤为重要，但目前尚无适合的试验方法和相应的试验仪器。2002年5月由科学技术部下达任务，国家化学建筑材料测试中心（建工测试部）为承担单位，双方签订了工作项目任务书【科】200114。根据任务书要求，项目组开展了一系列研究开发工作。目前国内外资料中还没有发现有关建筑腻子抗裂性能的试验方法。在建筑材料中抗裂性能常用与弹性相关的指标来表征，例如建筑外墙弹性涂料应用技术规程DBJ/T 01572001，就是以涂料层断裂延伸率的测试值来判定抗裂性能。而实际上材料在

4、测试过程中的受力状态、变形和断裂过程的机理都有别于真实情况。经大量调研和查询，发现溶剂型橡胶沥青防水涂料JC/T 852-1999规定的抗裂性试验方法原理基本能表征建筑腻子的开裂过程。在调查分析可参照的标准试验方法基础上，本项研究依据建筑腻子产品特点和实际使用状态，对试验仪器、试板样式规格、制样工具和试验操作条件进行了选择和开发设计，通过大量试验对影响试验的因素、方法的适用性、试验精度、重复性和再现性进行了研究。通过本研究提出的试验方法，已经纳入2003年11月完成的建筑外墙用腻子标准报批稿，本项研究的试验结果也成为拟订抗裂性能指标的技术依据。一、抗裂性能试验方法分析在建筑材料中常用与弹性相关

5、的指标来表征材料的抗裂性能，例如用涂料层断裂延伸率的测试值来判定。这种方法只能间接反映材料的抗裂性能，且有局限性：1、 测试样品厚度通常与产品的真实使用厚度存在差异；2、 测试样品在测试过程中为整体自由伸长，而实际中由于存在与基材的粘结，产品只可能在极小范围内产生局部伸长；3、 难以反映基材在使用过程中裂纹不断产生或扩展的情况，即动态开裂过程；4、 对于建筑腻子这类偏刚性产品，制备哑铃状试件存在较大困难，极易发生试件断裂；5、 测试结果缺乏直观性和对产品实际应用的指导性。针对这些问题并结合考虑建筑腻子的实际应用状况，我们认为测量基材开裂而腻子层不开裂时的基材最大裂纹宽度是一种更能模拟真实情况的

6、试验方法。通过对大量国内外相关标准的进一步调研，在建材行业标准溶剂型橡胶沥青防水涂料JC/T 852-1999中找到了与我们思路相近的对产品弹性的表述方式，该标准中称之为抗裂性指标。该标准规定如下:表1项目技术指标一等品合格品抗裂性基层裂纹，mm0.30.2涂膜状态无裂纹 标准要求的抗裂性试板由水泥和砂按1：3制成水泥砂浆，中间夹一层钢丝网制成，尺寸为200mm×100mm×10mm。抗裂性的试验器具为涂膜抗裂性测定仪和8倍放大镜。但标准中并没有给出仪器的示意图，同时，经过实际操作我们发现，要想观察0.20.3mm的裂纹宽度，仅仅依靠8倍的放大镜几乎是不可能的。二、试验部分

7、 研究报告中的腻子抗开裂性是用于表征表层材料抵抗基材裂纹扩展的能力，实际上是一个由动态过程获得的数据。它的基本设计思路一是想寻找一种适合的方法和仪器来尽可能模拟实际墙面裂纹的动态发展过程；二是希望为生产厂家和用户提供一个具有实际参照和指导意义的量化指标；三是要求满足上述要求的检测仪器操作性好、价格低廉。1、试验仪器的选择（1） 动态抗开裂试验仪通过查阅国内外资料及调研市场，均未发现能够很好实现上述设计思路的试验仪器，一些国外公司在企业标准中涉及的检测方法和仪器虽然有一定的参考意义，但这些测试仪器中或使用了一些诸如传感器的昂贵原件，或模具精度要求太高，考虑成本方面的因素使之难以在国内普及。为此，

