巖板瓷磚濕鋪貼的粘結機理

摘 要：本文以物理化學表面與界面及熱力學基礎理論入手，對陶瓷巖板瓷磚的濕鋪貼固著機制及原理進行分析、討論和論證。建立了巖板瓷磚與粘合材料由液-固到固-固界面轉變的思維模型。提出了巖板瓷磚與粘合材料的粘結界面、粘結強度、粗糙度等名詞概念的內涵。通過論證得出：巖板瓷磚與粘合材料的粘結界面是一個既不穩定又脆弱的剛性界面，這種界面特質又是自然現象、客觀存在；因此，巖板瓷磚的濕鋪貼存在著‘不可抗拒的’質量風險。

關鍵詞：表面；界面；粘結界面；縮脹效應；空壓效應；粗糙度

1引言

巖板瓷磚的鋪貼技術有很多種，其中濕鋪貼是最主流的技術工藝。濕鋪貼就是使用水泥砂漿及其復配物，將巖板瓷磚粘合在地面或墻面上。

巖板瓷磚只有經過鋪貼，才能具備其使用價值。優質的鋪貼質量可以賦予巖板瓷磚的裝飾、加固和增值的使用功能。

探討、了解和掌握巖板瓷磚濕鋪貼的基本理論和原理，是優質濕鋪貼的基礎常識和基本技能。

2 術語釋義（物理化學基本概念）

2.1 表面

狹義表述：凝聚態物質（液體或固體）與其飽和蒸氣達成平衡時fCHAb+RGqKx/l8E6S6hD0Q==，在兩相緊密接觸、約有幾個分子厚度的過渡區，稱為該凝聚態的表面。

廣義表述：通常將凝聚態物質與空氣達成平衡時，在它們的兩個相面之間，約有幾個分子厚度（納米級）的緊密接觸的過渡區（層），也稱之為：該凝聚態的表面。嚴格來講，這是一種氣-液或氣-固界面。

從習慣上來講，我們將液體或固體與空氣的界面稱之為液體或固體的表面，表面也是一種特殊的界面。

2.2 界面

界面是指：兩個凝聚態物質的兩個相面接觸時，約有幾個分子（納米）厚度的過渡區或過渡層。（若其中的一個相是氣體，這種界面通常稱之為表面）

界面的種類：氣-液，氣-固，液-液，液-固，固-固。

表面和界面是兩個不同的物理學概念，有著不同的物理化學特征和性質。對巖板瓷磚與粘合材料的表面、界面的認識和探究，以及對研究巖板瓷磚與粘合材料所形成的粘結界面特征的認識和探究，有著深刻的現實意義。

2.3 潤濕

潤濕是指：在固體表面上，一種液體取代另一種與之不相混溶的流體的過程。

不同的固體表面能否被潤濕，需要一定的條件。那就是：潤濕前的固體表面的自由能＞潤濕后的固體表面的自由能，且被潤濕后的固-液界面的自由能＞原固體表面的自由能。

研究巖板瓷磚的表面可否被粘合材料所潤濕，是實現優質的粘結界面的必備條件。

2.4 吸附

吸附是指：異相原子或分子附著在固體表面上的現象。吸附可導致固體表面的自由能降低，固體表面力場趨于穩定。

2.5 固體表面自由能

表面自由能又簡稱‘表面能’。是一種廣泛存在的微觀自然現象。

物化熱力學認為：新創建的固體表面是不穩定的，表面上存在著力場。這個力場是由各種不同性質的力所構成的微觀立體空間。例如，固體表面的原子、分子具有不飽和鍵，能吸引、吸附其它原子或離子，發生物理或化學變化。又例如，組成固體表面的物質中的分子、微粒、粒子基團等具有極性，可產生靜電引力或排斥力，可與其它相面的物質產生潤濕、吸附、沉積、凝固、化合等作用。

