趙 玨，曹 偉，張 進，張繼仁，曹瑩瑩

（中國建筑科學研究院有限公司，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)為車輪輪胎對表面的磨耗和磨光以及高速水流對壩面、墩臺的沖刷等，對水泥基材料由外進行的破壞。磨損通常需要一定時間的積累導致最終的破壞，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重要方面［1］。

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

1 標準中常用水泥基材料耐磨性測試方法分析

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。過流面主要是指應用于水工上的混凝土構(gòu)筑物的表面，因為水工混凝土的表面長期受到水流沖刷，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期大量水流沖刷，主要是材料表面受機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械摩擦磨損有很大區(qū)別。

沖磨磨損是水流夾砂或石對混凝土表面沖擊、摩擦及切削等作用，當這些作用大于材料表面分子的結(jié)合力時，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］。

機械磨損則沒有水流的影響，主要是兩個接觸物體的表面受外力作用下相互的機械作用所導致。即認為：兩個相互作用的表面在少數(shù)幾個孤立的凸點發(fā)生接觸，導致接觸點產(chǎn)生應力，然后兩個表面間發(fā)生黏著，進行相對運動，當一側(cè)應力大于凸點材料本身的結(jié)合力時，導致微凸體被對方材料剝離的作用。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方法

其主要試驗方法有：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），以上均為模擬含砂水流沖磨的抗沖磨試驗方法。

1.3 非過流面的耐磨性試驗方法

本文主要針對建筑物表面、地面、道面、橋面等非過流面的水泥基材料耐磨性的試驗方法進行介紹。現(xiàn)行的標準中主要包含：旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法、鋼輪式耐磨試驗方法、花輪耐磨試驗方法、滾珠軸承耐磨試驗方法。其中旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法主要用于漆膜或涂料，鋼輪式耐磨試驗方法、花輪耐磨試驗方法、滾珠軸承耐磨試驗方法 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)動橡膠砂輪，對被測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。因為其摩擦的速率較慢、在可轉(zhuǎn)動的橡膠砂輪上施加的配重較小，所以該試驗對材料的磨損量小，適用于硬度較低和較薄的材料。該方法的常用標準為：GB/T 1768—2006《色漆和清漆 耐磨性的測定 旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法》，如圖 1 所示［4］。一般檢測對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)動鋼輪，同時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，即為磨料對被測試材料表面進行磨損的試驗過程。鋼輪式耐磨試驗方法如圖 2 所示［5］。耐磨性主要表征方法是被測試材料表面磨坑的長度值計算所得的磨損量。如圖 3 所示，試驗后的試件表面磨出一個長方形磨坑，寬度為鋼輪的寬度，長度則為磨損后圓弧狀磨坑的弦長L，采用弦長L和鋼輪直徑以及鋼輪寬度就可以計算出被測材料的磨耗體積。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L表示。

圖2 鋼輪式耐磨試驗方法示意圖

圖3 試驗后磨坑體積計算示意圖

該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。

該測試方法可以通過調(diào)節(jié)施加的配重——即水平施加給被測材料的壓力，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，來達到調(diào)節(jié)被測試材料表面的磨損程度。所以其可測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試方法，同時也可以測量包括無釉磚、石材、地磚等多種材料。主要的應用標準為：GB/T 12988—2009《無機地面材料耐磨性能試驗方法》、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定》等。

1.3.3 花輪耐磨試驗方法

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材料表面并且高速旋轉(zhuǎn)，使磨頭磨削被測材料表面，然后在被測材料表面產(chǎn)生圓環(huán)狀磨坑的試驗方法?；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，也就是被測材料的耐磨性，試驗后磨坑如圖 5 所示。

圖4 花輪磨頭（單位：mm）

圖5 試驗后磨坑

因為磨頭上的花輪都是可以自由轉(zhuǎn)動的，黏著磨損會很?。荒ハ聛淼乃樾急晃鼔m器及時吸走，磨料磨損也會很小；所以理論上給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。其磨損機理為：疲勞磨損（干摩擦）≥黏著磨損、磨料磨損。

該試驗方法可以通過改變磨頭的配重和轉(zhuǎn)數(shù)來調(diào)節(jié)被測材料的磨損程度?？蓽y試的耐磨性范圍不是很大，該方法主要是針對水泥膠砂和混凝土試塊進行耐磨性測試的試驗方法。主要的應用標準為：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》、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，使磨頭在被測材料表面高速旋轉(zhuǎn)，濕摩擦一定轉(zhuǎn)數(shù)后在被測材料表面造成環(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，計算出耐磨度或耐磨度比來表示被測材料的耐磨性。

圖6 滾珠軸承耐磨試驗方法示意圖

圖7 試驗后磨坑

該方法使用的是滾珠軸承，所以對被測材料表面主要是旋轉(zhuǎn)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。

