環(huán)氧改性砂漿的非過流面耐磨性測試方法適用性研究

趙 玨，曹 偉，張 進，吳 珍，張 杉，曹瑩瑩

（中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

環(huán)氧砂漿廣義來講包括環(huán)氧樹脂改性水泥基材料（也就是在水泥基材料中加入環(huán)氧樹脂，對水泥基材料的韌性、粘結能力、耐腐蝕性等性能進行改善所制成的環(huán)氧改性砂漿）和環(huán)氧基砂漿（環(huán)氧基材料中加入骨料制成的環(huán)氧基砂漿）。由于水泥基和環(huán)氧基的主要構成成分的差別，使得兩種基材的各項性能都存在著較大的差異。經(jīng)過環(huán)氧樹脂改性的水泥基材料同時具有著水泥基材料和環(huán)氧基材料兩種基材的特性。

耐磨性是指物體表面抗磨損的能力。磨損一般需要一定時間的積累由外部進行的破壞，關系到材料的耐久性能。因為環(huán)氧砂漿與水泥基砂漿的性能差異，所以兩種材料的耐磨性也存在著明顯的差異。

在之前的研究中，依據(jù)水泥基材料的工作環(huán)境是否有大量水流沖刷，分為過流面和非過流面應用環(huán)境。環(huán)氧改性砂漿因為其具有優(yōu)異的流動性、粘結性以及耐腐蝕性和防水性，廣泛應用在過流面防護的環(huán)境中，例如水利水電、水工混凝土中。但是因為其優(yōu)異的性能，現(xiàn)在用于非過流面的防護也逐漸增多。但是非過流面的耐磨性試驗方法和過流面的耐磨性試驗方法有著明顯的差別。本文將采用非過流面的耐磨性試驗方法來測試環(huán)氧砂漿，確認其對環(huán)氧砂漿的適用性。

1 環(huán)氧改性砂漿材料的現(xiàn)狀［1］

波特蘭水泥發(fā)明一個世紀之后，有研究人員開始將聚合物加入水泥基材料中，來增加材料的粘結性能和耐腐蝕性能。到了 20 世紀 80 年代，隨著全球工業(yè)化發(fā)展和高分子合成工藝的提升，聚合物改性水泥基材料得到了長足發(fā)展和廣泛應用。

環(huán)氧改性砂漿也屬于聚合物改性砂漿的一種。經(jīng)過環(huán)氧樹脂改性的水泥基材料有著以下優(yōu)點。

1）化學性能穩(wěn)定、相較水泥基材料更密實，具有抗?jié)B、抗凍、耐鹽、耐堿、耐弱酸腐蝕的性能。

2）具有高粘結力（＞4 MPa），高抗壓強度 （＞100 MPa），高抗折強度（＞30 MPa）且不受結構形狀限制。

3）柔韌性良好——具有良好的柔韌性和抗沖擊性能，能夠抵抗外力引起的變形，降低體系產(chǎn)生的內(nèi)應力，提高材料的適應性能。

4）與混凝土的匹配性和耐久性能優(yōu)良——具有良好的抗老化和抗碳化性能，其線性熱膨脹系數(shù)（9.2×10-6/℃）較普通環(huán)氧砂漿（一般為［30～60］× 10-6/℃）大大降低，與混凝土（一般為［8～11］×10-6/℃）基本一致，涂層能與混凝土在不同溫度條件下實現(xiàn)同步變形，避免了因兩種材料的脹縮性能差異太大而使界面應力過大，造成涂層脫空、開裂。

主要應用領域為：①用于水工建筑物過流面的保護，以及破壞后的修復；②用于混凝土建筑物的缺陷修補以及補強與加固處理；③用于化工、石油、工廠、碼頭等混凝土或金屬構件抗酸堿鹽腐蝕的防護與修補；④用于公路、橋梁、機場跑道、車間等工程部位的抗磨損防護與修補等。其中包括過流面表面的防護應用，同時也有非過流面表面的防護應用。

2 非過流面耐磨性測試方法的磨損機理分析

在前面的研究中提到，建筑物、構筑物表面在磨損的過程中主要再兩種環(huán)境下進行，分別是：過流面磨損和非過流面磨損。過流面磨損的環(huán)境中，耐磨性的主要測試方法有 DL/T 5207－2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術規(guī)范》中環(huán)氧樹脂砂漿（水閘兩側）、環(huán)氧混凝土 DL/T 5150－2001《水工混凝土試驗規(guī)程》混凝土抗含砂水流沖刷試驗（圓環(huán)法）、混凝土抗沖磨試驗（水下鋼球法）、混凝土抗沖磨試驗（風砂槍法））含砂水流的抗沖磨試驗方法。在水工混凝土的工程應用中，上述方法已經(jīng)廣泛用于測試環(huán)氧砂漿在含砂水流中的抗沖磨性能，所以本文不加以贅述。

