建筑膩子抗裂性能試驗方法的研究

1、建筑膩子抗裂性能試驗方法的研究項目完成單位: 國家化學建筑材料測試中心（建工測試部）項目完成人: 馬 捷 袁 揚關(guān)鍵詞: 建筑 膩子 抗裂性能 試驗隨著我國建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，建筑涂料在內(nèi)外墻墻體裝飾中成為主要的裝飾材料之一，它以優(yōu)異的裝飾性、耐久性、施工簡便性及好的性能價格比越來越受到市場的歡迎。在全國大中城市，特別是京津、珠江三角洲、長江三角洲等經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)使用建筑涂料進行內(nèi)外墻裝飾的工程比比皆是，但是隨著工程量的增多，出現(xiàn)了一些較為普遍的工程質(zhì)量問題，其中最為嚴重的是涂裝完成經(jīng)過一段時間（大多一年）后，墻體出現(xiàn)龜裂等現(xiàn)象，這不但給建筑物帶來損失，造成滲水等弊病，還使涂料喪失了裝飾性，嚴重

2、影響了建筑涂料的聲譽。這個問題如果得不到很好地解決，會阻礙建筑涂料的迅速發(fā)展。建筑墻面局部開裂主要是由于建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在不均勻的動態(tài)應力，外部溫濕度變化等因素也會誘發(fā)不均勻膨脹或收縮從而產(chǎn)生局部應力。普通薄質(zhì)涂料層一般厚度不超過0.1mm，抗開裂應力的能力較低，當基材裂縫擴張或產(chǎn)生新的開裂時，涂料層可能在對應位置開裂，喪失應有的保護和裝飾功能。當前解決建筑墻面裂縫或裂紋（不包括結(jié)構(gòu)裂紋）的技術(shù)途徑，除提高抹灰砂漿柔性以減少基材開裂外，主要是先在涂料層下批刮厚度為12mm的抗裂性膩子，吸收開裂應力，緩沖裂紋擴展，同時填補墻體裂縫和缺陷，為涂料提供平整、光滑、穩(wěn)定的涂飾表面，提高裝飾效果和耐久性。

3、目前，抗裂性膩子在外墻裝飾裝修工程中的應用已取得明顯效果，其生產(chǎn)廠家和產(chǎn)量逐漸增多，但也應運而生一些性能低劣的產(chǎn)品，控制建筑膩子的抗開裂性顯得尤為重要，但目前尚無適合的試驗方法和相應的試驗儀器。2002年5月由科學技術(shù)部下達任務，國家化學建筑材料測試中心（建工測試部）為承擔單位，雙方簽訂了工作項目任務書【科】200114。根據(jù)任務書要求，項目組開展了一系列研究開發(fā)工作。目前國內(nèi)外資料中還沒有發(fā)現(xiàn)有關(guān)建筑膩子抗裂性能的試驗方法。在建筑材料中抗裂性能常用與彈性相關(guān)的指標來表征，例如建筑外墻彈性涂料應用技術(shù)規(guī)程DBJ/T 01572001，就是以涂料層斷裂延伸率的測試值來判定抗裂性能。而實際上材料在

4、測試過程中的受力狀態(tài)、變形和斷裂過程的機理都有別于真實情況。經(jīng)大量調(diào)研和查詢，發(fā)現(xiàn)溶劑型橡膠瀝青防水涂料JC/T 852-1999規(guī)定的抗裂性試驗方法原理基本能表征建筑膩子的開裂過程。在調(diào)查分析可參照的標準試驗方法基礎(chǔ)上，本項研究依據(jù)建筑膩子產(chǎn)品特點和實際使用狀態(tài)，對試驗儀器、試板樣式規(guī)格、制樣工具和試驗操作條件進行了選擇和開發(fā)設(shè)計，通過大量試驗對影響試驗的因素、方法的適用性、試驗精度、重復性和再現(xiàn)性進行了研究。通過本研究提出的試驗方法，已經(jīng)納入2003年11月完成的建筑外墻用膩子標準報批稿，本項研究的試驗結(jié)果也成為擬訂抗裂性能指標的技術(shù)依據(jù)。一、抗裂性能試驗方法分析在建筑材料中常用與彈性相關(guān)

