模擬仿生結(jié)構(gòu)提高透水磚耐磨性的研究

賈洋，陳報(bào)紅，周紫晨，曾明，張劍峰，程鎧，張冰

（1.中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，湖北 武漢 430081；2.中國一冶集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430081）

1 試驗(yàn)

1.1 研究背景

隨著城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，原本裸露的土壤、植物等被不透水的鋼筋混凝土、瀝青、玻璃等建筑材料代替[1]。破壞了城市中原本的水循環(huán)、熱循環(huán)平衡，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的“熱島效應(yīng)”和“雨島效應(yīng)”[2]。相較于不透水路面，路面鋪設(shè)透水磚具有改善環(huán)境中水循環(huán)、凈化路面雨水、減緩城市“熱島效應(yīng)”、吸收城市噪聲等作用。但是目前主流生產(chǎn)工藝免燒結(jié)方式制備的透水磚存在耐磨性差的問題，導(dǎo)致透水磚壽命有限[3-4]，如圖1所示為透水磚磨損后的面層。但目前針對(duì)透水磚耐磨性研究較少，且缺乏有效的系統(tǒng)理論研究。因此，科學(xué)合理地分析透水磚磨損發(fā)生機(jī)理，有針對(duì)性地對(duì)透水磚耐磨性進(jìn)行改善，已成為透水路面磚壽命提升的重要研究課題。

1.2 原因分析

磨損現(xiàn)象是由于材料在熱和力的作用下，摩擦表面發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，引起表面元素改變、塑性變形、材料氧化和轉(zhuǎn)移[5]。常見磨損按照機(jī)理可以分為：磨料磨損、粘著磨損、腐蝕磨損、接觸疲勞磨損、沖蝕磨損、微動(dòng)磨損等。對(duì)于透水路面磚來說磨料磨損占據(jù)主導(dǎo)地位，約占各類磨損的50%以上[6]。透水磚磨料磨損現(xiàn)象分2種：微觀切削和微觀斷裂，如圖2所示。其中微觀切削作用力可分解為法向分力和切向分力，法向分力將磨粒壓入表面，切向分力將磨粒向前推進(jìn)；微觀斷裂在脆性材料的磨損機(jī)理中占有支配地位。這2種現(xiàn)象在同一行為中出現(xiàn)的比例主要取決于材料的硬度和斷裂韌性。

1.3 研究方法

目前解決材料耐磨性問題的方法中，通過生物摩擦學(xué)研發(fā)仿生結(jié)構(gòu)的方法被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域[7]。生物摩擦學(xué)為材料耐磨性提升提供很多的參考依據(jù)，其研究目的不僅局限于揭示生物體結(jié)構(gòu)和功能的奧秘，同時(shí)也試圖從仿生學(xué)角度，借鑒這些優(yōu)異的生物學(xué)特性以提高其性能[8-9]。有學(xué)者研究表明[10-11]，貝殼的干滑動(dòng)耐磨性甚至可與類金剛石碳涂層相比，這與其表面的凹凸不平的溝道結(jié)構(gòu)有關(guān)。還有學(xué)者在對(duì)沙漠蝎子抗沖蝕磨損特性研究后發(fā)現(xiàn)，體表硬質(zhì)相角質(zhì)層、角皮層與其下軟質(zhì)相的中層、結(jié)締組織層等構(gòu)成軟硬相間梯度材料，硬質(zhì)相能減少切削和犁削，軟質(zhì)相能吸收沙粒沖蝕的能量，從而有利于抵抗沖蝕磨損[12]。

透水磚的耐磨性研究應(yīng)當(dāng)以面層改善為主?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的透水磚是以振蕩壓實(shí)的方式常溫條件成型。為了節(jié)約成本，通常采用雙層結(jié)構(gòu)，雙層結(jié)構(gòu)包含：基層和面層[13-14]?；鶎悠毡橐运嘧鳛槟z凝材料，粗粒徑砂石作為骨料，厚度超過整體厚度的90%以上。面層為了美觀通常使用細(xì)骨料且摻入顏料，這也導(dǎo)致面層原料成本高，厚度設(shè)計(jì)僅為整體的6%～8%。因此雙層的作用也有所不同，面層對(duì)透水磚耐磨性起到了決定作用，基層主要是起到支撐和降低成本的作用。因此本研究以透水磚面層為研究對(duì)象，參考仿生研究中生物表皮的耐磨性構(gòu)造，設(shè)計(jì)一種高耐磨性的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含2個(gè)方面：一是以柔性骨料替換脆性骨料的方式構(gòu)造軟硬相間的梯度材料；二是利用前期磨損形成的一定比例空穴溝道作為緩沖帶。其提升耐磨性原理是利用硬質(zhì)骨料減少骨料切削作用，同時(shí)通過微觀斷裂磨損形成凹凸不平且多孔的溝道結(jié)構(gòu)緩沖磨損作用，如圖3所示。

