水泥基材料非過流面耐磨性測(cè)試方法研究綜述

趙 玨，曹 偉，張 進(jìn)，張繼仁，曹瑩瑩

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

耐磨性指的是水泥混凝土抵抗表面膜材損傷的能力。水泥磨損主要發(fā)生在路面、道面、混凝土構(gòu)筑物表面等，其具體表現(xiàn)為車輪輪胎對(duì)表面的磨耗和磨光以及高速水流對(duì)壩面、墩臺(tái)的沖刷等，對(duì)水泥基材料由外進(jìn)行的破壞。磨損通常需要一定時(shí)間的積累導(dǎo)致最終的破壞，所以耐磨性屬于耐久性的一種。磨損是水泥混凝土表面的劣化現(xiàn)象，是混凝土耐久性研究的一個(gè)重要方面［1］。

水泥基材料的耐磨性測(cè)試方法有很多種，每一種方法都有較大的差異。導(dǎo)致各個(gè)方法的結(jié)果都不具有可比性，所以采用不同方法測(cè)試所得的結(jié)果在不同領(lǐng)域缺少參考價(jià)值。不同的方法所模擬的磨損狀況，針對(duì)的磨損特點(diǎn)都不相同。本文將標(biāo)準(zhǔn)中常見水泥基材料的耐磨性測(cè)試方法進(jìn)行逐一介紹，并且詳細(xì)分析各個(gè)方法之間的異同。

1 標(biāo)準(zhǔn)中常用水泥基材料耐磨性測(cè)試方法分析

1.1 過流面和非過流面表面磨損的差異

按照水泥基材料表面磨損的工作狀態(tài)，一般分為過流面表面的磨損和非過流面表面的磨損。過流面主要是指應(yīng)用于水工上的混凝土構(gòu)筑物的表面，因?yàn)樗せ炷恋谋砻骈L(zhǎng)期受到水流沖刷，并且水流中伴隨著硬質(zhì)顆粒，所以采用抗高速含砂水流的沖磨能力來表示其耐磨性能。

非過流面的水泥基材料表面的磨損主要是指沒有長(zhǎng)期大量水流沖刷，主要是材料表面受機(jī)械磨損所造成的損耗，通常采用磨耗量來表示其耐磨性能。

過流面表面的沖磨磨損和非過流面表面的機(jī)械摩擦磨損有很大區(qū)別。

沖磨磨損是水流夾砂或石對(duì)混凝土表面沖擊、摩擦及切削等作用，當(dāng)這些作用大于材料表面分子的結(jié)合力時(shí)，材料表面分子與母體相分離，然后被水流沖走，使得材料表面慢慢被磨耗。其受到的主要是來自切向的水流沖刷作用和水中磨粒的沖擊、摩擦作用力［2］。

機(jī)械磨損則沒有水流的影響，主要是兩個(gè)接觸物體的表面受外力作用下相互的機(jī)械作用所導(dǎo)致。即認(rèn)為：兩個(gè)相互作用的表面在少數(shù)幾個(gè)孤立的凸點(diǎn)發(fā)生接觸，導(dǎo)致接觸點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力，然后兩個(gè)表面間發(fā)生黏著，進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一側(cè)應(yīng)力大于凸點(diǎn)材料本身的結(jié)合力時(shí)，導(dǎo)致微凸體被對(duì)方材料剝離的作用。其受到的主要是法相的壓力下摩擦所產(chǎn)生的切向作用力。機(jī)械磨損主要表現(xiàn)為：黏著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損及其他磨損形式［3］。

1.2 過流面的耐磨性試驗(yàn)方法

其主要試驗(yàn)方法有：DL/T 5207—2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》中環(huán)氧樹脂砂漿（水閘兩側(cè)）、環(huán)氧混凝土 DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》混凝土抗含砂水流沖刷試驗(yàn)（圓環(huán)法）、混凝土抗沖磨試驗(yàn)（水下鋼球法）、混凝土抗沖磨試驗(yàn)（風(fēng)砂槍法），以上均為模擬含砂水流沖磨的抗沖磨試驗(yàn)方法。