由于固體表面上力場的作用，可以產生出新的界面或表面。

巖板瓷磚的鋪貼表面就是這種‘固體表面’，具備固體表面的所有特質，又有其不同的特征。深入對巖板瓷磚鋪貼表面的探究，有助于其鋪貼質量的提高。

2.6 表面張力

凝聚態物質表面力場的一種綜合表現行為，可以直觀的描述為一種力：表面張力。不同質地的固體表面，其表面張力的大小和特質各不相同。

巖板瓷磚鋪貼表面的表面張力也是大不相同的，會嚴重地影響其與粘合材料的粘結牢度。

以固體表面上的液體和空氣為例：可形成固體、液體兩個表面和液-固一種界面。液體在固體表面能否自由地鋪展潤濕開來，是液體和固體表面張力的綜合體現。若鋪展順暢則稱之為綜合表面張力小，它們的液-固界面的力場或自由能級降低，液-固界面達到穩定。

2.7 范德華力

范德華力也稱之為分子間的作用力。就固體而言，是固體表面所具有的一種重要的力場作用。也是凝聚態物質的界面得以存在的熱力學基礎。

范德華力有以下描述形式：

（1）定向力：兩個極性分子之間的靜電引力，力度相對較強。

（2）誘導力：極性分子誘導非極性分子產生極性，進而產生的靜電感應引力，力度相對較弱。

（3）分散力：非極性分子之間的相互吸引力，力度相對更弱。

（4）氫（H）鍵：氫原子之間的電性引力，力度相對很弱。

凝聚態物質間的范德華力是沒有化學鍵鍵合的，相對于凝聚態物質內部的共價鍵、離子鍵而言，范德華力的鍵能很微弱。

范德華力還有一個特征：就是其鍵能很不穩定，會隨外界因素的變化而發生變化。例如，水分子（H2O）會在不同的溫度下呈現出固體、液體、氣體三種形態。

2.8 粘結界面

液態物質在固態物質表面鋪展、潤濕、吸附、沉積、凝固所形成的界面。粘結界面可以是柔性界面，也可以是剛性界面。

一個優質的粘結界面應該具備諸多的特質因素：如較大場強的定向力和誘導力，決定著粘結界面的強度；界面的剛柔性決定著粘結界面的牢度；構成界面的粘合物與被粘合物的特質，決定著粘結界面的壽命。

巖板瓷磚的濕鋪貼應用，就是要追求得到一種優質的粘結界面。

2.9 固化粘結

凝聚態物質間所形成的固-固界面，可稱之為固化粘結。例如在鋼鐵（Fe）的表面電鍍鉻（Cr）的金屬層；水泥砂漿與巖板瓷磚的濕鋪貼粘合等。

形成固化粘結的兩種固體物質，在其自身固化時可以產生溶化、熔融、結晶、鍵合、交聯等反應，但在二者之間的固-固界面上并沒有這些反應發生，而是由粘結界面轉化來的固-固界面在起作用。

3 巖板瓷磚的濕鋪貼性能

巖板瓷磚的濕鋪貼性能取決于其鋪貼表面的特征，其表面特征決定著形成粘結界面的優劣。

巖板瓷磚理想的鋪貼表面特征因素：表面能，強度，粗糙度，吸水率，縮脹率、平面度等。

3.1表面能

較高的表面能級可產生較強的表面力場，有利于優質的粘結界面的產生。巖板瓷磚的表面能級主要取決于其組成配方和制作工藝，巖板瓷磚主要由硅酸鹽構成。研究表明：硅酸鹽表面吸附水膜可形成硅醇基團，硅醇基團是一種具有活性和極性的基團，可與粘合劑材料形成一定強度的粘結界面。

要追求巖板瓷磚有較理想的鋪貼質量，就要在產品組成配方中加入可產生強極性能級的元素，如鉀（K）、鈉（Na）、鈣（Ca）、鎂（Mg）等金屬礦物質元素。

3.2強度

較高的表面強度有利于粘結界面的穩固。

3.3粗糙度

巖板瓷磚鋪貼表面的粗糙度是相對于其使用光面而言的。粗糙度即鋪貼表面的起伏程度。相對于其使用光面，鋪貼表面最大特征有兩個：一是具有凹凸起伏的表面，二是延展后其表面積的增加。