為了保證試驗(yàn)的單一變量因素，固定透水磚基層制作方法，通過優(yōu)化面層材料來提升耐磨性?；鶎优芽估瓘?qiáng)度3.7 MPa，透水系數(shù)2.2×10-2cm/s，符合GB/T25993—2010《透水路面磚和透水路面板》的要求（劈裂抗拉強(qiáng)度≥3.0MPa，透水系數(shù)≥1.0×10-2cm/s）。透水磚基層超過整體的90%，整體的劈裂抗拉強(qiáng)度可以近似看成基層的劈裂抗拉強(qiáng)度[15]。綜上，本研究僅針對(duì)透水磚面層的耐磨性和透水性進(jìn)行驗(yàn)證。

1.4 試驗(yàn)材料

骨料：石家莊中澤彩砂有限公司，物理性能見表1。

表1 骨料的物理性能

橡膠顆粒：天津科威橡膠廠，粒徑0.31～0.55 mm，密度1.12 g/cm3。

水泥：華新水泥廠，堡壘牌P·O42.5水泥，密度3.1 g/cm3，80μm篩篩余4.7%，比表面積330m2/kg，物理力學(xué)性能見表2。

表2 水泥的物理力學(xué)性能

環(huán)氧樹脂：巴陵石化廠生產(chǎn)的AB改性環(huán)氧樹脂，其中A組份為CYD-128非溶劑型水性環(huán)氧樹脂膠，無色透明液體，環(huán)氧值為0.45；B組份為CYDHD-531環(huán)氧樹脂固化劑，暗黃色液體，斷裂伸長率為7.3%。該環(huán)氧樹脂在常溫條件下，24 h固化強(qiáng)度可以達(dá)到最大值的80%，24h固化強(qiáng)度優(yōu)于其他雙酚環(huán)氧樹脂材料，脫模周期短，生產(chǎn)成本相應(yīng)降低。

納米SiO2：Sigma-Aldrich生產(chǎn)，平均粒徑30nm，純度大于99%。

1.5 試樣制備方法

透水磚制備通常先基層后面層，為了使透水磚材料均勻分布且孔隙分布良好，制備方式均采用先振蕩后壓實(shí)的方法?；鶎又谱魇紫确Q取80 g水和400 g水泥，將混合物加入攪拌機(jī)中攪拌180s，混合均勻后加入1600g粗骨料，均勻攪拌300 s，待整體混合均勻加入設(shè)計(jì)空腔尺寸為200 mm×100 mm×70mm的模具中。將它們整體放置在振動(dòng)頻率為（65±5）Hz的振動(dòng)臺(tái)上，振動(dòng)60 s，使混合物均勻分布。之后在壓具頭施加壓力10kN，讓混合物緊密壓實(shí)。應(yīng)當(dāng)注意施加壓力不宜過大，容易導(dǎo)致骨料壓碎或出現(xiàn)裂縫，影響最終強(qiáng)度[16]。透水磚面層與基層制作方法一致，按照比例稱取總質(zhì)量為48g的膠凝材料[其中：m（水泥）∶m（水）=5∶2、m（環(huán)氧樹脂A組份）∶m（環(huán)氧樹脂B組份）=4∶1]，將其在攪拌機(jī)中攪拌180 s，待混合物顏色均勻。之后將160 g細(xì)骨料加入攪拌機(jī)，均勻攪拌300s，直至材料混合均勻。先加入膠凝材料的原因是，膠砂比低，若先加量大的細(xì)骨料容易導(dǎo)致膠凝反應(yīng)不均，粘接力不足[17]。最后將整體在自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)24h后脫模。