5、的指標來表征材料的抗裂性能，例如用涂料層斷裂延伸率的測試值來判定。這種方法只能間接反映材料的抗裂性能，且有局限性：1、 測試樣品厚度通常與產(chǎn)品的真實使用厚度存在差異；2、 測試樣品在測試過程中為整體自由伸長，而實際中由于存在與基材的粘結(jié)，產(chǎn)品只可能在極小范圍內(nèi)產(chǎn)生局部伸長；3、 難以反映基材在使用過程中裂紋不斷產(chǎn)生或擴展的情況，即動態(tài)開裂過程；4、 對于建筑膩子這類偏剛性產(chǎn)品，制備啞鈴狀試件存在較大困難，極易發(fā)生試件斷裂；5、 測試結(jié)果缺乏直觀性和對產(chǎn)品實際應用的指導性。針對這些問題并結(jié)合考慮建筑膩子的實際應用狀況，我們認為測量基材開裂而膩子層不開裂時的基材最大裂紋寬度是一種更能模擬真實情況的

6、試驗方法。通過對大量國內(nèi)外相關(guān)標準的進一步調(diào)研，在建材行業(yè)標準溶劑型橡膠瀝青防水涂料JC/T 852-1999中找到了與我們思路相近的對產(chǎn)品彈性的表述方式，該標準中稱之為抗裂性指標。該標準規(guī)定如下:表1項目技術(shù)指標一等品合格品抗裂性基層裂紋，mm0.30.2涂膜狀態(tài)無裂紋 標準要求的抗裂性試板由水泥和砂按1：3制成水泥砂漿，中間夾一層鋼絲網(wǎng)制成，尺寸為200mm×100mm×10mm。抗裂性的試驗器具為涂膜抗裂性測定儀和8倍放大鏡。但標準中并沒有給出儀器的示意圖，同時，經(jīng)過實際操作我們發(fā)現(xiàn)，要想觀察0.20.3mm的裂紋寬度，僅僅依靠8倍的放大鏡幾乎是不可能的。二、試驗部分

7、 研究報告中的膩子抗開裂性是用于表征表層材料抵抗基材裂紋擴展的能力，實際上是一個由動態(tài)過程獲得的數(shù)據(jù)。它的基本設(shè)計思路一是想尋找一種適合的方法和儀器來盡可能模擬實際墻面裂紋的動態(tài)發(fā)展過程；二是希望為生產(chǎn)廠家和用戶提供一個具有實際參照和指導意義的量化指標；三是要求滿足上述要求的檢測儀器操作性好、價格低廉。1、試驗儀器的選擇（1） 動態(tài)抗開裂試驗儀通過查閱國內(nèi)外資料及調(diào)研市場，均未發(fā)現(xiàn)能夠很好實現(xiàn)上述設(shè)計思路的試驗儀器，一些國外公司在企業(yè)標準中涉及的檢測方法和儀器雖然有一定的參考意義，但這些測試儀器中或使用了一些諸如傳感器的昂貴原件，或模具精度要求太高，考慮成本方面的因素使之難以在國內(nèi)普及。為此，

8、我們必須自主開發(fā)能夠滿足要求的試驗儀器。 設(shè)計思路建筑內(nèi)外墻飾面的基材在使用過程中會由于應力集中或其他原因的影響逐步產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋的擴展其寬度也會緩慢增加，當裂紋縱貫了整個基材層之后，就會進一步擴展并影響膩子層和涂料層。如果采用人工試驗來模擬這個動態(tài)變化過程，最為符合的模式應該是基材在水平力的作用下逐步開裂進而影響膩子層，但這種模式較難實現(xiàn)，主要存在兩方面問題：a. 如果直接施加外力使試驗板材開裂，不僅需加的外力較大，且加力的大小不易控制；b. 如果將試驗板材拼接后制樣，試驗時觀察拼接縫的開裂情況，這樣需加的外力會較好控制，但板材的拼接會很困難，很難保證在刮批膩子時每一點的接縫寬度都在零點