某產品的規格確定時，其使用面積亦確定。延展開來的鋪貼表面積，其值大者受到的粘接力就大。

粘結強度（fat）、粘結力（F）、粘結面積（Az）之間的關系：

fat = F/Az F = fat×Az

要追求鋪貼表面積越大，就要將鋪貼面的圖案（背紋）制作的越復雜、凹凸起伏（背紋深度）越大。

受巖板瓷磚沖壓成型生產技術的制約，背紋圖案越復雜、背紋深度值越大，巖板瓷磚的沖壓坯體的脫模就越困難，坯體的強度就會變差，燒制后的變形就會越大。

巖板瓷磚鋪貼表面的粗糙度是一個相對值，可以用下面公式表示：

Sc = λ（S2 - S1） / S1

Sc：粗糙度值

λ：凹深系數值，實際可檢測得到。

S2：背紋表面積值，可計算得到。

S1：光面表面積值，可計算得到。

國標GB/T 4100-2015《陶瓷磚》規定：瓷磚背紋紋路設計時其凹凸值應≥0.7mm。

若巖板瓷磚背面沒有紋路時，兩面表面積相等：

則 S2 = S1， Sc = 0，即λ= 0

所以上式中凹深系數λ應為正數，取值范圍：λ≥0，或≥0.7。

巖板瓷磚鋪貼表面的粗糙度值Sc，可以作為其一項重要的質量指標，應用于生產質量管理之中。生產廠商應將實際粗糙度值予以標注，可為消費者提供一種鋪貼質量優劣的參考選項。

3.4吸水率

巖板瓷磚的吸水率是其一項重要的質量指標，同時也是其鋪貼性能優劣的重要指標。

國家標準GB/T4100-2015《陶瓷磚》中，根據吸水率（E）的不同將陶瓷磚進行了分類：

陶瓷磚產品因為不同的吸水率，標志著其產品生產時原料、工藝、強度等指標的不同。用戶可以依據其不同的吸水率，選擇不同的陶瓷磚品種使用在不同的場合。

陶瓷磚產品之所以有不同的吸水率，說明陶瓷磚的表面和磚體中，存在著不同數量、相互連通的空穴、空隙和裂痕等表象，這種表象我們稱之為‘毛細管結構’。毛細管結構可以產生吸附流體的‘毛細管效應’。

用于粘合陶瓷磚的水泥砂漿中，主要是由硅酸鹽的氧化態成分構成。在水的溶解作用下，可以nGVNYgeQ8CeO7Dx9eszYig==從水泥中溶出大量的‘水玻璃（Na2O.nSiO2）’和‘硅溶膠（mSiO2.nH2O）’之類的物質。這種硅溶膠類物質的大小是分子量級（10--20納米）的，可以隨水滲透到毛細管結構之中，水分蒸發后可以Si-O健相結合，形同‘毛細草根’一樣，相互牢固結合、粘接在一起。這種硅溶膠類物質就是優良的無機粘接劑。

巖板瓷磚的吸水率普遍較低，因此巖板瓷磚的毛細管效應差，其濕鋪貼性能就較差。

巖板瓷磚的吸水率指標可以通過檢測得出，企業可以將其檢測數據標明在外包裝上，同時，也可為消費者提供一種鋪貼方式方法的選擇參考。

巖板瓷磚吸水率國標檢測標準為GB/T 3810.3-2016《陶瓷磚試驗方法》第3部分：吸水率的檢測。

3.5縮脹率

巖板瓷磚的縮脹率是其重要的自然屬性，縮脹率的大小關乎著其鋪貼性能及使用功能的實現。

自然界中物質的形態會因為外界的條件變化而發生形態變化。巖板瓷磚同樣會因為溫度、濕度等因素的改變，產生伸縮或膨脹的形態改變，這種形態變化稱之為巖板瓷磚的‘縮脹效應’。這種縮脹效應是可逆的，是可以反復發生或出現的。