在非過流面的表面磨損環(huán)境下，耐磨性的測試方法主要有 GB/T 12988－2009《無機地面材料耐磨性能試驗方法》和 JC/T 985－2017《地面用水泥基自流平砂漿》標準中的鋼輪式耐磨測試方法；JC/T 421－2004《水泥膠砂耐磨性試驗方法》、JTG E30－2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》和 JG/T 270－2010《工業(yè)構筑物水泥基耐磨材料》標準中的花刀式耐磨測試方法；GB/T 16925－1997《混凝土及其制品耐磨性試驗方法（滾珠軸承法）》和 JC/T 906－2002《混凝土地面用水泥基耐磨材料》標準中的滾珠軸承式耐磨測試方法。非過流面的耐磨性測試方法主要用于測試水泥基材料的耐磨性，因為環(huán)氧砂漿與水泥基砂漿的材料特性有很大不同，所以要驗證測試方法是否可以反映出環(huán)氧砂漿耐磨性的實際值。

在分析非過流面耐磨性測試方法的磨損機理前，我們可以結合金屬的機械磨損機理［2］來分析一下水泥基的磨損機理［3］。

首先，材料的主要磨損方式分為：黏著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、其他磨損形式。

2.1 黏著磨損

當摩擦副相對滑動時，由于黏著效應所形成的結點發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個表面遷移到另一個表面，此類磨損稱為黏著磨損，如圖 1、2 所示。

圖1 黏著磨損示意圖

圖2 黏著磨損示意圖

黏著磨損是兩種材料相互摩擦時最直接的磨損方式。硬度低的材料會受到硬度高的材料帶給他的切向力，當切向力高于硬度低的材料的分子結合力時，硬度低的材料就會被剝離出基體。簡單黏著磨損計算（Archard 模型），簡化后公式（1）為：

式中：K為黏著磨損系數(shù)；L為滑動距離；W為法向載荷；σy為較軟材料的硬度。

由此可以得出黏著磨損三定律：①材料磨損量與滑動距離成正比；②材料磨損量與法向載荷成正比；③材料磨損量與材料的硬度成反比。

基于磨損理論，在黏著磨損發(fā)生時，被磨損材料的抗切向力能力越高，它的耐磨性就會越好。另外，材料塑性越高，黏著磨損越嚴重。

2.2 磨粒磨損

外界硬顆?；蛘呤苣ケ砻嫔系挠餐黄鹞锘虼植诜逶谀Σ吝^程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象，稱為磨料磨損，如圖 3 所示。除去摩擦體系外混入的顆粒，黏著磨損也會產(chǎn)生大量磨損脫落的顆粒，所以磨粒磨損是最普遍的磨損形式。

圖3 磨粒磨損示意圖

磨粒磨損簡化模型：根據(jù)微觀切削機理得出，即拉賓諾維奇（Rabinowicz）模型，假定單顆磨粒形狀為圓錐體，半角為θ，法向載荷為W，壓入深度為h，互動距離為S，屈服極限σs，被磨損材料硬度為H，B為壓入弦長，所得公式（2）如下：

單位滑動距離的磨損體積（磨損量）計算公式（3）如下：

式中：KA為磨粒的形狀系數(shù)；W為法向載荷；H為被磨損材料硬度。

依據(jù)簡化模型可知：磨損量與滑動距離以及法向載荷成正比；和被磨損材料硬度成反比；還與磨粒的形狀系數(shù)和硬度有關。一般磨料尺寸越大磨損量越大，磨粒的硬度小于材料的硬度磨損量越小。當磨粒的硬度超過材料硬度時越高則磨損量越大，但是提高到一定程度磨損量是會飽和的。

2.3 疲勞磨損

摩擦接觸面在交變接觸壓力應力的作用下，材料表面因疲勞損傷而引起表面脫落的現(xiàn)象，如圖 4 所示。

圖4 疲勞磨損示意圖

影響疲勞磨損的因素：接觸疲勞磨損過程十分復雜，影響因素繁多，可以歸納為以下四個方面：①在干摩擦或潤滑條件下的宏觀應力場，摩擦系數(shù)越大疲勞磨損越大；②被摩擦材料的力學性質和強度越高疲勞磨損越?。虎鄄牧蟽?nèi)部缺陷的幾何形狀和分布密度；④潤滑劑或介質與被摩擦材料的作用。

