盛正強(qiáng)

摘 要：本文列舉目前國內(nèi)外對陶瓷磚防滑性能的檢測標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備及操作與判定方法，分析了各類標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，從做功和能量的角度剖析了各檢測標(biāo)準(zhǔn)的原理，研究了應(yīng)用各標(biāo)準(zhǔn)所檢測的陶瓷磚表面摩擦系數(shù)與能量之間的相互關(guān)系。

關(guān)鍵詞：防滑;檢測標(biāo)準(zhǔn);檢測原理;摩擦力;摩擦系數(shù);摩擦做功

1 前 言

陶瓷磚表面的防滑性能是其一個(gè)重要的性能指標(biāo)。近些年隨著出口增長，許多陶瓷廠家對陶瓷磚的防滑性能也越來越重視。陶瓷磚的防滑性能實(shí)際是屬于摩擦學(xué)的范疇，而摩擦學(xué)本身相當(dāng)復(fù)雜，各國對陶瓷磚表面的防滑性能檢測標(biāo)準(zhǔn)也各有不同。所檢測的方法、原理均有不同，較難統(tǒng)一，在實(shí)際操作過程中會(huì)采用多種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測。因此，我們根據(jù)陶瓷磚所實(shí)際使用的裝飾空間，模擬實(shí)際應(yīng)用場所，來研究和討論陶瓷磚表面的防滑性能。

相互接觸的物體當(dāng)產(chǎn)生位置移動(dòng)時(shí)就會(huì)有摩擦現(xiàn)象。陶瓷磚表面的防滑機(jī)理檢測，理論上說是物理學(xué)中的摩擦力的檢測，檢測設(shè)備也是根據(jù)物理學(xué)的原理設(shè)計(jì)出來的。摩擦力本身較為復(fù)雜，它可分為靜摩擦和動(dòng)摩擦，靜摩擦有最大靜摩擦，動(dòng)摩擦又有滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦。根據(jù)物理學(xué)庫倫摩擦定律性質(zhì)，對于固定的材料而言其摩擦系數(shù)不是個(gè)變量。但各類研究試驗(yàn)表明，各種材料的摩擦系數(shù)會(huì)隨不同環(huán)境條件而發(fā)生變化[3]。且依據(jù)物理學(xué)的摩擦力計(jì)算公式，摩擦系數(shù)大小與接觸物的速度沒關(guān)系，這也與實(shí)際不符。當(dāng)接觸面物體的運(yùn)動(dòng)速度提高，不少材料的摩擦系數(shù)會(huì)降低。古典的摩擦定律不能準(zhǔn)確全面地反映滑動(dòng)摩擦規(guī)律[1]。所以進(jìn)一步分析摩擦系數(shù)，對研究陶瓷磚的防滑性能具有十分重要意義。

2 陶瓷磚的檢測標(biāo)準(zhǔn)

2.1 美國標(biāo)準(zhǔn)[7]

2.1.1 設(shè)備介紹

（1）檢測設(shè)備名稱

靜摩擦系數(shù)ASM825A測試儀，見圖1;數(shù)顯BOT-3000E地板滑度測試儀，見圖2。

（2）檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)[5]

ASM825A測試儀采用3片橡膠塊，粘在一塊鋁合金板上組成滑塊組件，配重塊的重量為22 kg;BOT-3000E地板滑度測試儀，在底部安裝了帶有傳感器的SBR橡膠滑塊，滑塊在一定壓力作用下可緊密接觸陶瓷磚測試面。

（3）設(shè)備操作方法

ASM825A測試儀操作前清潔傳感器，小心水平放穩(wěn)測滑儀。采用陶瓷磚作為標(biāo)準(zhǔn)板，拖動(dòng)滑塊組件，至測試儀與陶瓷磚水平表面產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)趨勢，記錄瞬間的拉力值，計(jì)算此時(shí)靜摩擦系數(shù)，按上述操作不同方向和位置多測幾次，按標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，校準(zhǔn)及修正結(jié)果，見圖3。

檢測陶瓷磚外表的防滑性能前，先用液體涂抹和潤濕待測外表，再將防滑測試儀置于預(yù)處理的外表面，選擇操縱界面合適的測試標(biāo)準(zhǔn)開始測試，設(shè)備會(huì)自動(dòng)記錄測試結(jié)果。

2.1.2 參考標(biāo)準(zhǔn)

采用ANSI/NFSI B101.1-2009，ANSI/NFSI B101.3-2012，ANSI A137.1-2012標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 防滑等級(jí)要求