9、幾個毫米。為此，我們考慮采用頂裂試驗方法，由于建筑膩子屬于偏剛性的產(chǎn)品，能夠承受的基材裂紋相對很小，在這種情況下，這種方法基本能夠達到模擬效果。 動態(tài)抗開裂試驗儀初型依據(jù)上述設(shè)計思路，結(jié)合建筑膩子的特點并考慮到一般涂料檢測部門的現(xiàn)有條件，我們研究設(shè)計出了抗開裂試驗儀的初型，如圖1所示。儀器以頂?shù)逗蛢筛尬话艄潭影逋瑫r通過千斤頂控制頂?shù)渡仙?，頂裂試驗板材并觀測裂紋寬度。通過試驗發(fā)現(xiàn)，即使使用最小的千斤頂，產(chǎn)生的力仍然偏大，且很難控制均勻加力，往往造成試驗基材和膩子層同時開裂。圖1 抗開裂試驗儀初型動態(tài)抗開裂試驗儀樣機針對抗開裂試驗儀初型的種種問題，我們通過尋求與專業(yè)建筑試驗機生產(chǎn)廠家的合作，對

10、儀器進行了大膽改進，改進后動態(tài)抗開裂試驗儀樣機如圖2所示。圖2 動態(tài)抗開裂試驗儀樣機該儀器是通過轉(zhuǎn)動手輪，以螺桿傳動的形式控制頂?shù)渡?，每轉(zhuǎn)動一圈的升降高度與預制螺距相同，其轉(zhuǎn)動一圈的位移量為1mm；加力均勻且容易控制。頂?shù)恫捎媒?jīng)特殊處理的高硬度鋼制成，其截面形狀由原來的改為刃口具有一定弧度的，這樣不僅可以進一步緩和頂力，而且也能減少刀口的磨損。 儀器結(jié)構(gòu)儀器如圖3所示：圖3 動態(tài)抗開裂試驗儀結(jié)構(gòu)圖（2）立式讀數(shù)顯微鏡如果依靠傳統(tǒng)的放大鏡加直尺的方法來讀取裂紋寬度，不僅操作難度會增加，試驗精度也難以保證。在本項研究中采用立式讀數(shù)顯微鏡，放大倍數(shù)為80倍，視野最大寬度為0.14mm，最小分度值為

11、0.01mm。該儀器操作簡便，視野清晰，讀數(shù)準確，能夠很好的滿足試驗要求。在附錄一總結(jié)的試驗方法中，結(jié)合試驗精度要求和價格方面的考慮，認為50倍，分度值為0.02mm的讀數(shù)顯微鏡即可滿足使用要求。2、試樣的選擇（1）試驗板材的選擇板材材質(zhì)的選擇與防水涂料和彈性涂料相比，膩子屬于相對較為剛性的產(chǎn)品，因此，要想在動態(tài)過程中觀察其抵抗基材開裂的過程是十分困難的，試驗板材的選擇也就顯得尤為重要。能夠滿足試驗要求的板材應具備以下幾個特點：a.需保證在同時承受外力的情況下，板材比膩子層先開裂；b.在滿足先開裂條件的同時，板材也應具有一定的韌性，保證其出現(xiàn)的裂紋能夠隨著外力的增加逐步擴展而不發(fā)生脆性斷裂；c

12、.試驗板材最好是易得的、標準化板材。為此，我們分別對石膏板、灰鈣板、加筋灰鈣板和石棉水泥板進行了對比試驗，結(jié)果見表2。表2 試驗試板對比試驗結(jié)果序號試驗板材試驗結(jié)果適用性1石膏板l 過脆，極易斷裂；l 很難在其上刮批膩子；l 幾乎沒有市售成型產(chǎn)品，自行制備很難保證平整度，再現(xiàn)性也較低。不適用2紙面石膏板l 在其上刮批膩子較為容易；l 有市售產(chǎn)品，但需切割；l 紙面韌性過大，往往膩子層已經(jīng)斷裂而紙面石膏基材仍未出現(xiàn)裂紋。不適用3硅鈣板l 偏脆，對儀器要求較高；l 在其上刮批膩子也較為容易；l 有市售產(chǎn)品，但需切割；l 吸水量偏大，對測試的膩子產(chǎn)品會有影響；l 與實際使用中的膩子基材有差異。不適用

