陶瓷砖吸水率真空法检测关键影响因素
肖寒
摘 要：吸水率是评价陶瓷砖质量的一项重要指标，常出现同一陶瓷砖样品吸水率真空法检测结果差异较大的情况。根据毛细现象，得到了试验用水在陶瓷砖表面气孔中上升高度的数学表达式，认为试验用水表面张力系数和试验过程真空度变化是吸水率试验结果的关键影响因素。建议试验方法标准中应明确试验用水温度和纯净度的具体要求，试验过程真空度应保持不变。
关键词：陶瓷砖；吸水率；表面张力系数；真空度
1 概述
陶瓷砖吸水率是衡量瓷砖质量优劣的重要指标之一，很大程度上影响着瓷砖的硬度、强度、耐磨性等，它指的是干燥的单位质量的产品达到水饱和时所吸收的水的质量，用质量百分数表示[1]，简单的说就是指陶瓷砖吸收水的程度大小。
煮沸法和真空法是现行陶瓷砖试验方法标准规定的两种吸水率试验方法[2]。2018年2月，国际标准化组织（ISO）发布了2018版陶瓷砖吸水率测试方法标准ISO 10545-3：2018。该标准仅采用真空法作为水饱和方法，删除了旧版标准中的煮沸法。真空法已成为国际通用方法，应给予高度重视。
在实际工作中我们发现，即便是同一陶瓷砖样品，不同实验室吸水率真空法检测结果差异较大，远超实验室间偏差允许范围。许多专业人士对陶瓷砖吸水率真空法检测进行了实验研究，积累了许多实验数据，提出了相应的检测过程控制要求[3、4]。然而，这些研究属于特定条件下的实验结果，只能供检测人员参考。为提高行业陶瓷砖真空法检测技术水平，需要清楚陶瓷砖吸水率真空法检测的技术原理，找出影响检测结果的关键因素，提出相应的检测过程控制要求，得到的实验结果才能客观、公正地反映陶瓷砖的质量水平。
2 理论分析
陶瓷砖吸水率真空法检测步骤：将已恒重的砖竖直放入真空装置中，使砖互不接触，抽真空至（10±1） KPa，并保持30 min后停止抽真空，加入足够的水将砖覆盖并高出5 cm，让砖浸泡15 min后取出。将一块浸湿过的麂皮用手拧干。将麂皮放在平台上依次轻轻擦干每块砖的表面，然后立即称重并记录[2]。
陶瓷砖是多相多晶材料，显微结构中包含晶体相、玻璃相、气相等组成部分。气孔是气相的主要组成，包括陶瓷砖内部气孔和在试样表面或断面与大气相通的开口气孔[5]。
真空法检测的原理基于毛细现象。陶瓷砖浸入水中后，由于水的表面张力和水对陶瓷砖的润湿效应，水将渗透进入开口气孔中一定高度h，如图1-1所示。
为分析方便，假定开口气孔为半径R的圆柱形一端封闭毛细管（其它形状的开口气孔也可得到类似结果）。真空法检测时，水渗透进入气孔后，原来与外部压力相等的内部空气受到压缩，压力升高。在这一过程中空气温度可以认为不变，根据理想气体状态方程，可得：
P气=P0 （1）
式中：P气——开口气孔内空气压力，KPa
P0——真空容器压力，KPa
H——开口气孔深度，mm
h——水在开口气孔中上升高度，mm
在图1所示的行细管中，真空容器压力、水柱重力、水与开口气孔接触周边表面张力、开口气孔内空气压力构成了力的平衡系统，经推导可得：
+P0+ρgh=P气 （2）
式中：σ——水的表面张力系数，mN/mm
θ——接触角
ρ——水的密度，g/mm3
g ——重力加速度，m/s2
R——开口气孔半径，mm
真空法检测时，容器抽真空至（10±1） KPa，式（2）中ρgh项的值远小于其它项，即水柱的影响可忽略不计。结合式（1-1）可得：
+P0=P0 （3）
水在开口气孔中上升高度h可表示为：
h== （4）
在陶瓷砖表面气孔尺寸条件下，水的毛细现象十分显著，尽管不能指望水注满开口气孔，但在加水前抽真空降低了真空容器内部压力，增加了水渗入气孔中的能力。陶瓷砖真空法的吸水率等于砖在真空下吸水饱和质量与干砖质量差同干砖质量的百分比[2]。砖在真空下吸水饱和质量随水在开口气孔中上升高度的增加而增加，h越大，陶瓷砖的吸水率就越大。对于某具体的陶瓷砖样品，表面开口气孔的分布状况、结构尺寸是確定值，由式（4）可知，陶瓷砖的吸水率检测结果的关键影响因素是水的润湿效应和表面张力，检测过程中真空容器的压力。
3 试验用水的影响分析
水对陶瓷砖的良好润湿是形成水饱和的前提，无机物固体的陶瓷砖，其表面能的数值远远大于水在陶瓷砖上的表面张力，直到接触角θ=0仍不能达到平衡，水将在陶瓷砖表面铺展开来，实现完全润湿[6]。由于接触角θ=0，式（4）可简化为：
h= （5）
试验用水对陶瓷砖吸水率的影响取决于水的表面张力系数。式（5）表明，试验用水表面张力系数增大，陶瓷砖吸水率的测试结果将增大，反之则减小。表面张力系数属于液体的物性参数，对同一接触物质，表面张力系数随温度的升高而降低[7]。表面张力系数还受液体所含杂质的影响，研究表明：无机盐溶液，当溶质的浓度增加时，溶液的表面张力系数增加；少量的表面活性剂的加入可显著降低表面张力系数；自来水的表面张力系数大于纯净水[8]。