依據(jù)ANSI A137.1-2012 標(biāo)準(zhǔn)，室外地磚的濕態(tài)動(dòng)摩擦系數(shù)應(yīng)超過0.42。

2.1.4 防滑測試原理

ASM825測試儀是經(jīng)由過程拉力計(jì)拖動(dòng)滑塊組件，與陶瓷磚被測試面發(fā)生相對滑動(dòng)的過程，從而測出在干濕的條件下陶瓷磚的靜摩擦系數(shù)值，該摩擦系數(shù)值是按照滑塊組件與其相接觸的陶瓷磚表面之間發(fā)生移動(dòng)所必要的外部施加的拉力所計(jì)算出的。BOT-3000E地板滑度測試儀是測試設(shè)備在陶瓷磚表面勻速運(yùn)動(dòng)過程中，設(shè)備能自動(dòng)記錄SBR橡膠滑塊與接觸面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

這兩種測試方法本身存在著差異，相對于同一物體的表面，其摩擦系數(shù)基本恒定。我們知道，相接觸的物體表面產(chǎn)生滑動(dòng)瞬間的最大靜摩擦系數(shù)要大于運(yùn)動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，且兩種設(shè)備的配重、摩擦滑塊材質(zhì)、表面粗糙程度都不盡相同。也有研究表明[2]，影響摩擦系數(shù)的大小是摩擦表面材料的硬度、強(qiáng)度、幾何特性、表面粗糙度、正壓力及加載性質(zhì)、表面潔凈度、外界雜質(zhì)的存在、摩擦表面尺寸、形狀等各種影響因素綜合作用的結(jié)果。故兩者所測試出的數(shù)據(jù)也無可比性，但可作為判定是否防滑的等級(jí)依據(jù)。

2.2 德國標(biāo)準(zhǔn)[8]

2.2.1 設(shè)備介紹

（1） 檢測設(shè)備名稱：斜坡法防滑測試儀，見圖4。

（2） 檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)：該設(shè)備是按照DIN-51097，DIN51130：2014-02和ISO草案10545-17附錄C制造的，主要由涂漆鋼框架，可調(diào)角度不銹鋼平臺(tái)布置100×50 cm由瓷磚木板粘合的面板組合而成。

（3）檢測設(shè)備操作

操作員必須配戴安全帶和特制鞋，并以直立狀態(tài)在測試材料面板上行走，實(shí)驗(yàn)板以一定速度傾斜，直到操作人有產(chǎn)生滑動(dòng)的不安全狀態(tài)時(shí)停止，此時(shí)傾斜面與水平面存在著一個(gè)角度，這個(gè)角度即為陶瓷磚防滑的動(dòng)態(tài)臨界角。為了獲得更精確的測定值，重復(fù)測試幾次接近這個(gè)角度的測定值。

2.2.2 參考標(biāo)準(zhǔn)

德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 51097：1992，DIN51130：2014-02 。

2.2.3 防滑等級(jí)要求

德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 51097：1992和DIN 51130：2010中，規(guī)定了防滑動(dòng)態(tài)臨界角與防滑類別的判定級(jí)別，見表3。德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)BGR 181-2004 The standard for slip prevention on parquet and hardwood floors in working areas采用了DIN 51130的測試方法和分類方法，并規(guī)定了不同場合使用的地面材料應(yīng)達(dá)到的防滑等級(jí)[8]。

2.2.4 防滑測試原理

德國標(biāo)準(zhǔn)模擬了實(shí)際生活中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是測試陶瓷磚與水平面的動(dòng)態(tài)臨界角。測試者隨著測試面與水平夾角的增大會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)，此時(shí)的角度為動(dòng)態(tài)臨界角。測試的角度逐漸增加，作用在測試面的正向壓力會(huì)逐漸減小，最終在動(dòng)態(tài)臨界角狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)相對滑動(dòng)，此時(shí)可測出陶瓷磚測試面的最大靜摩擦系數(shù)。但在測試中也會(huì)因?yàn)闇y試人員的控制操作延時(shí)、站立于陶瓷磚測試面的姿態(tài)改變等因素影響，會(huì)存在一些誤差。

2.3 英國標(biāo)準(zhǔn)[6，9]

2.3.1 設(shè)備介紹

（1）檢測設(shè)備名稱：便攜式、數(shù)字化鐘擺式濕滑性能英國MUNRO測試儀，見圖5。

（2）檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)：主要由機(jī)架、擺錘和擺錘桿、橡膠滑塊、指針和刻度盤組成。陶瓷磚測試?yán)?S（96）橡膠滑塊，國際硬度值為96±2 IRHD。

