云石膠壓縮剪切強度影響因素的探討

劉 陳，黃曉寬，嚴景恒，鐘穎詩

（廣州質量監督檢測研究院，廣東 廣州 511447）

石材是一類具有優異的材料性能和豐富多彩的藝術效果的高檔建筑裝飾材料，廣泛應用于室內外裝飾設計和公共設施建設。石材用膠粘劑（云石膠、干掛膠）的誕生和發展使碎片化石材有效快速粘合，顯著提高建筑施工效率、美觀度和安全性能[1]。膠粘劑在石材應用施工過程中被大量使用以固定修補材料，膠粘劑的質量直接影響建筑工程安全。因此，對石材膠粘劑物理化學特性的系統科學檢測可在產品端把控其質量，促進相關生產研究企業提升水平，保障人民生命財產安全。

云石膠是一種以不飽和聚酯為基體的樹脂，配以促進劑、引發劑及其他材料配制而成，起到石材定位、修補和粘接等非結構承載粘合作用。云石膠的優勢在于固化時間可控，通過調整固化劑量多少控制固化時間，便于施工調節，在石材加工制作及建筑行業應用廣泛[2]。云石膠的性能是決定剪切強度大小的內部因素，如何根據其組成來改變內部結構和性能以提高剪切強度是新型云石膠材料研發的重要課題[3]。壓縮剪切強度不僅是云石膠粘接強度檢測的重要質量指標，也是力學性能最基礎的測試項目之一。在實際檢測操作過程中，被粘物表面是否與膠黏劑充分潤濕、粘接工藝（表面處理、膠層厚度等）是否到位、養護條件是否適宜等因素都會影響云石膠壓縮剪切強度結果，測試難度高[5]。

本文以一種典型云石膠為對象，在JC/T 989—2016[4]標準的基礎上從表面處理、膠層厚度、粘接面積、環境濕度等因素上來分析它們對于測試剪切強度的影響，以期為云石膠精準質量檢測控制提供技術支撐。

1 試驗部分

1.1 主要試驗儀器及材料

試驗儀器：LT-JW-M-225F-4型恒溫恒濕箱，東莞利拓檢測儀器有限公司；BL-3100F-1C型電子天平，福迪威西特傳感工業控制（天津）有限公司；BT1-FR020TNA50型電子萬能材料試驗機，德國ZWICK公司。

材料：云石膠；濟南青（50mm×30mm×25mm）。

標準養護條件：環境溫度為（23±2）℃；相對濕度為45%~55%。

1.2 剪切強度的測定

根據JC/T 989—2016[4]標準要求，先用游標卡尺測得每個試件的粘接面積尺寸，將其安裝在試驗機壓剪夾具上（保證安裝粘接面與試驗機力線一致），以5mm/min的速度加載至試件破壞，記錄最大破壞載荷，再根據最大載荷與粘接面積的比值得出壓剪強度。試驗五個試件為一組，計算5個測量值的算術平均值為最后結果。

2 結果與討論

2.1 基材表面處理的影響

表面處理是指用物理或化學等方法來改變基材表面結構形態及性質，使膠黏劑盡可能充分潤濕基材表面來獲得理想的粘結強度。表面處理是大部分膠黏劑粘結工藝中非常重要的一個環節，所有的基材在加工、運輸及儲存等過程中，表面都會出現類似氧化層、有機污染物層、灰層等污染層，如果不進行適當的表面處理，將會大大影響粘結強度。除此之外，表面光滑也對粘結性能不利，所以也需適當提高表面粗糙度。適當地提高粗糙度能表面接觸面積，從而提高機械嵌合力，但當過于粗糙甚至出現明顯凹凸不平時，又會在凹處出現間隙或氣泡，在凸處貧膠，導致膠層不連續，從而降低強度[6]。

為了驗證基材表面處理對于云石膠壓縮剪切強度的影響，在其他制樣及養護因素相同的情況下，本次試驗對基材（濟南青）表面進行不同方式的處理，結果如表1所示。

表1 不同表面處理方法對壓剪強度的影響

從表1可以看出，經過表面處理后的強度要比無處理時的大，而適當打磨后的基材表面粗糙度也有所提高，強度要比未打磨時稍微大，因此為了盡可能提高云石膠的粘結性能，常需對基材粘結面表面進行清潔處理。

