Adhäsion zwischen Fliesenkleber und mechanisch vorbehandelten Fliesenrückseiten

Experimentelle Untersuchungen zum Adhäsionsverbund von Fliesenklebern wurden mit verschieden vorbehandelten Fliesenrückseiten durchgeführt. Aus den Ergebnissen ergeben sich Möglichkeiten, den Haftverbund zwischen Mörtel und Fliese zu erhöhen, woraus insbesondere eine gesteigerte Dauerhaftigkeit resultiert. Die Adhäsion zu einem Material derart niedriger Porosität wird hauptsächlich durch den Latexzusatz des Fliesenklebers geleistet.

1 Einleitung

Die Qualität des Haftverbundes zwischen Fliesenklebermörtel und Fliese ist maßgebend für die Dauerhaftigkeit von Fliesenbelägen. In einer Studie wurde deshalb untersucht, inwiefern die Beschaffenheit der Fliesenrückseite Einfluss auf den Haftverbund hat.

Feinsteinzeugfliesen werden insbesondere für Applikationen im Außenbereich vermehrt verwendet. Durch die niedrige Porosität der Feinsteinzeugfliese, welche ihre charakteristischen Eigenschaften durch eine hohe Brenntemperatur erhält, kann Wasser nur schlecht oder kaum eindringen. Dadurch werden Schäden aufgrund von Frost-Tau-Wechseln sowie ungewollte Verfärbungen auf der Oberseite der Fliese verhindert. Aufgrund der geringen Porosität, welche auch an der Unterseite der Fliese vorhanden ist, kann jedoch der Haftverbund nachteilig beeinflusst sein.

Je nach Hersteller hat die Fliese auf der Rückseite ein bestimmtes Profil, das heißt es gibt Erhebungen (Stege), welche verschiedene Höhen haben können. Im automatisierten Herstellungsprozeß von Keramikfliesen werden die Fliesen-Presslinge auf Aluminiumoxidrollen durch den Brennofen befördert. Damit die Fliesen während des Brennprozesses nicht auf diesen Rollen anhaften, wird eine Beschichtung auf das Förderband aufgebracht, welche dann an den Fliesen-Presslingen anhaftet, bevor sie in den Brennofen befördert werden [1]. Diese sogenannte Engobe reagiert bei hoher Temperatur zum Teil mit der Fliese und verschmilzt mit dieser. Zu einem großen Teil bleibt die Engobe allerdings als weißes Pulver lose auf der Fliesenrückseite zurück. Entsprechend der Struktur auf der Fliesenrückseite sind diese Rückstände vor allem auf den Erhöhungen wieder zu finden.

Bei dem Verlegen von Wandfliesen wird gemäß DIN 18157-1 zwischen der sogenannten Floating und der Floating/Buttering Methode unterschieden. Floating beschreibt das Aufbringen des Mörtels auf den Untergrund, mit Buttering ist das Aufkratzen einer Mörtel-Kontaktschicht auf der Fliesenrückseite benannt. Hierdurch wird ein höherer Benetzungsgrad erreicht.

In den Haftzugfestigkeitstests nach EN 1348 werden ebenso Feinsteinzeugfliesen (BIa gemäß EN 14411) einbezogen. Diese haben aber ein Format von 5 x 5 cm. Um eine gute Reproduzierbarkeit mit Anwendungsbezug zu kombinier­en, wurde bei den durchgeführten Untersuchungen ein bewährter Versuchsaufbau gewählt [2, 3], bei dem großformatige Feinsteinzeugfliesen (30 x 30 x 0.8 cm) einzeln auf Betonplatten verlegt wurden. Ortsaufgelöste Haftzugtests wurden mit mikrostrukturellen Untersuchungen kombiniert, um einen Einblick in die Beschaffenheit der Verbundstelle zu erhalten.