8、我们必须自主开发能够满足要求的试验仪器。 设计思路建筑内外墙饰面的基材在使用过程中会由于应力集中或其他原因的影响逐步产生裂纹，随着裂纹的扩展其宽度也会缓慢增加，当裂纹纵贯了整个基材层之后，就会进一步扩展并影响腻子层和涂料层。如果采用人工试验来模拟这个动态变化过程，最为符合的模式应该是基材在水平力的作用下逐步开裂进而影响腻子层，但这种模式较难实现，主要存在两方面问题：a. 如果直接施加外力使试验板材开裂，不仅需加的外力较大，且加力的大小不易控制；b. 如果将试验板材拼接后制样，试验时观察拼接缝的开裂情况，这样需加的外力会较好控制，但板材的拼接会很困难，很难保证在刮批腻子时每一点的接缝宽度都在零点

9、几个毫米。为此，我们考虑采用顶裂试验方法，由于建筑腻子属于偏刚性的产品，能够承受的基材裂纹相对很小，在这种情况下，这种方法基本能够达到模拟效果。 动态抗开裂试验仪初型依据上述设计思路，结合建筑腻子的特点并考虑到一般涂料检测部门的现有条件，我们研究设计出了抗开裂试验仪的初型，如图1所示。仪器以顶刀和两根限位棒固定样板同时通过千斤顶控制顶刀上升，顶裂试验板材并观测裂纹宽度。通过试验发现，即使使用最小的千斤顶，产生的力仍然偏大，且很难控制均匀加力，往往造成试验基材和腻子层同时开裂。图1 抗开裂试验仪初型动态抗开裂试验仪样机针对抗开裂试验仪初型的种种问题，我们通过寻求与专业建筑试验机生产厂家的合作，对

10、仪器进行了大胆改进，改进后动态抗开裂试验仪样机如图2所示。图2 动态抗开裂试验仪样机该仪器是通过转动手轮，以螺杆传动的形式控制顶刀升降，每转动一圈的升降高度与预制螺距相同，其转动一圈的位移量为1mm；加力均匀且容易控制。顶刀采用经特殊处理的高硬度钢制成，其截面形状由原来的改为刃口具有一定弧度的，这样不仅可以进一步缓和顶力，而且也能减少刀口的磨损。 仪器结构仪器如图3所示：图3 动态抗开裂试验仪结构图（2）立式读数显微镜如果依靠传统的放大镜加直尺的方法来读取裂纹宽度，不仅操作难度会增加，试验精度也难以保证。在本项研究中采用立式读数显微镜，放大倍数为80倍，视野最大宽度为0.14mm，最小分度值为

11、0.01mm。该仪器操作简便，视野清晰，读数准确，能够很好的满足试验要求。在附录一总结的试验方法中，结合试验精度要求和价格方面的考虑，认为50倍，分度值为0.02mm的读数显微镜即可满足使用要求。2、试样的选择（1）试验板材的选择板材材质的选择与防水涂料和弹性涂料相比，腻子属于相对较为刚性的产品，因此，要想在动态过程中观察其抵抗基材开裂的过程是十分困难的，试验板材的选择也就显得尤为重要。能够满足试验要求的板材应具备以下几个特点：a.需保证在同时承受外力的情况下，板材比腻子层先开裂；b.在满足先开裂条件的同时，板材也应具有一定的韧性，保证其出现的裂纹能够随着外力的增加逐步扩展而不发生脆性断裂；c

12、.试验板材最好是易得的、标准化板材。为此，我们分别对石膏板、灰钙板、加筋灰钙板和石棉水泥板进行了对比试验，结果见表2。表2 试验试板对比试验结果序号试验板材试验结果适用性1石膏板l 过脆，极易断裂；l 很难在其上刮批腻子；l 几乎没有市售成型产品，自行制备很难保证平整度，再现性也较低。不适用2纸面石膏板l 在其上刮批腻子较为容易；l 有市售产品，但需切割；l 纸面韧性过大，往往腻子层已经断裂而纸面石膏基材仍未出现裂纹。不适用3硅钙板l 偏脆，对仪器要求较高；l 在其上刮批腻子也较为容易；l 有市售产品，但需切割；l 吸水量偏大，对测试的腻子产品会有影响；l 与实际使用中的腻子基材有差异。不适用

