陶瓷磚吸水率真空法檢測的影響因素分析*

肖 寒

(樂山市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 四川 樂山 614000)

陶瓷磚吸水率是指干燥的單位質(zhì)量的產(chǎn)品達(dá)到水飽和時所吸收的水的質(zhì)量，用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示[1]。簡單地說就是指陶瓷磚吸收水程度的大小，是衡量陶瓷磚質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，很大程度上影響著陶瓷磚的硬度、強(qiáng)度、耐磨性等。

現(xiàn)行陶瓷磚試驗方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了2種吸水率試驗方法：煮沸法和真空法。2018年2月，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)發(fā)布了2018版陶瓷磚吸水率測試方法標(biāo)準(zhǔn)ISO 10545-3：2018。該標(biāo)準(zhǔn)僅采用真空法作為水飽和方法，刪除了舊版標(biāo)準(zhǔn)中的煮沸法。從與國際接軌的角度，應(yīng)高度重視真空法檢測技術(shù)。

我們在實際工作中發(fā)現(xiàn)，即便是同一陶瓷磚樣品，不同實驗室吸水率真空法檢測結(jié)果差異較大，遠(yuǎn)超實驗室間偏差允許范圍。許多專業(yè)人士對陶瓷磚吸水率真空法檢測進(jìn)行了試驗研究，積累了大量試驗數(shù)據(jù)，提出了相應(yīng)的檢測過程控制要求。然而，這些研究屬于特定條件下的試驗結(jié)果，只能供檢測人員參考。為提高行業(yè)陶瓷磚真空法檢測技術(shù)水平，需要清楚陶瓷磚吸水率真空法檢測的技術(shù)原理，找出檢測結(jié)果的關(guān)鍵影響因素，提出相應(yīng)的檢測過程控制要求，才能保證檢測結(jié)果客觀、公正、一致。

1 理論分析

陶瓷磚吸水率真空法檢測步驟：將已恒重的磚豎直放入真空裝置中，使磚互不接觸，抽真空至(10±1)kPa，保持30 min后停止抽真空，加入足夠的水將磚覆蓋并高出5 cm，讓磚浸泡15 min后取出。將一塊浸濕過的麂皮用手?jǐn)Q干，將麂皮放在平臺上依次輕輕擦干每塊磚的表面，然后立即稱其質(zhì)量并記錄。

陶瓷磚是多相多晶材料，顯微結(jié)構(gòu)中包含晶體相、玻璃相、氣相等部分。氣孔是氣相的主要組成，包括陶瓷磚內(nèi)部氣孔和在試樣表面或斷面與大氣相通的開口氣孔。

真空法檢測的原理基于毛細(xì)現(xiàn)象。毛細(xì)現(xiàn)象是由相互接觸的液體和固體分子之間的吸引力決定的，引力作用使液體表現(xiàn)出內(nèi)聚和附著兩種效應(yīng)，附著效應(yīng)占優(yōu)將潤濕物體表面并產(chǎn)生毛細(xì)爬升現(xiàn)象。陶瓷磚浸入水中后，由于水的表面張力和水對陶瓷磚的潤濕效應(yīng)，水將滲透并進(jìn)入開口氣孔中一定高度h，如圖1所示。

圖1 水在開口氣孔中上升高度

為了分析方便，假定開口氣孔為半徑等于R的圓柱形一端封閉毛細(xì)管(其他形狀的開口氣孔也可得到類似結(jié)果)。真空法檢測時，水滲透進(jìn)入氣孔后，原來與外部壓力相等的內(nèi)部空氣受到壓縮，壓力升高。在這一過程中空氣溫度可以認(rèn)為不變，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可得：

(1)

式中：P氣——開口氣孔內(nèi)空氣壓力，kPa；

P0——真空容器壓力，kPa；

H——開口氣孔深度，mm；

h——水在開口氣孔中上升高度，mm。

在圖1所示的毛細(xì)管中，真空容器壓力、水柱重力、水與開口氣孔接觸周邊表面張力、開口氣孔內(nèi)空氣壓力構(gòu)成了力的平衡系統(tǒng)，經(jīng)推導(dǎo)可得：

(2)

式中： σ——水的表面張力系數(shù)，mN/mm；

θ——接觸角；

ρ——水的密度，g/mm3；

g——重力加速度，m/s2；

R——開口氣孔半徑，mm。

真空法檢測時，容器抽真空至(10±1)kPa，式(2)中ρgh項的值遠(yuǎn)小于其它項，即水柱的影響可忽略不計。結(jié)合式(1)可得：

(3)

水在開口氣孔中上升高度h可表示為：

(4)

在陶瓷磚表面氣孔尺寸條件下，水的毛細(xì)現(xiàn)象十分顯著，盡管不能指望水注滿開口氣孔，但在加水前抽真空降低了真空容器內(nèi)部壓力，增加了水滲入氣孔中的能力。陶瓷磚真空法的吸水率等于磚在真空下吸水飽和質(zhì)量與干磚質(zhì)量差同干磚質(zhì)量的百分比。磚在真空下吸水飽和質(zhì)量隨水在開口氣孔中上升高度的增加而增加，h越大，陶瓷磚的吸水率就越大。試驗結(jié)束后，磚取出放置在大氣狀態(tài)下，外部壓力升高使開口氣孔中的水能夠更好保留。對于某具體的陶瓷磚樣品而言，表面開口氣孔的分布狀況、結(jié)構(gòu)尺寸是確定值，由式(4)可知，陶瓷磚的吸水率檢測結(jié)果的關(guān)鍵影響因素是水的潤濕效應(yīng)、表面張力以及檢測過程真空容器中的壓力。