13、4加筋硅鈣板l 偏脆，對儀器要求較高；l 在其上刮批膩子也較為容易；l 有市售產(chǎn)品，但需切割；l 吸水量偏大，對測試的膩子產(chǎn)品會有影響；l 與實際使用中的膩子基材有差異；l 加筋位置及形狀對測試結(jié)果有很大影響。不適用5石棉水泥板l 有一定韌性，選用適合的儀器可以滿足要求；l 建筑涂料檢測標準用板；l 與實際使用中的膩子基材相近。適 用 綜上，決定選用石棉水泥板作為試驗板材。板材面積目前，建筑涂料及相關(guān)材料檢測用石棉水泥板有三種標準規(guī)格，如果其中有能夠滿足建筑膩子抗裂性試驗要求的就不必改用其他規(guī)格，為此，進行了一些對比試驗，結(jié)果見表3。表3 試驗板材面積對比試驗結(jié)果序號規(guī)格, mm×m

14、m×mm試驗結(jié)果適用性1150×70×（46）面積過小，應力相對集中，用儀器很難控制裂紋緩慢擴展。不適用2200×150×（46）長寬適當，用儀器可以控制其裂紋擴展。適 用3430×150×（46）長度過長，很多面積對試驗數(shù)據(jù)不產(chǎn)生影響不適用 由上述試驗結(jié)果，決定選用200mm×150mm×（46）mm的石棉水泥板作為試驗板材。（2）膩子層樣式的選擇膩子層寬度的選擇選擇70mm和150mm兩個寬度進行對比試驗。試驗結(jié)果見表4。表4 膩子層寬度選擇試驗樣品序號動態(tài)抗開裂性試驗結(jié)果膩子層寬度70mm膩子層寬度

15、150mm試板1試板2試板3平均值試板1試板2試板3平均值1同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂0.080.100.100.102同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂0.080.090.100.093同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂0.060.050.050.06注：本研究報告中所使用的立式讀數(shù)顯微鏡為80倍，精度為0.01mm參照建筑外墻用膩子行業(yè)標準報批稿，動態(tài)抗開裂性試驗三塊試板中以兩塊試板（數(shù)值較大的兩塊）的測試結(jié)果的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果。動態(tài)抗開裂性試驗結(jié)果為膩子層開裂前，石棉水泥板開裂的最大寬度，三塊試板中以兩塊試板（數(shù)值較大的兩塊）的測試結(jié)果的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果。結(jié)論：選擇150m

16、m作為試板的膩子層寬度。膩子刮涂型框的選擇為了制備出表面平、整無氣泡、符合試驗用的試板，經(jīng)過多次改進確定一個專用型框（圖2），用于已配制膩子的刮涂，石棉水泥板的規(guī)格為200×150×（46）mm上，膩子厚度為1mm、2mm。刮涂好的試板在標準環(huán)境溫度（23±2）、相對濕度（50±5）下養(yǎng)護7天，每一樣品同時制備3塊試板。型框選用特殊的鎂鋁合金材質(zhì)并進行了防銹蝕處理，其外形和尺寸如圖4：圖2 制板型框圖4 膩子刮涂型框示意圖3、試驗條件的選擇（1）試驗跨距的選擇抗裂性試驗是采用頂?shù)断蚧陌澹ㄊ匏喟澹┦┘禹斄κ蛊溟_裂，同時隨著頂力的增加裂紋逐步擴展，最終