13、4加筋硅钙板l 偏脆，对仪器要求较高；l 在其上刮批腻子也较为容易；l 有市售产品，但需切割；l 吸水量偏大，对测试的腻子产品会有影响；l 与实际使用中的腻子基材有差异；l 加筋位置及形状对测试结果有很大影响。不适用5石棉水泥板l 有一定韧性，选用适合的仪器可以满足要求；l 建筑涂料检测标准用板；l 与实际使用中的腻子基材相近。适 用 综上，决定选用石棉水泥板作为试验板材。板材面积目前，建筑涂料及相关材料检测用石棉水泥板有三种标准规格，如果其中有能够满足建筑腻子抗裂性试验要求的就不必改用其他规格，为此，进行了一些对比试验，结果见表3。表3 试验板材面积对比试验结果序号规格, mm×m

14、m×mm试验结果适用性1150×70×（46）面积过小，应力相对集中，用仪器很难控制裂纹缓慢扩展。不适用2200×150×（46）长宽适当，用仪器可以控制其裂纹扩展。适 用3430×150×（46）长度过长，很多面积对试验数据不产生影响不适用 由上述试验结果，决定选用200mm×150mm×（46）mm的石棉水泥板作为试验板材。（2）腻子层样式的选择腻子层宽度的选择选择70mm和150mm两个宽度进行对比试验。试验结果见表4。表4 腻子层宽度选择试验样品序号动态抗开裂性试验结果腻子层宽度70mm腻子层宽度

15、150mm试板1试板2试板3平均值试板1试板2试板3平均值1同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂0.080.100.100.102同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂0.080.090.100.093同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂0.060.050.050.06注：本研究报告中所使用的立式读数显微镜为80倍，精度为0.01mm参照建筑外墙用腻子行业标准报批稿，动态抗开裂性试验三块试板中以两块试板（数值较大的两块）的测试结果的算术平均值作为最终结果。动态抗开裂性试验结果为腻子层开裂前，石棉水泥板开裂的最大宽度，三块试板中以两块试板（数值较大的两块）的测试结果的算术平均值作为最终结果。结论：选择150m

16、m作为试板的腻子层宽度。腻子刮涂型框的选择为了制备出表面平、整无气泡、符合试验用的试板，经过多次改进确定一个专用型框（图2），用于已配制腻子的刮涂，石棉水泥板的规格为200×150×（46）mm上，腻子厚度为1mm、2mm。刮涂好的试板在标准环境温度（23±2）、相对湿度（50±5）下养护7天，每一样品同时制备3块试板。型框选用特殊的镁铝合金材质并进行了防锈蚀处理，其外形和尺寸如图4：图2 制板型框图4 腻子刮涂型框示意图3、试验条件的选择（1）试验跨距的选择抗裂性试验是采用顶刀向基材板（石棉水泥板）施加顶力使其开裂，同时随着顶力的增加裂纹逐步扩展，最终

17、基材和腻子层完全开裂。在这里，试验跨距的大小会直接影响顶力在石棉水泥板的累计情况及板面出现裂纹的时间。缓慢扩展的裂纹无疑更有利于观测裂纹的宽度，为此，我们选择160mm和100mm两种跨距进行对比试验。试验结果见表5。表5 试验跨距选择试验样品序号动态抗开裂性试验结果跨距100mm跨距160mm试板1试板2试板3平均值试板1试板2试板3平均值1同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂20.080.080.100.090.100.080.100.1030.100.100.100.100.090.100.100.1040.350.350.350.350.350.350.30