α = 單位長度的材料溫度每升高一度的伸長量

實驗表明，相同材料的縮脹效應，會因其密度、形態、線性尺寸等因素產生差異。說明同種材料的縮脹效應還存在著‘各向差異性’。

例如，相同規格相同條件下的巖板瓷磚，因其內部密度的不同，它們的縮脹值會有差異，密度值高者縮脹值也會高。

又例如，不同規格相同條件下的巖板瓷磚，線性尺寸較大者縮脹值也會較大。

又例如，同一片巖板瓷磚，因其鋪貼面與光面表面積的大小不同，它們的縮脹值也會存在差異，表面積大者縮脹值也大。

巖板瓷磚在受到溫度和濕度的改變時，都會發生不同程度的收縮和膨脹，這是兩種不同性質的縮脹效應。因此，巖板瓷磚的縮脹就分為熱縮脹和濕縮脹兩種形式。

熱縮脹：由于受溫度的變化而產生的縮脹效應。

濕縮脹：由于受濕度的變化而產生的縮脹效應。

縮脹率：相同材料的巖板瓷磚，在不同條件下的膨脹或收縮的變化程度。

雖然巖板瓷磚受濕度的變化會產生縮脹效應，但其吸水率的大小不能代表縮脹率的大小。

巖板瓷磚的縮脹率是其鋪貼性能的最大影響因素之一。

巖板瓷磚縮脹率的大小，是其使用壽命長短的重要指標之一。

巖板瓷磚縮脹率越小，對鋪貼表面所形成的粘結界面的損害就越小，巖板瓷磚的粘合牢度保持的時間就會越久。

巖板瓷磚的縮脹率可以通過檢測得出，企業應將其檢測數據標注在外包裝上，也可為消費者提供一種鋪貼方式方法的選擇參考。

巖板瓷磚縮脹率國標檢測標準：

GB/T 3810.8-2016《陶瓷磚試驗方法》第8部分《線性膨脹系數》

GB/T 3810.10-2016《陶瓷磚試驗方法》第10部分《濕膨脹系數》

3.6平面度

巖板瓷磚的平面度是指：巖板瓷磚上下兩個表面是否平行，及每個表面應在同一個平面內。就其鋪貼表面而言，要求其中間、四角、四條邊應在同平面內，且不得有凹凸起翹等缺陷。

若巖板瓷磚的平面度不好，例如鋪貼面凹陷（或光面鼓起），鋪貼后的磚板因其自身的彈性形變，會對粘結界面造成破壞。

巖板瓷磚形態尺寸的檢測應遵照國標檢測方法標準：

GB/T 3810.2-2016《陶瓷磚試驗方法》第2部分《尺寸和表面質量的檢驗》。

4.粘合材料的鋪貼性能

粘合材料的鋪貼性能應集中體現在它的界面粘接性能上，而非其凝固后的自身強度。凝固后的自身強度好，不代表其界面粘結力就大、粘接能力就好。也不代表其形成的粘結界面就一定是優良的。

品質優良的粘合材料應具備：強極性、親和力、剛柔并濟、穩定性、經濟性等特質。

4.1強極性

粘合材料中應富含極性分子及其化合物，能與巖板瓷磚鋪貼表面的極性分子相配伍并形成廣泛的范德華力，這是粘結界面牢度的源泉。粘合材料的極性強粘結力就強。

根據相似相溶原理，優質的水泥砂漿就是一種優良的無機粘合材料。水泥砂漿中添加少量的無機或有機粘接劑、添加劑，可以部分增強其粘結力、柔韌性等各項指標。

4.2親和力

親和力即對巖板瓷磚表面的潤濕、鋪展、附著的能力。 粘合材料形成的的液體表面，相對于巖板瓷磚表面的表面張力要小。要有一定比例的親水基團的表面活性劑，例如有機磺酸鹽類等，可有效降低液-固界面的表面張力和能級。

4.3剛柔并濟

巖板瓷磚與粘合材料最終形成的是固-固粘結界面，兩個密度不同的固體，所形成界面的縮脹效應是不同步的。通常巖板瓷磚的縮脹會大于粘合材料，這就要求粘合材料的凝固體能隨巖板瓷磚的縮脹而縮脹。