Herkömmlicher Fliesenklebermörtel setzt sich aus einem hydraulischen Bindemittel (Portlandzement im Fall von normalerhärtenden Mörteln), Füllern (Quarzsand und Kalksteinmehl) sowie Polymeren (Dispersionspulver, Celluloseether) zusammen. Letztere erfüllen eine Vielzahl von Funktionen, unter anderem eine verbesserte Adhäsion und Kohäsion. Da eine Fliese mit niedriger Porosität nur eine eingeschränkte mechanische Anbindung des Mörtels zulässt, wird der Verbund zwischen Fliese und Mörtel zu einem großen Teil von den Polymerfilmen geleistet, welche sich vor allem aus dem Dispersionspulver bilden. Die Verteilung der Polymere an der Grenzfläche zwischen Mörtel und Fliese stellt daher eine wichtige Komponente in der mikrostrukturellen Charakterisierung der Grenzfläche dar.

2 Methodik

Die Beschaffenheit der Fliesenrückseite wurde variiert indem sie mit drei mechanischen Techniken vorbehandelt wurde (Tabelle 1). Im Vergleich zu unbehandelten Fliesen wurden Fliesen verwendet, welche mittels Hochdruck gereinigt wurden (Bild 1), welche mit einem gewöhnlichen Schleifpapier (Sandpapier) von Hand geschliffen oder die rückseitig mit einer Schleifmaschine (Firma Wenzler) abgeschliffen wurden (1 mm Tiefe). Die Schleifmaschine entfernt die Struktur auf der Fliesenrückseite gänzlich. Mit diesen mechanischen Vorbehandlungen konnten unterschiedliche Anforderungen ausgehend von einem bekannten Material für den Fliesenkleber simuliert werden.

Verschiedene Fliesenkleberformulierungen (C2-Qualität nach EN 12004) wurden verwendet: vier Laborformulierungen, welche sich nur leicht unterscheiden und ein kommerziell erhältlicher Fliesenkleber (Fc, Tabelle 2).

Nach einem definierten Anrührvorgang des Fliesenklebers wurde eine Fliese (30 x 30 x 0.8 cm) einzeln auf einen Betonuntergrund (40 x 40 x 4 cm, nach EN 1323) verlegt. Für eine detaillierte Beschreibung der Probenherstellung siehe Wetzel et al. [2]. Anschließend wurden die Probenkörper für 28 Tage trocken gelagert (23 °C/50 % rel. Luftfeuchte). Nach dem Zersägen der Fliese in Mosaike, wurden ortsaufgelöste Haftzugtests durchgeführt. Hier aufgeführt sind die Mittelwerte aller 36 gemessenen Mosaike (siehe Resultate, Tabelle 3).

Um die Verteilung der Polymere an der Grenzfläche zwischen Mörtel und Fliese zu ermitteln, wurden spezielle Untersuchungen durchgeführt, bei welchen die Polymere chemisch modifiziert wurden, so dass sie unter einem Ultraviolett-Mikroskop fluoreszieren [4, 5]. In einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (LSM) kann ihre Verteilung höher aufgelöst und kombiniert mit digitaler Bildanalytik quantitativ ermittelt werden [6]. Für mikrostrukturelle Untersuchungen an Dünnschliffen und an Rückseiten von Fliesenmosaiken aus den Haftzugversuchen fand ein Polarisationslichtmikroskop als auch ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) mit energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) Verwendung. Am SEM erfolgten die Untersuchungen im Niedrigvakuummodus um eine Bedampfung zu vermeiden.

Zum Vergleich wurden auch Proben (W1, Tabelle 2) von einem Feldver­such betrachtet, in welchem die Dauerhaftigkeit von Fliesenbelägen unter Außenbewitterung im Mittelpunkt stand. In diesem Feldversuch wurden gesamte Wand- und Bodenflächen verfliest [7], bei Verwendung der gleichen Materialien wie in den zuvor erwähnten Laborversuchen. Die Fliesen wurden unbehandelt eingelegt. Hierbei wurde unter anderem der Effekt von verschiedenen Applikations­techniken verglichen. So wurde eine Fläche mittels Floating/Buttering und eine andere nur mittels Floating verlegt.