28 d養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，按照GB/T 25993—2010對(duì)透水磚進(jìn)行耐磨性和透水性測(cè)試。磨損試驗(yàn)中使用仿自然環(huán)境磨料：選取不同粒徑剛玉作為磨料，原因是剛玉硬度大于環(huán)境中普遍存在的顆粒，使用剛玉可以提高試驗(yàn)的效果，剛玉粒徑選取與自然環(huán)境中采集的尺寸比例一致[18]，如表3所示。

表3 自然環(huán)境中灰塵的不同尺寸含量

耐磨性測(cè)試采用獻(xiàn)縣科宇高鐵儀器設(shè)備廠GLM-200型鋼輪式耐磨試驗(yàn)機(jī)，如圖4所示。透水性測(cè)試采用自制的測(cè)試套筒，如圖5所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠凝材料與骨料比例對(duì)耐磨性的影響

對(duì)于相似的膠凝材料，膠凝材料與骨料的比例決定了骨料與骨料之間的粘接力，提高骨料之間的粘接力不僅可以減少磨料與磚面之間的滑動(dòng)摩擦破壞，還可以控制磨損發(fā)生后微觀斷裂數(shù)量，進(jìn)而形成一定比例空穴對(duì)后續(xù)的磨料磨損起到緩沖效果。為了探索粘接力對(duì)微觀斷裂磨損比例的影響，選擇粒徑為0.13～0.85 mm石英砂，采用水泥作為膠凝材料，選取不同膠砂比制作透水磚面層。耐磨性測(cè)試前后的照片如圖6所示。

由圖6可見，在耐磨性測(cè)試前磚體表面是由包裹了膠凝材料的骨料堆積而成，在堆積不緊密處會(huì)有孔隙存在。耐磨性測(cè)試后部分骨料會(huì)在膠凝材料之間形成微觀斷裂，從而整體脫落消失，還有一部分骨料被整體切削，形成白色平面。利用Image-Pro Plus軟件可以精準(zhǔn)識(shí)別骨料切削后產(chǎn)生的白色平面，再通過膠凝材料與骨料比例固定，排除切削后的白色平面和膠凝材料占比，可以得到空穴比例，如圖7所示。

對(duì)于單個(gè)試樣統(tǒng)計(jì)隨機(jī)5個(gè)視野內(nèi)微觀斷裂后形成的骨料切削面積比例，并推算出空穴面積比例，結(jié)果如表4所示。

表4 不同膠砂比條件下切削面狀況與透水磚面層性能

由表4可見：（1）膠砂比低的情況下視野內(nèi)均為骨料整體脫落后留下的膠凝材料坑，微觀斷裂磨損數(shù)量多，隨著膠砂比增大，微觀斷裂磨損數(shù)量逐漸減少，當(dāng)膠砂比達(dá)到0.28后，磨損表面大部分為微觀切削磨損后留下的骨料平面。（2）隨著膠砂比增大，骨料與骨料之間的空隙會(huì)被膠凝材料填充，從而降低整體的空隙率，因此影響材料透水率。如表4所示，隨著膠砂比增大，透水率呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，當(dāng)膠砂比達(dá)到0.32時(shí)，基本不會(huì)有透水現(xiàn)象發(fā)生。（3）耐磨試驗(yàn)是以磨坑長度反映樣品耐磨性的，磨坑長度越長耐磨性越差。隨著膠砂比增大耐磨性先急劇提高，當(dāng)膠砂比達(dá)到0.22后，耐磨性穩(wěn)步下降。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是前期膠砂比較低，骨料與骨料之間的粘接力不足，增大膠砂比有助于減少滑動(dòng)摩擦帶來的破壞，后期隨著膠凝材料比例再提高磨損后形成空穴數(shù)量減少，緩沖帶效應(yīng)消失，因此耐磨性呈下降的趨勢(shì)。因此可以判斷，當(dāng)膠砂比達(dá)到0.22，磨損后空穴面積比為0.47時(shí)耐磨性最佳。

2.2 骨料硬度與粒徑對(duì)耐磨性的影響

骨料的硬度和粒徑對(duì)減少切削磨損和控制空穴緩沖帶尺寸有一定影響。試驗(yàn)選取了生產(chǎn)中常用的0.13～2.6 mm粒徑的自然風(fēng)化砂和石英砂作為原料。其中自然風(fēng)化砂由于常年受到風(fēng)化侵蝕作用的影響，其內(nèi)部存在缺陷較多，其硬度較低，莫氏硬度為5.0，有學(xué)者指出[19]，對(duì)自然風(fēng)化砂進(jìn)行500℃煅燒3h可以修復(fù)其中的缺陷，強(qiáng)度提高30%，莫氏硬度可以達(dá)到6.5。而較純的石英砂則硬度較高，莫氏硬度可以達(dá)到7.0（見表1）。