滾珠軸承耐磨試驗方法可以用磨槽深度和磨頭轉(zhuǎn)數(shù)通過公式（1）計算出耐磨度，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量量程至 1.5 mm，但是因為試驗數(shù)據(jù)邊緣誤差較大的緣故，實際可測量的耐磨性范圍并不大。該方法主要測量有一定硬度和強度的材料，是混凝土和耐磨地坪耐磨性的主要試驗方法。主要的應用標準為：GB/T 16925—1997《混凝土及其制品耐磨性試驗方法（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試方法結(jié)果對比

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試方法主要是鋼輪式耐磨試驗方法、花輪耐磨試驗方法、滾珠軸承耐磨試驗方法，但是這 3 種試驗方法本身的側(cè)重點都不同，鋼輪耐磨試驗方法中主要依靠磨料來磨損耐磨試件；花輪式耐磨試驗方法中采用花輪直接磨損耐磨試件，底座與花輪也有相對運動，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；滾軸軸承耐磨試驗方法則是采用滾珠軸承磨損耐磨試樣表面，并且在磨損時采用水流沖去磨損碎末，在減少磨料對耐磨性干擾的同時降低摩擦系數(shù)。試驗方法的不同就導致了其耐磨方式的差異，最終可能會產(chǎn)生不一樣的測試結(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試方法進行橫向?qū)Ρ?，觀察不同的試驗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度等級水泥基試塊對相同的非過流面耐磨性測試方法進行縱向?qū)Ρ龋容^水泥基材料的強度等級變化對測試方法輸出結(jié)果的影響。

實驗設(shè)計了兩組水泥膠砂，原材料都為基準水泥、標準砂和水。在原材料相同的情況下，通過改變配合比制備出兩個強度等級的水泥膠砂試塊，如表 1 所示。對比實驗結(jié)果如表 2 所示。

表1 水泥膠砂試塊強度等級

表2 對比實驗結(jié)果

第一，橫向?qū)Ρ?3 種方法測同一樣品，相同樣品的 3 種耐磨性試驗方法可以得到 3 個數(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方法時，由于被測材料耐磨性太低，試驗未進行到標準要求的磨損轉(zhuǎn)數(shù)就達到了儀器磨損試驗的極限，所以真實的磨損量一定大于測得的磨損量數(shù)據(jù)。其中鋼輪式耐磨試驗方法、花輪耐磨試驗方法的測試結(jié)果數(shù)據(jù)是越小表示材料的耐磨性越好。滾珠軸承耐磨試驗方法的測試結(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方法下得到的耐磨性測試結(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)值進行比較。

表3 耐磨性實驗結(jié)果分析

第二，縱向?qū)Ρ戎?，設(shè)計了兩個強度等級的水泥基試塊進行測試。1 # 為強度等級 30 MPa 的試塊；2 # 為強度等級 60 MPa 的試塊。如表 4 所示，其抗壓強度提高了 73.1 %，抗折強度僅提高了 28.2 %。通過調(diào)節(jié)膠砂比和加水量可以制備出不同強度等級的水泥基材料，同時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度等級越高一般它的耐磨性越好。這個可以理解為基體的強度越高分子間的結(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 抗壓抗折強度實驗結(jié)果分析

首先，3 種測試方法對耐磨性的測量有效范圍分析。

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

其次，3 種測試方法對兩組強度等級的試塊，測得的耐磨性提高率也有差別?？梢越Y(jié)合測試方法主要的機械磨損機理進行分析。

鋼輪式耐磨性測試方法提高的百分率更加接近抗折強度提高的百分比。可能是因為鋼輪式耐磨性測試方法的機械磨損機理主要是磨料磨損。其與材料的抗切向力性能也就是抗折強度相關(guān)性更強?；ㄝ喣湍バ詼y試方法和滾珠軸承耐磨性測試方法都提高了 300 % 以上，比強度等級的提高率要高幾倍?？赡苁且驗榛ㄝ喣湍バ詼y試方法和滾珠軸承耐磨性測試方法的機械磨損機理主要是疲勞磨損。所以隨著強度等級的提高，需要積累大量的機械摩擦才能達到相同的磨損效果，導致該兩種方法測得的耐磨性數(shù)據(jù)提高效果要遠大于強度等級的提高效果。并且因為方法的差異，提高的具體百分率也存在差異。

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

2 結(jié)語

建筑材料的耐磨性測試方法有很多，即便是針對非水工環(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試方法常用的也有鋼輪式耐磨試驗方法、花輪耐磨試驗方法、滾珠軸承耐磨試驗方法 3 種。并且 3 種試驗方法的儀器和操作方法、磨損機理、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試方法雖然多，但是缺少一個統(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試方法的分類和現(xiàn)在實際應用的標準化的測試方法，其中詳細分析了 3 種水泥基材料非過流面的耐磨性測試方法。具體涉及 3 種方法的試驗原理、磨損機制、試驗結(jié)果表征，分別進行比較和區(qū)分。我們在實際應用中，一定要注意區(qū)分被測材料的種類，以及應用部位的區(qū)別，選擇更加適合的測試方法來表征其耐磨性。并且對不同的測試方法測得的耐磨性數(shù)據(jù)要進行具體的區(qū)分和分析。Q