疲勞磨損是進行多次摩擦，由于被磨材料反復受到壓應力和切向應力的作用，最終導致疲勞破壞的磨損，所以一般要經(jīng)過大量的摩擦次數(shù)的積累，才能得到一定的磨損量。

以上為材料表面磨損的主要磨損方式，其他磨損方式在環(huán)氧砂漿表面的作用較少，在這里不多做贅述。結合這三種磨損機理的作用方式，我們可以分析得出非過流面表面磨損的三種主要耐磨性測試方法的主要磨損機理。

鋼輪式耐磨性測試方法主要是給予磨料壓力使磨料對被測材料表面進行磨削，并且伴隨著鋼輪對材料表面的黏著磨損。其磨損機理為：磨料磨損＞黏著磨損。

花刀式耐磨性測試方法的磨頭上的花輪都是可以自由轉動的，黏著磨損會降低；磨下來的碎屑被吸塵器及時吸走，磨料磨損也會很?。凰岳碚撋辖o予磨頭施加的壓力和轉數(shù)是影響最后磨損量的主要因素。但是因為該試驗方法是干摩擦，所以摩擦系數(shù)相對于濕摩擦要高很多，也會產(chǎn)生更大的磨損量。其磨損機理為：疲勞磨損（干摩擦）＞＞黏著磨損、磨料磨損。

滾珠軸承式耐磨性測試方法使用的是滾珠軸承，所以對被測材料表面主要是旋轉時產(chǎn)生的疲勞磨損，并且試驗時磨頭與被測材料表面都有水流過，不僅可以帶走磨損下來的顆粒減少磨料磨損，還可以降低摩擦系數(shù)減少黏著磨損。所以該方法的機械磨損機理是：疲勞磨損（濕摩擦）＞＞磨料磨損、黏著磨損。

以上三種非過流面耐磨性測試方法（鋼輪式耐磨性測試方法、花刀式耐磨性測試方法、滾珠軸承式耐磨性測試方法）是現(xiàn)在實施的標準中，應用最多的非過流面耐磨性測試方法。所以下文中采用不同的環(huán)氧改性砂漿，使用這三種方法測試方法分別進行測試，分析其結果的對環(huán)氧砂漿的適用性。

3 環(huán)氧改性砂漿的非過流面耐磨性實驗數(shù)據(jù)分析

本文主要進行了不同強度等級的環(huán)氧改性砂漿的耐磨性測試，分析各個測試方法得到數(shù)據(jù)的適用性。

在實驗中制備了四個強度等級的環(huán)氧改性砂漿，分別為 HC10、HC20、HC40、HC80，同時與 M40 的水泥基砂漿進行比較，得出數(shù)據(jù)如表 1 所示。

表1 非過流面耐磨性測試結果

對比四種強度等級的環(huán)氧改性砂漿測試結果，隨著抗壓強度的增加，抗折強度也隨之增加，各個耐磨性也隨之變好。具體數(shù)值變化如表 2 所示。

表2 數(shù)值變化率

結合表 1 和表 2 來看，HC10、HC20、HC40、HC80 的抗折強度提高率比抗壓強度提高率要低很多，而且 HC40 比 M40 的抗折強度高 1 倍還多，可以得知：環(huán)氧改性砂漿比水泥基砂漿有更小的壓折比，經(jīng)環(huán)氧改性后的砂漿在較低的強度就有很好的韌性，并且隨著強度等級的增長都一直保持著良好的韌性。從磨損機理來看，更好的抗切向力能力和更好的韌性可以有更好的耐磨性?？傮w來看，相同的抗壓強度，環(huán)氧改性砂漿比水泥基砂漿有更好的抗折強度和韌性，所以有更好的耐磨性。

HC10、HC20、HC40 的鋼輪式耐磨性和滾珠軸承耐磨性的增長率更加接近于抗折強度的增長率，并且比較 M40 的抗折強度可以發(fā)現(xiàn)，在抗折強度相近時，有著相近的耐磨度。以上兩種方法，可以較準確地反映 HC10 至 HC40 這種低強度的耐磨性。