1.3 非過流面的耐磨性試驗(yàn)方法

本文主要針對(duì)建筑物表面、地面、道面、橋面等非過流面的水泥基材料耐磨性的試驗(yàn)方法進(jìn)行介紹。現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)中主要包含：旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法、鋼輪式耐磨試驗(yàn)方法、花輪耐磨試驗(yàn)方法、滾珠軸承耐磨試驗(yàn)方法。其中旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法主要用于漆膜或涂料，鋼輪式耐磨試驗(yàn)方法、花輪耐磨試驗(yàn)方法、滾珠軸承耐磨試驗(yàn)方法 3 種方法主要用于水泥基材料。

1.3.1 旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法

該方法是采用帶一定配重的可轉(zhuǎn)動(dòng)橡膠砂輪，對(duì)被測(cè)材料的表面干燥摩擦，耐磨性是以經(jīng)過規(guī)定次數(shù)的摩擦循環(huán)后質(zhì)量的消耗量來表示。因?yàn)槠淠Σ恋乃俾瘦^慢、在可轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠砂輪上施加的配重較小，所以該試驗(yàn)對(duì)材料的磨損量小，適用于硬度較低和較薄的材料。該方法的常用標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T 1768—2006《色漆和清漆 耐磨性的測(cè)定 旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法》，如圖 1 所示［4］。一般檢測(cè)對(duì)象是可做涂層的有延展性的漆或涂料，水泥基材料很少用這種方法。

圖1 旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法示意圖（單位：mm）

1.3.2 鋼輪式耐磨試驗(yàn)方法

該方法是采用一定水平方向的壓力將材料頂在鋼輪上，然后轉(zhuǎn)動(dòng)鋼輪，同時(shí)在鋼輪和材料表面流入一定量的磨料，使其形成鋼輪摩擦磨料，即為磨料對(duì)被測(cè)試材料表面進(jìn)行磨損的試驗(yàn)過程。鋼輪式耐磨試驗(yàn)方法如圖 2 所示［5］。耐磨性主要表征方法是被測(cè)試材料表面磨坑的長(zhǎng)度值計(jì)算所得的磨損量。如圖 3 所示，試驗(yàn)后的試件表面磨出一個(gè)長(zhǎng)方形磨坑，寬度為鋼輪的寬度，長(zhǎng)度則為磨損后圓弧狀磨坑的弦長(zhǎng)L，采用弦長(zhǎng)L和鋼輪直徑以及鋼輪寬度就可以計(jì)算出被測(cè)材料的磨耗體積。并且鋼輪直徑以及鋼輪寬度都是固定值，所以磨耗量也可以只用弦長(zhǎng)L表示。

圖2 鋼輪式耐磨試驗(yàn)方法示意圖

圖3 試驗(yàn)后磨坑體積計(jì)算示意圖

該方法主要是給予磨料壓力使磨料對(duì)被測(cè)材料表面進(jìn)行磨削，并且伴隨著鋼輪對(duì)材料表面的黏著磨損。其磨損機(jī)理為：磨料磨損＞黏著磨損。

該測(cè)試方法可以通過調(diào)節(jié)施加的配重——即水平施加給被測(cè)材料的壓力，其次也可調(diào)節(jié)磨料的顆粒大小和磨料的流速，最后可調(diào)節(jié)鋼輪寬度——即磨損面積，來達(dá)到調(diào)節(jié)被測(cè)試材料表面的磨損程度。所以其可測(cè)試耐磨性的范圍很廣，是水泥基材料自流地面和水泥基填縫劑耐磨性的一種主要測(cè)試方法，同時(shí)也可以測(cè)量包括無釉磚、石材、地磚等多種材料。主要的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T 12988—2009《無機(jī)地面材料耐磨性能試驗(yàn)方法》、JC/T 985—2017《地面用水泥基自流平砂漿》、GB/T 3810.6—2016《無釉磚耐磨深度的測(cè)定》等。

1.3.3 花輪耐磨試驗(yàn)方法

該方法是在花輪磨頭上施加一定壓力，將花輪磨頭壓在被測(cè)材料表面并且高速旋轉(zhuǎn)，使磨頭磨削被測(cè)材料表面，然后在被測(cè)材料表面產(chǎn)生圓環(huán)狀磨坑的試驗(yàn)方法?；ㄝ喣ヮ^［6］如圖 4 所示。耐磨性以材料被磨削損失的材料質(zhì)量表示。試驗(yàn)后試件出現(xiàn)確定面積的圓環(huán)形磨坑，磨損質(zhì)量的大小，與材料密度以及磨坑深度相關(guān)，水泥基材料的密度大致相同，所以用磨損的質(zhì)量就可以表征出磨損的深度，也就是被測(cè)材料的耐磨性，試驗(yàn)后磨坑如圖 5 所示。