試驗(yàn)以水泥為膠凝材料，固定膠砂比為0.22，對(duì)比自然風(fēng)化砂（1#）、煅燒風(fēng)化砂（2#）、石英砂（3#）在不同粒徑下透水磚面層的耐磨性和透水性結(jié)果，如表5所示。

由表5可見，3種砂的透水性基本一致，這說明透水性主要由骨料粒徑?jīng)Q定。骨料粒徑增大，空隙率有所上升，透水性隨之增大。骨料粒徑對(duì)耐磨性的影響基本呈現(xiàn)先上升后平穩(wěn)的規(guī)律，這與較小的骨料粒徑在磨損中微觀斷裂數(shù)量較多有關(guān)；另外骨料硬度增大，耐磨性隨之提高。因此在生產(chǎn)中可以通過提高骨料強(qiáng)度大幅提升耐磨性。但是由于成本原因可以選取價(jià)格低廉的自然風(fēng)化砂，在使用之前煅燒處理也可提高整體強(qiáng)度。

表5 不同粒徑與不同硬度骨料對(duì)透水磚面層性能的影響

2.3 材料韌性對(duì)耐磨性的影響

根據(jù)上述研究，固定膠砂比為0.22，使用硬度較高、耐磨性最佳的粒徑1.00～1.75mm石英砂作為骨料，通過增韌膠凝材料與使用柔性骨料可以構(gòu)造軟硬相間的梯度材料，這種類似于沙漠蝎子體表軟硬相間梯度材料，其中硬質(zhì)相能減少切削和犁削，軟質(zhì)相能吸收磨料沖蝕能量，從而抵抗磨損。一般韌性的評(píng)價(jià)方式可以通過斷裂伸長率判斷，水泥作為一種脆性材料，斷裂伸長率為0，不具有韌性，而改性環(huán)氧樹脂斷裂伸長率為7.3%。分別以水泥和改性環(huán)氧樹脂作為膠凝材料制作透水磚面層，對(duì)比耐磨性和透水性的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 水泥基與環(huán)氧樹脂基對(duì)透水磚耐磨性及透水性的影響

由表6可知，改性環(huán)氧樹脂基透水磚面層的耐磨性略差于水泥基透水磚面層，但是透水性無變化。

納米SiO2可以橋接基材變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的界面空洞，同時(shí)部分SiO2粒子表面具有的活性基團(tuán)與環(huán)氧發(fā)生化學(xué)作用增強(qiáng)與環(huán)氧基體的結(jié)合力，在環(huán)氧樹脂中加入SiO2可以提升材料韌性[19]。但是過量的SiO2會(huì)大大增加成本，且易發(fā)生團(tuán)聚無法發(fā)揮作用，因此控制摻量應(yīng)小于4%。取不同摻量梯度SiO2摻入改性環(huán)氧樹脂中，測(cè)試斷裂伸長率反映增韌改性環(huán)氧樹脂材料的韌性變化，結(jié)果如表7所示。

表7 納米SiO2摻量對(duì)環(huán)氧樹脂基透水磚耐磨性的影響

由表7可知，隨著納米SiO2摻量增加，韌性先提高后降低，摻3%納米SiO2對(duì)韌性提升效果最佳，斷裂伸長率較未摻SiO2樣品提高21.9%。SiO2摻量增加對(duì)耐磨性有一定提升效果，但提升不明顯，最佳效果僅能提升2.3%。

骨料中摻入不同比例的橡膠顆粒也是一種制作不同硬度梯度材料的方法，研究骨料中橡膠摻量（按骨料質(zhì)量比取代）對(duì)耐磨性及透水性的影響，結(jié)果如表8所示。

表8 骨料中橡膠摻量對(duì)透水磚耐磨性及透水性的影響

由表8可知，隨著橡膠顆粒摻量的增加，耐磨性先上升后基本不變，其中6%橡膠顆粒摻量時(shí)最佳，耐磨性提升19.7%。摻量提升后期趨勢(shì)平穩(wěn)的原因是由于隨著橡膠顆粒摻量增加，骨料整體強(qiáng)度下降，導(dǎo)致耐磨性有所下降。但透水率并不會(huì)隨著骨料中橡膠顆粒摻量變化而改變。

