大型石材速凝型水泥基胶粘剂的研制

大型石材速凝型水泥基胶粘剂的研制

0材料的粘接性近20年来，随着建筑工业的快速发展和大众审美标准的不断提高，建筑装饰材料发展到了繁荣阶段。以石材、瓷砖为代表的饰面材料的大尺寸化、高度致密性等市场需求产品,要求与之配套的胶粘剂应具备卓越的粘接性能、较低的收缩率和在极端环境中的使用安全性能,并且迫切需要一种可快速施工的高性能石材胶粘剂。因此,本研究采用正交试验法开发出一种具有良好的抗冻融稳定性、耐热性和耐老化性的早强速凝型水泥基饰面用石材胶粘剂,并且其成本低廉、早期粘接性能良好且施工性较佳。1试验部分1.1矿粉、石英砂、a组s95低碱度硫铝酸盐水泥(L-SAC),工业级(符合GB20472—2006标准,基本性能见表1),郑州中泰水泥厂;醋酸乙烯酯-乙烯共聚物(EVA)胶粉,工业级[Tg(玻璃化转变温度)=4℃],北京天维宝辰化学有限公司;石英砂(a组粒径20~60目=0.90~0.30mm、b组粒径60~100目=0.30~0.15mm),工业级,天津市燕东矿产品有限公司;矿粉,工业级(S95级,符合GB/T18046—2008标准),南京柏阳化工有限公司;纤维素醚(HPMC)、硼酸、乙醇,工业级,市售。1.2仪器、设备和仪器WDW-20型微机控制电子万能试验机,上海华龙测试仪器有限公司;NDJ-5S型黏度计,上海方瑞仪器有限公司;TYE-300B型压力试验机,无锡建仪仪器机械有限公司;SPZ-100型膨胀率测量仪,杭州三思仪器有限公司;JSM-6380LV型扫描电镜,日本岛津公司;101-1-S型干燥箱,上海跃进医疗器械厂;改装温控冰箱,自制。1.3石材制作效率为降低施工时多组分计量的误差,本研究选用单组分加水施工的设计模式。(1)首先用缓凝剂(硼酸)调节L-SAC的凝结时间为60min,然后将其用于石材胶粘剂的配制。(2)按照设计配方(表2、表3)制成石材胶粘剂,并将其用于石材的胶接;然后在标准条件下进行成型和养护[标准条件是温度23℃、湿度(50±10)%]。1.4试样品质测定(1)HPMC黏度:常温时采用黏度计进行测定和验证。(2)胶接强度:按照GB24264—2009标准,采用微机控制电子万能试验机进行测定。(3)压缩强度:按照GB/T17671—1999标准,采用压力试验机进行测定。(4)形变值:按照GB/T50448—2008标准,采用膨胀率测量仪测定试样标号段的长度,然后按照式(1)计算试样的形变值。式中:T为温度(℃);L28d20℃、LT28d分别为试样在20℃、T养护28d时的标号段长度(mm);α为形变值。(5)微观形貌:设定时间时,终止试件水化后,采用扫描电镜(SEM)进行观测。(6)耐热老化性:按照GB24264—2009标准进行测定(将胶石试件经“标准养护14d→70℃热老化14d→标准养护1d”处理后,测定胶接强度)。(7)抗冻融稳定性:按照GB24264—2009标准进行测定[将胶石试件经“标准养护7d→23℃水中养护21d→冻融循环(-20℃/4h和20℃/4h)共50次→标准养护1d”处理后,测定胶接强度]。(8)耐水性:按照GB24264—2009标准进行测定(将胶石试件经“标准养护7d→23℃水中养护21d”处理后,测定胶接强度)。2正交试验结果本研究以EVA掺量、HPMC黏度、L-SAC掺量、砂配值和矿粉掺量等为试验因素,以1d胶接强度、28d胶接强度作为考核指标[每组10个样品,以“均值×(1±15%)”为有效数据],采用正交试验法优选出制备石材胶粘剂的优化配方;然后根据胶石试件的耐候性确定胶粘剂的最优配方。表2、表3、图1分别为正交试验的因素水平表、正交试验设计与结果、正交试验结果与分析(即各因素对胶接强度的影响)。由表2、表3和图1可知:当龄期为1d时,各因素对胶接强度的影响依次为C>A>B≈D≈E;C是最显著因素,A是显著因素,B、D和E均是不显著因素。当龄期为28d时,各因素对胶接强度的影响依次为C>E>A>D>B;C是最显著因素,E是显著因素,A、D和B均是不显著因素。2.1砂配值对胶石试件压缩强度的影响具有水化活性、水硬性和黏性的物质混合后,得到的水合矿物会随浆体一起浸润至混凝土基体和石材的表面,并在其表面生长成矿物晶体;这些晶体填充在混凝土表面和石材粗糙背面的空隙处,从而提供了牢固的粘接力;同时,砂配值对胶石试件的强度承载和传导起主要作用。本研究在其他条件保持不变的前提下,按照GB/T17671—1999标准,考察了砂配值对胶石试件压缩强度的影响,结果如表4所示。由表4可知:当胶砂流动度均为180cm时,用水量与砂配值呈负相关;压缩强度随砂配值增加呈先升后降态势,并且在配砂值为60∶40时相对最大。综合考虑,本研究选择砂配值为60∶40时较适宜。2.2生产可行性分析本研究从经济性和拌合均匀性出发,选择B3、E1和E2作为较佳值;根据1d胶接强度和28d胶接强度,选择A3、C3和C4作为较佳值;根据压缩强度,选择D2作为较佳值。