3 Ergebnisse

3.1 Haftzugwerte

Die Haftzugwerte des kommerziellen Klebers (Fc) sind generell höher als diejenigen der Laborformulierungen (F1, F2, F3). Beim Vergleich der Laborformulierungen zeigt sich, dass die Formulierung mit Dispersionspulver höhere Haftzugwerte aufweist als diejenigen mit Flüssigdispersionen (Tabelle 3).

Betrachtet man die Unterschiede zwischen den verschieden präparierten Fliesenrückseiten, so wird deutlich, dass der Verbund vom Mörtel zur abgeschliffenen Rückseite die höchsten Adhäsionswerte hervorbringt, gefolgt von den trocken gereinigten Rückseiten. Eine Erhöhung der Haftzugwerte ist bereits bei Proben mit Modifikationen durch nasse Reinigung zu beobachten. Unbehandelte Fliesenrückseiten weisen stets die geringsten Werte auf (Tabelle 3).

3.2 Engobe auf der Fliesenrückseite

Die weiße Engobe auf der Fliesenrückseite ist bereits makroskopisch deutlich erkennbar (Bild 1). Betrachtet man die Oberfläche der Fliesenrückseite und im Speziellen die Stellen mit Engobe mittels SEM, so wird die kristalline Natur der Engobe deutlich (Bild 2). Die Engobe kann ebenso mittels Lichtmikroskopie und SEM im Querschnitt an der Grenzfläche zwischen Mörtel und Fliese lokalisiert und deutlich von der Mörtelmatrix und von der Fliese differenziert werden (Bild 3a). Im Element-Verteilungsbild wird deutlich, dass die Engobe aus Magnesiumoxid besteht (Bild 3b).

In Bild 4 sind lichtmikroskopische Aufnahmen zweier Proben im Querschnitt dargestellt. Eine Probe wurde mittels Floating (Bild 4a), die andere mittels Floating/Butter­ing-Technik (Bild 4d) appliziert. Bei beiden Proben wurde die Fliese nicht vorbehandelt. Wie eingangs erwähnt, ist die Engobe hauptsächlich an den Stegen (Tabelle 1) vorhanden. Es wird deutlich, dass im Fall der ersten Probe (Floating) die Engobe als Trennmedium wirkt. Eine Anreihung von eingeschlossenen Luftporen, erkennbar durch das blaue Imprägnationsharz, macht dies deutlich (Bild 4b). In den Bereichen ohne Engobe besteht dagegen ein direkter Verbund (Bild 4c). Im Fall der zweiten Probe (Floating/Buttering, Bild 4d) ist auch entlang der Bereiche mit Engobe (Stege) ein direkter Verbund erkennbar. An analogen Proben wurden nach 28 Tagen Haftzugfestigkeiten gemessen; diese sind wesentlich höher, wenn mittels Floating/Buttering appliziert wurde (Bild 4d+e).

Dass an beschichteten Stellen (Stegen) mehr Luft an der Verbundfläche eingeschlossen wird, konnte durch ein statistisches Auszählverfahren (point counting) bestätigt, ja sogar quantifiziert werden. An unbeschichteten Verbundstellen konnte ein Luftporeneinschluß von 16 Vol. % und an beschichteten Stellen ein Luftporeneinschluß von 25 Vol. % bestimmt werden. Die Beschichtung kann den Lufteinschluß also um bis zu 50 % erhöhen, was doch erstaunlich viel ist.