（3）檢測設(shè)備操作：釋放鎖定開關(guān)，將具有一定勢能的擺錘擺動(dòng)劃過試件表面規(guī)定的距離后擺向另一側(cè)，指針被擺錘上的指針推動(dòng)環(huán)帶動(dòng)，隨擺錘一起擺動(dòng)到另一側(cè)后停留并顯示出擺錘的最高位置。

2.3.2 參考標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)備符合國際標(biāo)準(zhǔn)BS 7976-2：2002 Pendulum testers-Part 2：Method of operation，BS EN13036-4等26個(gè)不同國際細(xì)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)。廣泛被健康安全顧問公司、地板和瓷磚廠商、材料測試實(shí)驗(yàn)室、公路代表處、當(dāng)?shù)乩硎聲?huì)、休閑場所、專家證人、建筑維修專家等使用[9]。

2.3.3 防滑等級(jí)要求

英國UK Slip Resistance Group在UKSRG 2005運(yùn)用的防滑機(jī)能評(píng)價(jià)方式見表4。

2.3.4 防滑測試原理

該法是測試各材質(zhì)使用表面的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)。擺錘的最初靜止時(shí)具有的勢能損耗等于橡膠塊滑過測試陶瓷磚表面，產(chǎn)生的摩擦阻力克服測試表面所損失的勢能來評(píng)判測試表面的止滑能力，即克服陶瓷磚表面摩擦阻力所做的功來計(jì)算陶瓷磚表面的摩擦系數(shù)。

擺錘法以能量的損耗較為科學(xué)地計(jì)算出陶瓷磚表面的摩擦阻力做的功，但也會(huì)存在誤差。實(shí)際測試中，每次都會(huì)在陶瓷磚表面留下橡膠塊摩擦后的碎屑，即橡膠塊有磨損，雖然每次檢測會(huì)有矯正，但橡膠塊磨損到4 mm時(shí)才更換，后續(xù)測試接觸面積會(huì)一次比一次增加，且接觸陶瓷磚表面時(shí)所具有的動(dòng)能也最大，速度最快。根據(jù)相關(guān)應(yīng)用研究[3]，此時(shí)摩擦力大小和接觸面積、物體運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，摩擦瞬間產(chǎn)生的熱能多，能量損耗增加。實(shí)際檢測中也發(fā)現(xiàn)，隨橡膠塊的磨損，擺錘PTV值結(jié)果也要偏大，甚至可達(dá)10。

2.4 澳洲標(biāo)準(zhǔn)[10]

澳洲的標(biāo)準(zhǔn)AS/NZ4586：2004規(guī)定了A、B、C、D共4種方法，其中A采用擺錘法測試濕滑條件下的防滑性能，測試方法與英國的BS 7976類似;B劃定了干燥狀態(tài)下動(dòng)摩擦系數(shù)的測試方式，與意大利承認(rèn)的B.C.R.A.方法類似;B.C.R.A.測試方法是在干濕條件下，模擬人行走時(shí)候腳后跟的狀態(tài)，測試陶瓷磚表面與橡膠之間的動(dòng)摩擦系數(shù)。C和D的檢測方法及判定安全級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)與德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 51130和DIN 51097相同。其中，防滑類別劃分見表5。

2.5 國家標(biāo)準(zhǔn)

國家GB/T 35153-2017 防滑陶瓷磚標(biāo)準(zhǔn)，測試方法與英國的BS 7976類似，將具有一定勢能的擺錘擺動(dòng)劃過試件表面規(guī)定的距離后擺向另一側(cè)，以擺錘在此過程中因克服試件表面摩擦阻力的作用而損失的勢能評(píng)價(jià)試件表面的阻滑能力。但國家GB/T 35153-2017防滑陶瓷磚標(biāo)準(zhǔn)測定的是一個(gè)數(shù)值，沒有說明產(chǎn)品是否安全或者評(píng)判防滑等級(jí)。擺錘法規(guī)定的PTV數(shù)值范圍嚴(yán)謹(jǐn)性稍有欠缺，在兩個(gè)相鄰等級(jí)兩端之間的數(shù)值沒有規(guī)定處于哪個(gè)等級(jí)范圍，而實(shí)際儀器指針是可以表示出來的，比如處于44和45之間的數(shù)值，取向哪個(gè)等級(jí)就不好判別。當(dāng)然也可能是因?yàn)榭潭缺P數(shù)值估算范圍較大，故此這一小點(diǎn)的數(shù)值可以忽略。