矿粉在较长时间内仍具有水化活性,并且能有效提高粘接强度,弥补了EVA胶粉等老化所产生的性能损失。当各因素组合为A3B3C3D2E1、A3B3C4D2E2(分别记为样号1#、样号2#)时,其生产可行性较佳;重复验证得上述组合的1d胶接强度分别为0.61、0.61MPa,28d胶接强度分别为1.63、1.60MPa,说明两者的粘接性能稳定。2.2.1胶凝型石材粘合剂的制备在其他条件保持不变的前提下,考察了由样号1#、样号2#制成的石材胶粘剂的耐候性(包括耐热老化性、抗冻融稳定性和耐水性等),结果如图2所示。由图2可知:由样号1#、样号2#制成的速凝型石材胶粘剂均具有优异的抗冻融稳定性和耐水性(得益于体系的速凝特征和较大的比表面积),其经50次冻融循环后的胶接强度损失率仅为3.1%(样号1#)和0.1%(样号2#),但其经热老化后的胶接强度损失率相对较大[分别为28%(样号1#)和34%(样号2#)]。这是由于不同胶凝材料自身的冷热膨胀率不同所引发的形变值差异、胶凝材料的水化晶体高温分解等所致;同时建筑用EVA胶粉的耐热温度通常不超过50℃,故其在高温时的胶接强度损失率较大。2.2.2温度对胶石试件变形值的影响综上所述,样号1#的耐热老化性优于样号2#,故本研究以样号1#为最优配方;此时由样号1#制成的石材胶粘剂具有较好的柔韧性和抗开裂性能,其本体压缩强度为36.4MPa、弯折强度为10.8MP和压折比为3.37。为进一步研究石材胶粘剂在混凝土界面、石材界面和复杂环境中的拉伸破坏断裂之原因,本研究在其他条件保持不变的前提下,考察了由样号1#制成的胶石试件的形变值与温度的变化情况,结果如图3所示。由图3可知:当工作温度为-20~20℃时,胶石试件的形变值大小依次为复合大理石>胶粘剂>C30混凝土,并且三者的形变值随温度上升而增大,但升幅不大;此时胶粘剂起到了承接作用和缓冲作用,相应胶石试件的耐冻融稳定性和28d胶接强度相对较好。随着温度的继续升高,三者的形变值随之增大,并且三者形变值大小依次为复合大理石<胶粘剂<C30混凝土;当温度为70℃时,C30混凝土与复合大理石的形变差为0.024%(70℃),分别是3.43倍(-20℃)、3.00倍(0℃)和2.11倍(40℃),即两者在70℃时具有相对最大的形变差,这也是体系经热老化处理后胶接强度明显下降的原因之一。速凝型石材胶粘剂主要用于外墙基层石材等饰面材料/混凝土基体的胶接。由于样号1#胶粘剂的形变值介于混凝土和复合大理石之间,与市售的石材胶粘剂相比,样号1#胶粘剂具有更好的界面膨胀缓冲作用,可以减少每平方米的预留伸缩缝,从而更加适用于大型或超大型石材的胶接。2.2.3混凝土的c-s-h实验胶石试件的拉伸破坏试验中,其破坏界面多发生在胶粘剂/混凝土的胶接界面处(如图4所示),说明胶粘剂/混凝土的界面胶接强度相对较弱。图5为C30混凝土浸泡乙醇28d时的SEM照片,图6为石材胶粘剂1d时的SEM照片。由图5可知:C30混凝土表面除具有相对密实的水化结构外,仍存在着因堆积和水分挥发后所产生的空腔和毛细通道,同时还有许多未水化的胶凝材料粉体附着在C-S-H表面。由图6可知:在3000放大倍率下可观察到胶粘剂呈杂向分布结构,孔结构具有一定的规则性,不存在忽大忽小的化合物或矿物质;在5000放大倍率下可观察到水泥的水化产物及其他辅助化学成分的棱柱状、针状和片状等结构。普通硅酸盐水泥的比表面积为(350±10)m2/kg,而L-SAC的实测比表面积为424m2/kg,即后者具有更大的比表面积和更细的颗粒粒径。因此,L-SAC水化开始后所产生的钙矾石晶核更小,能更好地渗透至普通水泥混凝土的毛细管中继续生长。分散后的EVA胶粉与L-SAC水化生成的钙矾石、水化硅酸钙等以某种特殊的交互反应方式,填充在混凝土的表面空隙中,形成强烈的交织水泥矿物-聚合物结构,从而实现了渗透结晶的粘接作用;EVA胶粉在水泥水化平缓后继续聚集,并具有更高的粘接强度。2.2.4复合资金积分复合粘合剂的焊接性能对照GB24264—2009标准,按照重负荷地面、墙面的技术指标要求,样号1#胶粘剂的1d胶接强度、28d胶接强度分别超过国标22%、63%,经热老化、冻融循环和浸水处理后的胶接强度分别超过国标16%、52%和58%,说明该胶粘剂具有优异的粘接性能;另外,该胶粘剂实际施工时的可操作时间为50min(20℃),低温(0~5℃)促凝后的可操作时间为30min。综上所述,样号1#胶粘剂是一款早强速凝型石材胶粘剂,具有强度高、使用便捷、不燃和触变性好等诸多优点,可用于建筑物基层石材的大面积胶接。3胶石强度的测定(1)以EVA掺量、HPMC黏度、L-SAC掺量、砂配值和矿粉掺量等为试验因素,以不同龄期的胶接强度为考核指标,采用正交试验法优选出制备早强速凝型石材胶粘剂的最优配方为样号1#(A3B3C3D2E1),即w(EVA)=4%、HPMC黏度为100Pa·s(即黏度为105Pa·s的HPMC占0.1%)、w(L-SAC)=40%、砂配值为60∶40(即a组砂占30%、b组砂占20%)和w(矿