18、0.35结论：从表5可以看出，两种跨距条件对于试验结果的影响不大。但在操作过程中，使用大跨距比小跨距更能平稳地控制裂纹扩展。因此，选择160mm作为动态抗开裂性试验跨距。（2）腻子层厚度的选择由于在实际使用中腻子层干膜厚度约为2mm，但内墙腻子行业标准的测试的湿膜厚度均为1mm。故选择湿膜厚度1mm和2mm进行对比试验。见表6。表6 腻子层厚度选择试验样品序号动态抗开裂性试验结果腻子层厚度1mm腻子层厚度2mm试板1试板2试板3平均值试板1试板2试板3平均值10.400.350.350.380.700.750.800.7520.050.05同时开裂0.050.05同时开裂同时开裂同时开裂30.

19、100.100.100.100.100.100.100.1040.080.050.080.080.100.100.080.1050.050.050.050.050.080.050.080.0860.080.100.100.100.100.120.100.10 结论：由表6可见，对于抗裂性较好的腻子产品，腻子湿膜厚度2mm的试板与湿膜厚度1mm的试板相比，测试结果要大；对于抗裂性一般的产品，2mm试板与1mm试板的结果相近；而对于抗裂性较差的产品，2mm试板比1mm试板的测试结果要差。分析原因可能是腻子柔性越好则随着涂层厚度的增加，其内部的抗拉强度也随着增加，抗开裂性也就越好。而抗裂性越差的产品

20、，其涂层刚性就越强，随着厚度的增加，刚性特征也会更加明显，这样，腻子层与基材同时开裂的可能性也就随之增加。考虑到抗开裂方法的制定一方面应尽量接近实际，另一方面希望将现有产品分出档次，鼓励抗裂性好的产品进入市场同时限制抗裂性较差的产品。由于建筑外墙用腻子行业标准报批稿中动态抗开裂性普通型（P型）指标为0.1mm，柔性（R型）指标为0.3mm。因此综合考虑，选择2mm作为试板的腻子层厚度。（3）试板的养护时间选择试验普通建筑内外墙涂料、内墙腻子试板的养护时间是7天，而对于一些厚质涂材，如复层涂料、砂壁状涂料等的试板养护时间为14天。因此，选择7天和14天进行对比试验。见表7。表7 试板的养护时间选

21、择试验样品序号动态抗开裂性试验结果试板养护7天试板养护14天试板1试板2试板3平均值试板1试板2试板3平均值10.400.450.450.450.400.450.450.4520.400.400.350.400.450.400.450.4530.350.350.350.350.350.350.300.3540.700.750.800.780.800.850.800.8050.050.050.050.050.050.050.050.056同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂结论：同一样品养护7天和养护14天的动态抗开裂性试验结果基本相同，为了尽量缩短试验周期，选择7天

22、作为动态抗开裂性试板的养护时间。4、适用性和离散性试验本项研究共进行不同样品动态抗开裂性试验50组，并分别计算了每组试验的标准误差和变异系数，由于本试验方法是为了配合建筑外墙用腻子行业标准的编制进行开发制定的。现参照该标准中设立的动态抗开裂性技术指标对试验数据进行了单项判定。表8 不同样品动态抗开裂性试验结果统计样品数目合格数目不合格数目通过率P型R型502841864从表8可见，该方法普遍适用于各种建筑腻子，适用性较好；此外，试验结果的变异系数也较小，说明该试验方法的离散性较小。5、重复性试验本项研究共选取5个样品进行了重复性试验，这些产品的动态抗开裂性从低到高均匀分布，具有一定的代表性，结果见表9。表9 重复性试验结果样品序号动态抗开裂性试验结果第1次试验第2次试验试板1试板2试板3平均值试板1试板2试板3平均值1同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂同时开裂20.050.060.060.060.060.060.060.0630.080.080.100.090.100.080.100.1040.100.100.100.100.100.090.100.1050.350.350.300.350.350.350.350.35结论：本项研究的试验方法重复性较好，能够满足试验要求。6、再现性试验本项研究共选取5个样品进行了不同试验人员的再现性试验，