吸水率真空法检测试验用水目前存在不一致，自来水、蒸馏水、多次使用的蒸馏水都有用于试验的情况。试验用水的温度也没有提出控制要求，水的温度存在差异。
GB/T3810.3-2016《陶瓷砖试验方法》第3部分对试验用水的要求是：去离子水或蒸馏水。按照标准，自来水用于试验是不正确的。蒸馏水反复用于试验，将导致陶瓷砖中的无机盐溶入其中，浓度逐步上升。研究表明：含少量无机盐水溶液的表面张力系数较同温度的纯净水更高，在20℃时两者量值差别约3%，无机盐浓度上升，两者的量值差别进一步扩大[8、9]。
纯净水和无机盐水溶液表面张力系数的温度特性相似，均呈近似的线性关系，15℃比30℃的表面张力系数要高约4% [9]。
即使试验时其它条件相同，由于试验用水状况的差异，吸水率的测试结果就会不同。根据式（5）可知，多次使用的蒸馏水在较低温度下进行试验，由于水的表面张力系数大，可能得到的吸水率测试结果就会偏大。较高温度的新鲜蒸馏水或表面活性剂污染的试验用水就可能使吸水率测试结果偏小。
4 真空度的影响分析
真空度是影响陶瓷砖吸水率高低的主要因素，文献中已有不少的试验结果证明了真空度的影响[10、11]。所不同的是由于标准的修订，按GB/T3810.3-2016《陶瓷砖试验方法》第3部分试验，真空度对吸水率结果的影响正好与上述结论相反。由式（2-1）可知，真空容器中的压力越低，水在开口气孔中上升高度越大，因而吸水率试验值也应变大。
目前存在三种陶瓷吸水率真空试验装置，第一种装置是将样品竖直地放在真空箱中，使样品互不接触，加入蒸馏水将砖覆盖并至少高出5 cm，抽真空至规定值，保持30 min 后停止抽真空；第二种装置是将样品放在真空箱后，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（该装置仅在抽真空阶段要求真空容器内压力在规定范围）。第三种装置是将样品放在真空箱后，先按要求抽真空，再按要求加入蒸馏水，但在整个试验期间保持容器内压力为（10±1） KPa。
按GB/T3810.3-2016《陶瓷砖试验方法》第3部分的要求，似乎第二种装置才是最符合标准要求的，但笔者认为，这样的理解可能不恰当。图2表示了加入蒸馏水后的真空容器中陶瓷砖试验情况，水面上方的空气和抽真空时相比产生了显著的压缩，空气压力P1可能是原来（10±1） KPa的几倍，水在开口气孔中上升高度h将明显大于式（5）的计算结果。由于不同试验装置的真空容器尺寸差异，水面上方空气的压缩程度就会不同，水在开口气孔中上升高度就不一致，造成吸水率测试又增加一项系统误差。
同一陶瓷砖样品的真空度测试结果不应随实验室的不同而出现明显差别，为减少试验结果的误差，应该采用第三种真空试验装置，装置应能在整个试验过程中保持（10±1） KPa的恒定真空度。这样真空容器的尺寸变化才不会对试验结果产生影响。GB/T3810.3-2016《陶瓷砖试验方法》标准应当明确这一要求。
5 结语
试验用水和试验真空度是陶瓷砖吸水率检测结果的关键影响因素，它们直接影响试验用水在表面气孔中的渗入程度，为保证试验结果准确、一致，应明确对上述因素提出控制要求。
建议GB/T3810.3-2016《陶瓷砖试验方法》第3部分进行适当修订，应对试验用水提出试验温度和纯净程度的具体要求，明确规定真空装置在整个试验期间应保持10±1 KPa的技术要求。
参考文献
[1] GB/T4100-2015，陶瓷砖[S].
[2] GB/T3810.3-2016，陶瓷砖试验方法 第3部分 吸水率、显气孔率、表观相对密度和容重的测定[S].
[3] 赵江伟，梁柏清等. 陶瓷砖吸水率测试方法的探讨[J]. 陶瓷 2010， 1：28-30.
[4] 赵治华. 陶瓷砖吸水率测定不确定度评定[J]. 河南建材 2012， 6：42-43.
[5] 陆小荣，朱永平. 陶瓷工艺学[M]. 长沙： 湖南大学出版社， 2005.
[6] 傅献彩，沈文霞等. 物理化学（第五版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006.
[7] 黄卫星，李建明等. 工程流体力学（第二版）[M]. 北京： 化学工业出版社， 2008.
[8] 李艳琴，张宏剑. 不同种类杂质对液体表面张力系数的影响[J]. 实验室研究与探索 2013， 4： 43-46.
[9] 梅策香，王广平等. 液体表面张力系数与温度和浓度的关系实验研究[J]. 成阳师范学院学报 2008， 6： 21-22.
[10] 商蓓，龚明等. 干压陶瓷砖吸水率检测方法的探讨[J]. 陶瓷 2017， 5： 55-59.
[11] 董飞，李莉莉等. 真空度对干压陶瓷砖吸水率的影响[J]. 中国建材科技 2010， S2： 200-203.