3.3 Verteilung der Polymere und der Engobe in der

Verbundzone Fliese-Mörtel

In Versuchen, bei denen angefärbte Polymere zum Einsatz kamen, wurden ebenfalls Haftzugtests durchgeführt. Die Bruchmuster zeigten überwiegend Adhäsionsversagen an der Grenzfläche zwischen Fliese und Mörtel. In der Aufsicht auf die Rückseiten der Fliesenmosaike konnten weitgehend keine Mörtelreste entdeckt werden. Auch wenn keine Mörtelreste sichtbar waren, so konnten unter dem UV-Mikroskop die angefärbten Polymere sichtbar gemacht werden. Solche Anreicherung von verwendeten Polymeren (Celluloseether, Polyvinylalkohol und Latex) wurden vor allem entlang der Bereiche mit Engobe nachgewiesen (Bild 5), d. h. auf den Erhöhungen der Fliesenrückseite (Stegen).

Der Querschnitt des Systems Fliese-Mörtel-Beton wurde mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie untersucht. Hierbei wurde deutlich, dass entlang von Stegen Polymere angereichert sind (Tabelle 1). Bei kombinierten Untersuchungen mit LSM und energiedispersiver Röntgenanalyse am SEM konnte gezeigt werden, dass die Anreicherungen der Polymere mit dem Vorhandensein der Engobe einhergehen (Bild 6). Diese Beobachtung stützen die Untersuchungen der ausgerissenen Fliesenmosaike, wo Polymere in der Engobe angereichert vorlagen.

4 Diskussion

Der kommerziell erhältliche Fliesenkleber (Fc) weist insgesamt höhere Haftzugwerte auf als die für Studienzwecke einfach gehaltenen Laborformulierungen (Tabelle 3: F1, F2, F3). Durch verschiedene mechanische Vorbehandlungen der Fliesenrückseiten konnten alle verwendeten Fliesenkleber einen erhöhten Haftverbund herstellen. Die Proben mit abgeschliffener Fliesenrückseite zeigten die höchsten Haftzugwerte. Dies ist auf eine erhöhte Porosität im Inneren der Fliese im Vergleich zur Oberfläche zurückzuführen. Durch das Abschleifen der Oberfläche wird die flieseninterne Porosität geöffnet und für den unterliegenden Fliesenkleber zugänglich. Es wurden ähnlich gute Haftzugwerte erreicht, wenn die Fliesenrückseite per Hand mit einem Sandpapier gereinigt wurde. Dies genügt offenbar, um eine dünne glasartige Schicht zu durchbrechen und ebenfalls die Porosität zu öffnen. Das Nassreinigen hat ebenfalls einen leicht positiven Effekt auf die Haftzugfestigkeit. Die Proben mit unbehandelter Fliese zeigen stets niedrigere Haftzugwerte als jene der behandelten Fliesen.

Die Engobe auf der Rückseite der Fliese ist zu differenzieren in a) eine lose aufliegende und b) eine mit der Fliese durch den Sintervorgang verbundene Schicht (Tabelle 1). Die lose Engobe fungiert als Trennmedium und behindert die Bildung eines Adhäsionsverbundes. Die mit der Fliese verbundene Engobe wirkt sich dagegen fördernd auf den Haftverbund aus. Die höhere Porosität der Beschichtung ermöglicht dem Mörtel, und insbesondere den Polymeren, eine bessere Anbindung, und somit eine Erhöhung der Adhäsion. Dies konnte mittels mikrostruktureller Untersuchungen gezeigt werden, die eine Anreicherung der Polymere in den Bereichen mit Engobe aufweisen.

Nebst der Reinigung der Fliesenrückseite kann auch die Applikationstechnik Floating/Buttering den negativen Einfluss der lose aufliegenden Engobe verringern. Neben dem höheren Benetzungsanteil, welcher beim Floating/Buttering erzeugt wird, ergibt sich durch diese Applikationstechnik ein weiterer Vorteil. Die losen Anteile der Engobe werden mechanisch abradiert und in den Frischmörtel eingearbeitet und wirken somit nicht mehr als Trennmedium. Wird die Fliese jedoch nur mittels Floatingtechnik verlegt, so ist entscheidend, wie frisch die Oberfläche des aufgetragenen Mörtels ist. Da sich nach gewisser Zeit an der Oberfläche des Mörtels eine Haut bildet [8], wirken die losen Anteile der Engobe (Staub) umso stärker als Trennmedium. Demgegenüber ermöglicht ein frischer Mörtel mit einer feuchten Oberfläche die Aufnahme dieser losen Beschichtungsanteile durch das Mörtelwasser. Somit spielt die Oberfläche des applizierten Frischmörtels eine entscheidende Rolle für den Haftverbund und somit für die Dauerhaftigkeit des Fliesenbelages.