2 試驗用水的影響分析

水對陶瓷磚的良好潤濕是形成水飽和的前提，無機(jī)物固體的陶瓷磚，其表面能的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水在陶瓷磚上的表面張力，直到接觸角θ=0仍不能達(dá)到平衡，水將在陶瓷磚表面鋪展開來，實現(xiàn)完全潤濕。由于接觸角θ=0，式(4)可簡化為：

(5)

試驗用水對陶瓷磚吸水率的影響取決于水的表面張力系數(shù)。式(5)表明，試驗用水表面張力系數(shù)增大，陶瓷磚吸水率的測試結(jié)果將增大，反之則減小。表面張力系數(shù)屬于液體的物性參數(shù)，對同一接觸物質(zhì)，表面張力系數(shù)隨溫度的升高而降低。表面張力系數(shù)還受液體所含雜質(zhì)的影響。研究表明：無機(jī)鹽溶液，當(dāng)溶質(zhì)的濃度增大時，溶液的表面張力系數(shù)增大；少量的表面活性劑的加入可顯著降低表面張力系數(shù)；自來水的表面張力系數(shù)大于純凈水。

吸水率真空法檢測試驗用水目前存在不一致的現(xiàn)象，自來水、蒸餾水、多次使用的蒸餾水都有用于試驗的情況。試驗用水的溫度也沒有提出控制要求，水的溫度存在差異。

GB/T 3810.3-2016《陶瓷磚試驗方法》第3部分對試驗用水的要求是：去離子水或蒸餾水。按照標(biāo)準(zhǔn)，自來水用于試驗是不正確的。蒸餾水反復(fù)用于試驗，將導(dǎo)致陶瓷磚中的無機(jī)鹽溶入其中，使其濃度逐步上升。研究表明：含少量無機(jī)鹽水溶液的表面張力系數(shù)較同溫度的純凈水更高，在20 ℃時兩者量值差別約3%，無機(jī)鹽濃度上升，兩者的量值差別將進(jìn)一步擴(kuò)大。

純凈水和無機(jī)鹽水溶液表面張力系數(shù)的溫度特性相似，均呈近似的線性關(guān)系，15 ℃比30 ℃的表面張力系數(shù)要高約4%。

即使試驗時其他條件相同，由于試驗用水狀況的差異，吸水率的測試結(jié)果就會不同。據(jù)式(5)可知，多次使用的蒸餾水在較低溫度下進(jìn)行試驗，由于水的表面張力系數(shù)大，可能得到的吸水率測試結(jié)果就會偏大。較高溫度的新鮮蒸餾水或表面活性劑污染的試驗用水就可能使吸水率測試結(jié)果偏小。

3 真空度的影響分析

真空度是影響陶瓷磚吸水率大小的主要因素，文獻(xiàn)中已有不少的試驗結(jié)果證明了真空度的影響。所不同的是由于標(biāo)準(zhǔn)的修訂，按GB/T 3810.3-2016《陶瓷磚試驗方法》第3部分試驗，真空度對吸水率結(jié)果的影響正好與上述結(jié)論相反。由式(5)可知，真空容器中的壓力越低，水在開口氣孔中上升高度越大，因而吸水率試驗值也應(yīng)變大。

目前存在3種陶瓷吸水率真空試驗裝置，第一種裝置是將樣品豎直地放在真空箱中，使樣品互不接觸，加入蒸餾水將磚覆蓋并至少高出5 cm，抽真空至規(guī)定值，保持30 min 后停止抽真空；第二種裝置是將樣品放在真空箱后，先按要求抽真空，保持30 min 后停止抽真空，再按要求加入蒸餾水(該裝置僅在抽真空階段要求真空容器內(nèi)壓力在規(guī)定范圍)；第三種裝置是將樣品放在真空箱后，先按要求抽真空，再按要求加入蒸餾水，但在整個試驗期間保持容器內(nèi)壓力為(10±1)kPa，直至試驗結(jié)束水自動排除。

按GB/T 3810.3-2016《陶瓷磚試驗方法》第3部分的要求，似乎第二種裝置才是最符合標(biāo)準(zhǔn)要求的，但筆者認(rèn)為，這樣的理解可能不恰當(dāng)。圖2表示了加入蒸餾水后的真空容器中陶瓷磚試驗情況，水面上方的空氣和抽真空時相比產(chǎn)生了顯著的壓縮，空氣壓力P1可能是原來(10±1)kPa的幾倍，水在開口氣孔中上升高度h將明顯大于式(5)的計算結(jié)果。由于不同試驗裝置的真空容器尺寸差異，水面上方空氣的壓縮程度就會不同，水在開口氣孔中上升高度就不一致，造成吸水率測試又增加一項系統(tǒng)誤差。

圖2 水陶瓷磚在真空容器中試驗情況

同一陶瓷磚樣品的真空度測試結(jié)果不應(yīng)隨實驗室的不同而出現(xiàn)明顯差別，為減少試驗結(jié)果的誤差，應(yīng)該采用第3種真空試驗裝置，裝置應(yīng)在整個試驗過程中保持(10±1)kPa的恒定真空度。這樣真空容器的尺寸變化才不會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。GB/T 3810.3-2016《陶瓷磚試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)明確這一要求。

試驗用水和試驗真空度是陶瓷磚吸水率檢測結(jié)果的主要影響因素。它們直接影響試驗用水在表面開口氣孔中的滲入程度。為保證試驗結(jié)果準(zhǔn)確、一致，應(yīng)明確對上述因素提出控制要求。

建議GB/T 3810.3-2016《陶瓷磚試驗方法》第3部分進(jìn)行適當(dāng)修訂，應(yīng)對試驗用水提出試驗溫度和純凈程度的具體要求，明確規(guī)定真空裝置在整個試驗期間應(yīng)保持(10±1) kPa的技術(shù)要求。