如何降低它們之間的縮脹差，是優質粘合劑應具備的特質之一。

4.4穩定性

粘合材料的穩定性有兩個方面內容，一是材料自身的穩定性，二是凝固過程及使用過程的穩定性。

材料自身穩定性：耐儲存、不變質，不降解、不漂油，無氣泡。

使用過程的穩定性：使用條件寬泛、操作工藝簡單。粘結強度、縮脹率長期穩定。

4.5經濟性

無污染，易操作，低成本，有售后。

5.巖板瓷磚與粘合材料的鋪貼

巖板瓷磚與粘合材料鋪貼時的粘合過程，就是由液-固界面轉化為固-固界面的過程。這個過程會存在諸多不定的因素，影響著巖板瓷磚粘結界面的質量。

優質的液-固界面應該是：均勻、連續、密實、穩定的柔性界面層。

優質的固-固界面應該是：均勻、連續、密實、穩定且柔韌性好又堅固的剛性界面層。

長期應用實踐表明，要達到優質的界面層是很困難的。巖板瓷磚與粘合材料形成的固-固粘結界面，尚存在著兩大特征急需解決：

5.1 關鍵特征1：固-固粘結界面的穩定性較差

巖板瓷磚和粘接材料形成固-固界面后，因自身都存在著縮脹效應，且縮脹率不同步。在單位面積上，這種缺陷會以‘界面剪切振蕩’、或類似‘界面橫波震動’效應呈現。雖然這種‘震蕩、震動’釋放的能量微小，但隨著使用時間的推移，能量的積累，粘結界面將逐漸地被破壞。

粘結界面的穩定性差是客觀存在，只要這種固-固界面存在它就會存在。

5.2 關鍵特征2：固-固粘結界面的脆弱性

巖板瓷磚和粘接材料所形成的固-固界面是一種剛性界面，或稱之為‘脆性界面’。這種界面類似于玻璃體，堅固有余、柔韌不足。加之界面上僅有范德華力的存在，極易在較小的集中應力作用下，力鍵斷裂、剝離開來。

例如，鋪貼操作時，粘結界面上或粘合劑內部的均勻性、連續性、密實性是難以做到的，這其中會造成空氣的儲存或聚積。大規格、大面積鋪貼時片差會更嚴重。

通常情況下，巖板瓷磚的表面都燒結著一層密實釉面層，吸水率低的鋪貼面上也處于封閉的狀態。固-固界面上存在的數量眾多、大小不一、又相對獨立的孔洞和空穴，其內部的空氣會隨溫度的變化，產生不同強度的壓力，導致界面上產生上下鼓起的運動趨勢。這是一種‘界面縱波震動’的類似效應，界面上眾多的、密集的微孔洞，每個都是一個‘微震源’。這種‘震動波’累積的能量是相當可觀的，屆某一臨界點時，可導致界面的崩潰。這種現象可稱之為‘空壓效應’。

6 結 語

陶瓷巖板瓷磚的濕鋪貼，是一種典型的液-固、固-固界面形成的物理化學過程。‘表面’‘界面’理論可以完整地分析和描述它們的粘結機理。

巖板瓷磚與粘合材料所形成的固-固界面，是一種‘剛性+脆性’的界面，被稱之為‘粘結界面’。

粘結界面間存在著相互平行的‘粘結力’，相互作用在巖板瓷磚和粘合材料的固體表面上。這種粘結力的性質屬于范德華力的范疇。

由于巖板瓷磚與固化后的粘合材料所形成表面的特殊性，會導致‘縮脹效應’及‘空壓效應’產生。

縮脹及空壓效應將導致粘結界面既不穩定又很脆弱，粘結界面的強度值隨時間函數呈現下滑趨勢，最終將導致粘結界面被‘剪切’崩解。

巖板瓷磚與粘合材料所形成的粘結界面的這些特征，是自然現象，是客觀存在。它們是共生互存的關系，只要粘結界面存在它們就會存在。

這些特征就決定著巖板瓷磚的濕鋪貼存在著‘不可抗拒的’質量風險。要改變這樣的質量風險，要么改變粘結界面，要么尋求‘外力介入’。在巖板瓷磚粘結界面上增加一種剪切抵抗力是必須的。

參考文獻

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