5 Schlussfolgerungen

Resultierend aus unterschiedlichen Vorbehandlungen der Fliesenrückseite wurden verschiedene Anforderungen an das Adhäsionsvermögen von Fliesenklebermörtel simul­iert. Zusammenfassend lassen sich drei Gründe für Unterschiede in der Haftzugfestigkeit aufführen:

1.    Lose Anteile der Engobe wirken als Trenn­medium.

2.     Die gesinterten Anteile der Engobe, welche aufgrund des Brennvorganges mit der Fliese fest verbunden sind, fördern die Adhäsion, da diese Anteile porös sind und insbesondere für die Polymerkomponenten des Fliesenklebers eine Anbindung ermöglichen.

3.    Die innere Porosität der Fliese wird durch mechanische Reinigung oder Abschleifen geöffnet, so dass eine bessere Anbindung des Mörtels erfolgen kann.

Ausgehend von der unbehandelten Fliesenrückseite wird ein dauerhafter Verbund in Abhängigkeit zur Qualität des Fliesenklebers hergestellt. Zur Verbesserung des Haftverbundes können von Seiten des Fliesenkleberherstellers folgende Schlussfolgerungen in Betracht gezogen werden:

Durch eine erhöhte offene Zeit wird die Hautbildung an der Mörteloberfläche verlangsamt. Die lose Engobe auf der Fliesenrückseite kann den feuchten Mörtel besser aufnehmen, wodurch die Adhäsion erhöht wird.

Bei niedriger Porosität wird der Adhäsionsverbund vor allem durch Latexzusatz im Fliesenkleber geleistet, was anhand von Anreicherungen von Polymeren an der Oberfläche der Fliesenrückseite nachgewiesen werden konnte.

Des Weiteren kann der Verbund durch die Applikationstechnik Floating/Buttering verbessert werden. Die Kontaktfläche zwischen Mörtel und Fliese wird hierdurch erhöht und bewirkt, dass die Engobe die Adhäsion nicht behindert.

Durch die mechanische Vorbehandlung der Fliesenrückseite konnte eine Steigerung des Haftverbundes beobachtet werden. Daher leiten sich hieraus auch mögliche Maßnahmen zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit von Fliesenbelägen auf Seiten der Fliesenhersteller ab:

Eine einfache Reinigung der Fliesenunterseite am Ende des Herstellungsprozesses würde die lose Engobe entfernen und somit den Haftverbund zum Fliesenkleber erhöhen.

Eine mechanische Behandlung der Rückseite (z.B. grobes Schleifen) würde eine Aufrauhung und Porenöffnung bewirken.

Da alle angeführten Punkte einen zusätzlichen Aufwand bedeuten, ist abzuwägen, ob sich eine dieser Maßnahmen wirtschaftlich lohnt. Da allerdings die Verwendung großformatiger niedrig-porösen Fliesen im Außenbereich stetig zunimmt, erscheint es vielversprechend, die verschiedenen Optionen zu prüfen.

Danksagung

Die Autoren danken Hanspeter Waser und Karsten Pass (Elotex AG) für die Unterstützungen bei den Versuchen. Josef Kaufmann und Sandy Harzer (Empa) seien für anregende Diskussionen gedankt. Frank Gfeller (Universität Bern) führte die statistischen Auszähluntersuchungen (point counting) der Mörtelproben durch. Für die finanzielle Unterstützung sei der Schweizer Kommission für Technologie und Innovation gedankt (KTI Projektnr. 8605.1 EPRP-IW).