圖4 花輪磨頭（單位：mm）

圖5 試驗(yàn)后磨坑

因?yàn)槟ヮ^上的花輪都是可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的，黏著磨損會(huì)很??；磨下來的碎屑被吸塵器及時(shí)吸走，磨料磨損也會(huì)很?。凰岳碚撋辖o予磨頭施加的壓力和轉(zhuǎn)數(shù)是影響最后磨損量的主要因素。其磨損機(jī)理為：疲勞磨損（干摩擦）≥黏著磨損、磨料磨損。

該試驗(yàn)方法可以通過改變磨頭的配重和轉(zhuǎn)數(shù)來調(diào)節(jié)被測(cè)材料的磨損程度?？蓽y(cè)試的耐磨性范圍不是很大，該方法主要是針對(duì)水泥膠砂和混凝土試塊進(jìn)行耐磨性測(cè)試的試驗(yàn)方法。主要的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)為：JC/T 421—2004《水泥膠砂耐磨性試驗(yàn)方法》、JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、JG/T 270—2010《工業(yè)構(gòu)筑物水泥基耐磨材料》等。

1.3.4 滾珠軸承耐磨試驗(yàn)方法

該方法是以滾珠軸承為磨頭，通過給滾珠軸承施加一定荷載，使磨頭在被測(cè)材料表面高速旋轉(zhuǎn)，濕摩擦一定轉(zhuǎn)數(shù)后在被測(cè)材料表面造成環(huán)形磨槽，如圖 6 和圖 7 所示［7］。該方法通過磨頭旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)和磨槽的深度的關(guān)系，計(jì)算出耐磨度或耐磨度比來表示被測(cè)材料的耐磨性。

圖6 滾珠軸承耐磨試驗(yàn)方法示意圖

圖7 試驗(yàn)后磨坑

該方法使用的是滾珠軸承，所以對(duì)被測(cè)材料表面主要是旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的疲勞磨損，并且試驗(yàn)時(shí)磨頭與被測(cè)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(jī)械磨損機(jī)理是：疲勞磨損（濕摩擦）≥磨料磨損、黏著磨損。

滾珠軸承耐磨試驗(yàn)方法可以用磨槽深度和磨頭轉(zhuǎn)數(shù)通過公式（1）計(jì)算出耐磨度，耐磨度與轉(zhuǎn)數(shù)的開根值成正比，與磨槽深度成反比。轉(zhuǎn)數(shù)范圍 1 000 轉(zhuǎn)至 5 000，磨槽深度可以從最小測(cè)量量程至 1.5 mm，但是因?yàn)樵囼?yàn)數(shù)據(jù)邊緣誤差較大的緣故，實(shí)際可測(cè)量的耐磨性范圍并不大。該方法主要測(cè)量有一定硬度和強(qiáng)度的材料，是混凝土和耐磨地坪耐磨性的主要試驗(yàn)方法。主要的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T 16925—1997《混凝土及其制品耐磨性試驗(yàn)方法（滾珠軸承法）》、JC/T 906—2002《混凝土地面用水泥基耐磨材料》。

式中：Ia為耐磨度，R為磨頭轉(zhuǎn)數(shù)，P為磨槽深度（最終磨槽深度-初始磨槽深度）。

1.4 水泥基材料非過流面耐磨性測(cè)試方法結(jié)果對(duì)比

旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法的方法很少用在水泥基材料上，現(xiàn)在常用的水泥基材料非過流面耐磨性測(cè)試方法主要是鋼輪式耐磨試驗(yàn)方法、花輪耐磨試驗(yàn)方法、滾珠軸承耐磨試驗(yàn)方法，但是這 3 種試驗(yàn)方法本身的側(cè)重點(diǎn)都不同，鋼輪耐磨試驗(yàn)方法中主要依靠磨料來磨損耐磨試件；花輪式耐磨試驗(yàn)方法中采用花輪直接磨損耐磨試件，底座與花輪也有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且需要使用吸塵裝置將磨損碎末吸走盡量減少磨料的干擾；滾軸軸承耐磨試驗(yàn)方法則是采用滾珠軸承磨損耐磨試樣表面，并且在磨損時(shí)采用水流沖去磨損碎末，在減少磨料對(duì)耐磨性干擾的同時(shí)降低摩擦系數(shù)。試驗(yàn)方法的不同就導(dǎo)致了其耐磨方式的差異，最終可能會(huì)產(chǎn)生不一樣的測(cè)試結(jié)果。