17、基材和膩子層完全開裂。在這里，試驗跨距的大小會直接影響頂力在石棉水泥板的累計情況及板面出現(xiàn)裂紋的時間。緩慢擴展的裂紋無疑更有利于觀測裂紋的寬度，為此，我們選擇160mm和100mm兩種跨距進行對比試驗。試驗結(jié)果見表5。表5 試驗跨距選擇試驗樣品序號動態(tài)抗開裂性試驗結(jié)果跨距100mm跨距160mm試板1試板2試板3平均值試板1試板2試板3平均值1同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂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結(jié)論：從表5可以看出，兩種跨距條件對于試驗結(jié)果的影響不大。但在操作過程中，使用大跨距比小跨距更能平穩(wěn)地控制裂紋擴展。因此，選擇160mm作為動態(tài)抗開裂性試驗跨距。（2）膩子層厚度的選擇由于在實際使用中膩子層干膜厚度約為2mm，但內(nèi)墻膩子行業(yè)標準的測試的濕膜厚度均為1mm。故選擇濕膜厚度1mm和2mm進行對比試驗。見表6。表6 膩子層厚度選擇試驗樣品序號動態(tài)抗開裂性試驗結(jié)果膩子層厚度1mm膩子層厚度2mm試板1試板2試板3平均值試板1試板2試板3平均值10.400.350.350.380.700.750.800.7520.050.05同時開裂0.050.05同時開裂同時開裂同時開裂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 結(jié)論：由表6可見，對于抗裂性較好的膩子產(chǎn)品，膩子濕膜厚度2mm的試板與濕膜厚度1mm的試板相比，測試結(jié)果要大；對于抗裂性一般的產(chǎn)品，2mm試板與1mm試板的結(jié)果相近；而對于抗裂性較差的產(chǎn)品，2mm試板比1mm試板的測試結(jié)果要差。分析原因可能是膩子柔性越好則隨著涂層厚度的增加，其內(nèi)部的抗拉強度也隨著增加，抗開裂性也就越好。而抗裂性越差的產(chǎn)品

20、，其涂層剛性就越強，隨著厚度的增加，剛性特征也會更加明顯，這樣，膩子層與基材同時開裂的可能性也就隨之增加?？紤]到抗開裂方法的制定一方面應盡量接近實際，另一方面希望將現(xiàn)有產(chǎn)品分出檔次，鼓勵抗裂性好的產(chǎn)品進入市場同時限制抗裂性較差的產(chǎn)品。由于建筑外墻用膩子行業(yè)標準報批稿中動態(tài)抗開裂性普通型（P型）指標為0.1mm，柔性（R型）指標為0.3mm。因此綜合考慮，選擇2mm作為試板的膩子層厚度。（3）試板的養(yǎng)護時間選擇試驗普通建筑內(nèi)外墻涂料、內(nèi)墻膩子試板的養(yǎng)護時間是7天，而對于一些厚質(zhì)涂材，如復層涂料、砂壁狀涂料等的試板養(yǎng)護時間為14天。因此，選擇7天和14天進行對比試驗。見表7。表7 試板的養(yǎng)護時間選

21、擇試驗樣品序號動態(tài)抗開裂性試驗結(jié)果試板養(yǎng)護7天試板養(yǎng)護14天試板1試板2試板3平均值試板1試板2試板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同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂結(jié)論：同一樣品養(yǎng)護7天和養(yǎng)護14天的動態(tài)抗開裂性試驗結(jié)果基本相同，為了盡量縮短試驗周期，選擇7天

22、作為動態(tài)抗開裂性試板的養(yǎng)護時間。4、適用性和離散性試驗本項研究共進行不同樣品動態(tài)抗開裂性試驗50組，并分別計算了每組試驗的標準誤差和變異系數(shù)，由于本試驗方法是為了配合建筑外墻用膩子行業(yè)標準的編制進行開發(fā)制定的?，F(xiàn)參照該標準中設(shè)立的動態(tài)抗開裂性技術(shù)指標對試驗數(shù)據(jù)進行了單項判定。表8 不同樣品動態(tài)抗開裂性試驗結(jié)果統(tǒng)計樣品數(shù)目合格數(shù)目不合格數(shù)目通過率P型R型502841864從表8可見，該方法普遍適用于各種建筑膩子，適用性較好；此外，試驗結(jié)果的變異系數(shù)也較小，說明該試驗方法的離散性較小。5、重復性試驗本項研究共選取5個樣品進行了重復性試驗，這些產(chǎn)品的動態(tài)抗開裂性從低到高均勻分布，具有一定的代表性，結(jié)果見表9。表9 重復性試驗結(jié)果樣品序號動態(tài)抗開裂性試驗結(jié)果第1次試驗第2次試驗試板1試板2試板3平均值試板1試板2試板3平均值1同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂同時開裂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結(jié)論：本項研究的試驗方法重復性較好，能夠滿足試驗要求。6、再現(xiàn)性試驗本項研究共選取5個樣品進行了不同試驗人員的再現(xiàn)性試驗，