HC10、HC20、HC40 的花刀式耐磨性測試試驗時，在測試強度等級較低的 HC10 和 M40 時，都因為磨損量過大，磨坑深度過深，在測試轉數(shù)未達到標準要求的 40 轉時就強制終止了測試。所以花刀式耐磨性測試方法的耐磨性測試下限最高，較低強度的砂漿就無法準確反映出耐磨性。而且由于花刀式耐磨性測試方法的最終結果是通過測試每 m2磨損的質量進行表征的。所以如果被磨損材料的密度有差異，磨損相同質量的材料時，該材料被磨損程度也會有所差別。也就是不同密度的材料產(chǎn)生相同磨坑深度時，測得的磨損質量會有差異。經(jīng)測試，實驗中用的環(huán)氧改性砂漿的密度是水泥基砂漿的 70 % 左右，所以它的花刀式耐磨性結果比水泥基砂漿的結果小很多，但是實際被磨損程度并不會比水泥基砂漿好很多。一般環(huán)氧砂漿中都有大量的環(huán)氧物質加入，會使砂漿的密度降低，所以不建議采用花刀式耐磨性結果同時對環(huán)氧砂漿和水泥基砂漿進行比較。

HC80 的環(huán)氧改性砂漿必須單獨進行說明，該等級的環(huán)氧改性砂漿有著極高的抗折強度和彎曲韌性，所以在 3 種耐磨性測試方法測試結束后，都沒有造成較大的磨損，并且耐磨性的增長率也比抗折強度的增長率要高很多。這是因為磨損量過低，第一：實驗中誤差很大，第二：基于圖 5 磨損過程曲線圖［2］，當磨損初期，磨損量較小的時候，磨損處于跑合磨損階段，磨損量和磨損時間（也就是測試方法中的轉數(shù)）并不是一個良好的線性關系，所以測試計算得到的耐磨性數(shù)值并不能真實地反映出環(huán)氧基砂漿的實際耐磨性關系。

圖5 磨損過程曲線圖

4 環(huán)氧基砂漿非過流面耐磨性測試方法的改進展望

因為環(huán)氧基砂漿主體的基材是環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂基材料相比較水泥基材料和環(huán)氧改性砂漿擁有更高的抗切向力的能力和更好的韌性。在實際測試中，強度高的環(huán)氧基砂漿抗折強度可以達到 20 MPa 以上，滾珠軸承耐磨性可以達到 20 以上，花刀式耐磨性可以小于 0.03 kg/m2，鋼輪式耐磨性可以小于 30 mm3。測試得到的耐磨性數(shù)據(jù)要遠好于水泥基材料的 10 倍以上，測試后試塊上被磨損的量非常小，幾乎只是表皮一層被磨損，或者只能看到輕微的磨痕，被磨損程度比環(huán)氧改性砂漿還要小很多。所以也存在著耐磨性結果無法反應材料耐磨性實際關系的問題。

我們下一步的研究就是結合磨損機理對非過流面耐磨性測試方法進行調(diào)整，加大其磨損效果，使磨損進入相對穩(wěn)定的穩(wěn)定磨損階段，這樣通過測試計算得出的數(shù)值才能正確地反映出環(huán)氧基砂漿的耐磨性。

5 結語

環(huán)氧砂漿用于非過流面的防護越來越多，但是沒有相應的標準對其進行檢測。我們嘗試用檢測水泥基砂漿的三種耐磨性測試方法對環(huán)氧改性砂漿進行檢測。分析檢測結果可知：①相同抗壓強度等級的環(huán)氧改性砂漿比水泥基砂漿有更好的韌性、抗折強度和耐磨性。②比起抗壓強度，耐磨性與抗折強度的關系更加密切。③鋼輪式耐磨性測試方法和滾珠軸承式耐磨性測試方法可以相對準確地反映低強度等級的環(huán)氧改性砂漿的耐磨性?；ǖ妒侥湍バ詼y試方法因為其測試的下限高，上限低，并且會因為材料的密度差異對結果產(chǎn)生較大差異，所以不建議用于測試環(huán)氧改性砂漿。④因為三種耐磨性測試方法的磨損效果有限，無法準確反映高強度的環(huán)氧砂漿的耐磨性。更好地理解各種測試方法的磨損機理后，我們可以在后續(xù)研究中結合各個測試方法的磨損機理，調(diào)整測試方法的參數(shù)，來增加磨損量和磨損效果，使高強度的環(huán)氧砂漿和低強度的環(huán)氧砂漿都能進入穩(wěn)定磨損階段，確定能夠有效地測試環(huán)氧砂漿耐磨性的測試方法。Q