本文先采用相同的水泥基材料分別采用不同的非過流面耐磨性測(cè)試方法進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，觀察不同的試驗(yàn)方法輸出的耐磨性結(jié)果存在的差異。然后再采用不同的強(qiáng)度等級(jí)水泥基試塊對(duì)相同的非過流面耐磨性測(cè)試方法進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，比較水泥基材料的強(qiáng)度等級(jí)變化對(duì)測(cè)試方法輸出結(jié)果的影響。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩組水泥膠砂，原材料都為基準(zhǔn)水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂和水。在原材料相同的情況下，通過改變配合比制備出兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的水泥膠砂試塊，如表 1 所示。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。

表1 水泥膠砂試塊強(qiáng)度等級(jí)

表2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第一，橫向?qū)Ρ?3 種方法測(cè)同一樣品，相同樣品的 3 種耐磨性試驗(yàn)方法可以得到 3 個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的數(shù)值和單位都不一樣。表 2 中 1 # 配比采用花輪耐磨試驗(yàn)方法時(shí)，由于被測(cè)材料耐磨性太低，試驗(yàn)未進(jìn)行到標(biāo)準(zhǔn)要求的磨損轉(zhuǎn)數(shù)就達(dá)到了儀器磨損試驗(yàn)的極限，所以真實(shí)的磨損量一定大于測(cè)得的磨損量數(shù)據(jù)。其中鋼輪式耐磨試驗(yàn)方法、花輪耐磨試驗(yàn)方法的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)是越小表示材料的耐磨性越好。滾珠軸承耐磨試驗(yàn)方法的測(cè)試結(jié)果是越大表示材料的耐磨性越好。所以同樣的材料在不同的試驗(yàn)方法下得到的耐磨性測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)一般是不存在可比性的。如表 3 所示，如果要做比較，只能用鋼輪式耐磨性數(shù)值的倒數(shù)、花輪耐磨性數(shù)值的倒數(shù)、滾珠軸承耐磨性數(shù)值進(jìn)行比較。

表3 耐磨性實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

第二，縱向?qū)Ρ戎校O(shè)計(jì)了兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的水泥基試塊進(jìn)行測(cè)試。1 # 為強(qiáng)度等級(jí) 30 MPa 的試塊；2 # 為強(qiáng)度等級(jí) 60 MPa 的試塊。如表 4 所示，其抗壓強(qiáng)度提高了 73.1 %，抗折強(qiáng)度僅提高了 28.2 %。通過調(diào)節(jié)膠砂比和加水量可以制備出不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥基材料，同時(shí)也可以制備出不同壓折比的水泥基材料。從表 2 的結(jié)果中可知水泥基材料的強(qiáng)度等級(jí)越高一般它的耐磨性越好。這個(gè)可以理解為基體的強(qiáng)度越高分子間的結(jié)合力越高，抗切向力的能力和抗磨削的能力也越高。如表 3 所示，可以看出，隨著強(qiáng)度提高，鋼輪式耐磨性提高了 32.1 %，花輪耐磨性提高了 425 % 以上，滾珠軸承耐磨性提高了 312.2 %。

表4 抗壓抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先，3 種測(cè)試方法對(duì)耐磨性的測(cè)量有效范圍分析。

試驗(yàn)中的兩組強(qiáng)度等級(jí)的試塊都在鋼輪式耐磨性試驗(yàn)方法的有效測(cè)試范圍內(nèi)，并且其上下限還都有很大的測(cè)試空間。1 # 低強(qiáng)度的試塊耐磨性已經(jīng)超出花輪耐磨性試驗(yàn)方法的測(cè)量范圍下限。同時(shí) 1 # 低強(qiáng)度的試塊耐磨性也已經(jīng)接近滾珠軸承耐磨性試驗(yàn)方法的測(cè)量范圍下限。所以本文中主要涉及的 3 種耐磨性測(cè)試方法，花輪耐磨性試驗(yàn)方法的測(cè)量范圍下限最高，滾珠軸承耐磨性試驗(yàn)方法的測(cè)量范圍下限次之，鋼輪式耐磨性試驗(yàn)方法的測(cè)量范圍下限最低。也就是說測(cè)量耐磨性較低的水泥基材料時(shí)，宜采用鋼輪式耐磨性試驗(yàn)方法。3 種方法都有較高的測(cè)量范圍上限，本次試驗(yàn)未測(cè)試出。