2.2 膠層厚度的影響

為了研究云石膠膠層厚度對壓縮剪切強度的影響，試驗采用不同金屬線控制厚度以及對試樣加壓，制成不同膠層厚度的5組試樣進行對比，其試驗結果如表2所示。

表2 不同膠層厚度的影響

從膠層厚度方面可以看出，當大于0.6mm時，壓縮剪切強度會隨著膠層厚度的增加而減小，導致這樣的原因是：①隨著膠層厚度的增加，膠層中的氣孔、裂縫等其他隱藏內部缺陷會導致膠層內聚強度迅速下降；②云石膠為雙組分固化型，其固化是一個自由基引發不飽和聚酯的碳碳雙鍵與苯乙烯類單體交聯固化的急劇放熱過程，雙鍵的斷裂致使體積急劇收縮[8]（收縮率一般達到10%以上），因此當膠層越厚時，內部溫度變化和膨脹等因素所引起的熱應力、收縮力、應力差都較大，這些都會造成強度損失。除此之外，由于云石膠黏度大，流動性較差，膠層太薄（厚度小于0.4mm）很可能會出現缺膠現象，潤濕性、滲透性、均勻性較差，使膠層與基材不能緊密接觸，在受力時也會產生應力集中，加速膠膜破裂，從而導致強度變低[6-7]。

因此，為了保證獲得最佳的剪切強度，必須要在不缺膠的情況下，盡量涂薄膠層并且施加適當的壓力。

2.3 石材含水率及試件養護的環境濕度的影響

為了探究這一影響，試驗從石材含水率（提前對制樣前石材進行7d不同濕度的養護）及制樣后養護的環境濕度兩方面出發，制成5組相同的養護環境濕度、不同含水率的石材（養護的環境濕度按JC/T989-2016標準進行）及5組相同含水率的石材、不同養護環境濕度下的試件，其試驗結果如表3所示。

表3 石材含水率及試件養護的環境濕度的影響

從石材含水率方面可以看出，壓縮剪切強度基本會隨含水率的上升而下降；而從養護的環境濕度不難發現，在濕度不高的情況下，強度基本變化不大，而當濕度大于50%時，強度會隨著濕度的上升而逐漸下降。這是由于云石膠的主要成分不飽和聚酯結構中存在許多親水性較強的酯鍵，在潮濕環境中主體樹脂會慢慢水解，導致剪切強度急劇降低[1、8]。因此可知，在基材含水率過高以及施工制樣養護過程中空氣濕度較大時，均會對云石膠的強度有較大影響。

2.4 粘接面積對壓縮剪切強度的影響

根據JC/T 989—2016[4]標準所描述的基材尺寸為（50×30×20~25）mm進行試驗來探討粘接面積對壓縮剪切強度的影響。本試驗制成7組不同粘結面積大小（粘結面寬度30mm不變，長度相應變化）大小的試件，制樣方式及養護條件等按照標準要求進行，其試驗結果如表4所示。

表4 粘接面積（粘接面長度）對壓縮剪切強度的影響

從表4可以看出，壓縮剪切強度基本會隨著粘接面積（粘接面長度小于30mm時）增加而上升，但到一定程度（粘接面長度超過30mm時）時反而稍微有所下降。這是由于應力在粘接面的四周會更集中，當粘接面積較小時，粘接面周圍應力對強度影響比較明顯（面積越小，影響越大），而中間部分應力的影響會隨著面積的增加相對變小，所以綜合來說，強度會隨著面積的增加而增大；當粘接面積增加大一定程度時，粘接面四周應力的影響相對減小，再加上粘接面內部缺陷等因素的概率增加，導致實際強度反而會稍微有所下降[7]。

3 結論

綜上所述，為了獲得云石膠較為理想的壓縮剪切強度測試結果，在對基材進行有效的表面處理外，需將粘接面積控制在30mm×30mm的合理范圍內，不管是基材還是制好的試件在養護過程中，需要嚴格控制好環境濕度。同時，涂膠過程中遵循在不缺膠的情況下，盡量涂薄膠層并施加適當的壓力。