2.4 微觀仿生構(gòu)造透水磚在耐磨試驗(yàn)中磨損程度隨時(shí)間的變化

通過以上研究確定仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化透水磚面層的制備方法，采用環(huán)氧樹脂作為膠凝材料，膠砂比0.22，以硬度較高粒徑1.00～1.75 mm的石英砂作為骨料，膠凝材料中摻入3%納米SiO2增韌的同時(shí)在骨料中摻入質(zhì)量比為6%的橡膠顆粒。為了對(duì)比改善之前的透水磚，依照普通生產(chǎn)條件制作普通透水磚面層，其中膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥，以1.00～1.75 mm自然風(fēng)化砂作為骨料。之后對(duì)2種透水磚面層進(jìn)行耐磨性測(cè)試。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿生結(jié)構(gòu)對(duì)耐磨性提升的作用機(jī)理，在耐磨試驗(yàn)2 min時(shí)長內(nèi)每隔5 s取一點(diǎn)觀察并記錄磨坑長度，對(duì)比仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化透水磚與水泥基透水磚磨損演變規(guī)律，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，普通的水泥基透水磚磚面磨損演變是一個(gè)磨損率逐漸減弱的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象是因?yàn)殡S著磨坑深度增加，鋼輪與磚體接觸面積增大，導(dǎo)致整體壓強(qiáng)減小，磨損率下降。仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化透水磚磨損規(guī)律呈現(xiàn)磨損率先上升后下降，這是由于在磨損發(fā)生初期，還處于磨損表面膠凝材料的過程，未形成仿生優(yōu)化結(jié)構(gòu)磨損率高，形成仿生優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，對(duì)進(jìn)一步磨損起到限制和減輕的作用。這種變化趨勢(shì)進(jìn)一步驗(yàn)證了仿生結(jié)構(gòu)對(duì)耐磨性提升起到積極作用。仿生結(jié)構(gòu)透水磚面層耐磨性較水泥基透水磚面層提高43%。

3 結(jié)論

（1）耐磨試驗(yàn)后通過Image-Pro Plus軟件分析磨損面發(fā)現(xiàn)，膠砂比小的情況下微觀斷裂磨損數(shù)量多，視野內(nèi)均為骨料整體脫落后留下的膠凝材料坑；隨著膠砂比增大，微觀斷裂磨損數(shù)量逐漸減小，磨損表面大部分為微觀切削磨損后留下的骨料平面。通過初期磨損后形成一定比例骨料整體脫落后留下的空穴，這些空穴填充磨料后有緩沖法向壓力，進(jìn)而提升后期磚體表面耐磨性的作用。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠砂比為0.22，磨損后空穴面積比為0.47的條件下，該磚面的耐磨性最佳。

（2）通過骨料硬度與粒徑對(duì)耐磨性影響分析，發(fā)現(xiàn)骨料粒徑的增加對(duì)耐磨性提升只有有限的積極影響，而提高骨料強(qiáng)度能有效增強(qiáng)磚面耐磨性。鑒于生產(chǎn)成本原因可以選取價(jià)格低廉的自然風(fēng)化砂，在使用之前進(jìn)行煅燒處理。

（3）為了得到類似于生物體表軟硬相間梯度材料，本研究通過增韌膠凝材料與替換部分剛性骨料構(gòu)造軟硬相間的梯度材料進(jìn)行耐磨性探索。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單純的提升膠凝材料韌性不能有效增強(qiáng)材料本身耐磨性，而骨料中摻入質(zhì)量比6%橡膠顆粒能夠使耐磨性能提升19.7%。

（4）對(duì)比仿生結(jié)構(gòu)透水磚與普通水泥基透水磚的耐磨性，發(fā)現(xiàn)仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化透水磚面層能有效提升43%的耐磨性。通過對(duì)磨損率的研究發(fā)現(xiàn)，在磨損發(fā)生初期未形成仿生優(yōu)化結(jié)構(gòu)磨損率高，形成仿生優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，對(duì)進(jìn)一步磨損起到限制和減輕的作用，進(jìn)而驗(yàn)證了該仿生結(jié)構(gòu)的有效性。