其次，3 種測(cè)試方法對(duì)兩組強(qiáng)度等級(jí)的試塊，測(cè)得的耐磨性提高率也有差別。可以結(jié)合測(cè)試方法主要的機(jī)械磨損機(jī)理進(jìn)行分析。

鋼輪式耐磨性測(cè)試方法提高的百分率更加接近抗折強(qiáng)度提高的百分比?？赡苁且?yàn)殇撦喪侥湍バ詼y(cè)試方法的機(jī)械磨損機(jī)理主要是磨料磨損。其與材料的抗切向力性能也就是抗折強(qiáng)度相關(guān)性更強(qiáng)。花輪耐磨性測(cè)試方法和滾珠軸承耐磨性測(cè)試方法都提高了 300 % 以上，比強(qiáng)度等級(jí)的提高率要高幾倍?？赡苁且?yàn)榛ㄝ喣湍バ詼y(cè)試方法和滾珠軸承耐磨性測(cè)試方法的機(jī)械磨損機(jī)理主要是疲勞磨損。所以隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高，需要積累大量的機(jī)械摩擦才能達(dá)到相同的磨損效果，導(dǎo)致該兩種方法測(cè)得的耐磨性數(shù)據(jù)提高效果要遠(yuǎn)大于強(qiáng)度等級(jí)的提高效果。并且因?yàn)榉椒ǖ牟町悾岣叩木唧w百分率也存在差異。

最后，3 種測(cè)試方法的耐磨性測(cè)試范圍上限遠(yuǎn)超過 60 MPa 強(qiáng)度等級(jí)的水泥基材料，都可以用來測(cè)試高強(qiáng)度甚至超高強(qiáng)度水泥混凝土材料的耐磨性。但是在測(cè)量強(qiáng)度等級(jí)＜30 MPa 的水泥基材料時(shí)，則僅可使用鋼輪式耐磨性試驗(yàn)方法。3 種測(cè)試方法的機(jī)械磨損機(jī)理不同，所以導(dǎo)致其對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥基材料的耐磨性變化率上產(chǎn)生很大差異，即對(duì)相同的水泥基材料所測(cè)試得到的耐磨性數(shù)據(jù)也有極大不同，包括數(shù)值和單位。所以 3 種測(cè)試方法測(cè)得的耐磨性數(shù)據(jù)難以進(jìn)行橫向比較和應(yīng)用。

2 結(jié)語

建筑材料的耐磨性測(cè)試方法有很多，即便是針對(duì)非水工環(huán)境下的建筑、構(gòu)筑物的水泥基材料非過流面的耐磨性測(cè)試方法常用的也有鋼輪式耐磨試驗(yàn)方法、花輪耐磨試驗(yàn)方法、滾珠軸承耐磨試驗(yàn)方法 3 種。并且 3 種試驗(yàn)方法的儀器和操作方法、磨損機(jī)理、得到的數(shù)據(jù)結(jié)果也都存在著明顯差別。水泥基材料非過流面的耐磨性測(cè)試方法雖然多，但是缺少一個(gè)統(tǒng)一的體系，所得數(shù)據(jù)結(jié)果缺少橫向?qū)Ρ取?/p>

本文介紹了水泥基材料耐磨性測(cè)試方法的分類和現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法，其中詳細(xì)分析了 3 種水泥基材料非過流面的耐磨性測(cè)試方法。具體涉及 3 種方法的試驗(yàn)原理、磨損機(jī)制、試驗(yàn)結(jié)果表征，分別進(jìn)行比較和區(qū)分。我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，一定要注意區(qū)分被測(cè)材料的種類，以及應(yīng)用部位的區(qū)別，選擇更加適合的測(cè)試方法來表征其耐磨性。并且對(duì)不同的測(cè)試方法測(cè)得的耐磨性數(shù)據(jù)要進(jìn)行具體的區(qū)分和分析。Q