3 原理分析

3.1 各檢測標(biāo)準(zhǔn)的原理

3.1.1 美標(biāo)摩擦法檢測

按照美標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，此法實(shí)際是檢測瞬間拉動(dòng)橡膠滑塊的拉力與摩擦力的平衡力，見圖6。除去空氣阻力等因素，理論上拉動(dòng)橡膠滑塊mg在陶瓷磚表面水平滑動(dòng)一段距離S后的拉力，與阻礙橡膠滑塊滑動(dòng)的摩擦力f認(rèn)為是一致的。平衡拉力F在此過程中所做的功W，即為摩擦力f所做的功W，根據(jù)公式W=FS，F(xiàn)=μN(yùn)，測試表面摩擦系數(shù)與做功之間的關(guān)系如式（1）：

其中N為正壓力，這里實(shí)際是檢測設(shè)備的自重，μ表示橡膠滑塊與陶瓷磚表面的摩擦系數(shù)。當(dāng)做功一定，滑塊重量不改變時(shí)，滑塊移動(dòng)的距離越長說明陶瓷磚表面的摩擦系數(shù)越小;反之，滑動(dòng)路程越短，陶瓷磚測試面的摩擦系數(shù)就越大。

3.1.2 德標(biāo)動(dòng)態(tài)臨界角檢測

依據(jù)德標(biāo)檢測操作規(guī)程，操作人員是直立于操作平面，測試平面與水平夾角逐漸增加，直至操作測試人員產(chǎn)生不安全的滑動(dòng)為止。實(shí)際檢測設(shè)備雖以中間為軸，測試人員在測試面走動(dòng)，但仍可實(shí)驗(yàn)?zāi)M此過程。此過程中，檢測操作人員與檢測面瞬間產(chǎn)生滑動(dòng)的摩擦?xí)r的斜面傾斜角，從而判定檢測面的摩擦系數(shù)的大小，見圖7。

當(dāng)操作員被垂直移動(dòng)h高度，斜面夾角θ時(shí)，處于開始滑動(dòng)的不安全狀態(tài)，此時(shí)操作員相對于水平面增加的勢能W可以表示為：

從式（2）可以知道，斜面夾角θ逐漸最大，其勢能增加，所做功也越多。但物體在斜面的夾角又與其所受的摩擦力有什么關(guān)系呢？操作員處于斜面夾角θ時(shí)有不安全的滑動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)操作員G實(shí)際已產(chǎn)生了兩個(gè)分量，且這兩個(gè)分量是隨著斜面夾角θ的變化而變化的。一個(gè)分量沿斜面向下滑動(dòng)的力F1，另一分量為垂直作用在斜面的正壓力F2。此時(shí)F1與操作員接觸陶瓷磚表面產(chǎn)生的摩擦力方向相反，大小相等;F2與斜面的支撐力N也是方向相反，大小相等。此時(shí)操作員的霎時(shí)所受摩擦力可按如下方式計(jì)算為：

分量F1與摩擦力f為一對平衡力，故：

結(jié)合式（3）和（4），摩擦系數(shù)μ=tgθ[1，2]。以斜面一處固定為轉(zhuǎn)軸，增大θ角當(dāng)操作員相對于水平面垂直移動(dòng)h后，操作員與斜面轉(zhuǎn)軸的距離L不發(fā)生變化（L與h成正比，故此處規(guī)定不變），此時(shí)操作員所具有的勢能與測試的斜面摩擦系數(shù)間關(guān)系可以表示為：

從式（5）可知，傾斜面夾角增大后，操作員要保持具有垂直移動(dòng)h距離的勢能，所需的接觸面摩擦系數(shù)也要大;反之，接觸面的摩擦系數(shù)小，操作員則不能保持垂直移動(dòng)h距離的勢能，從而傾斜夾角也減小。

美標(biāo)和德標(biāo)實(shí)際測定的都是物體在剛滑動(dòng)時(shí)的摩擦力值，然而在許多研究中表明，在滑動(dòng)剛開始發(fā)生時(shí)，滑動(dòng)摩擦力比最大靜摩擦小，并隨相對速度的增大而減小，當(dāng)速度繼續(xù)增大時(shí)，又隨相對速度的增大而增大[4]，故此測定的陶瓷磚摩擦系數(shù)值會(huì)存在著必然偏差。

3.1.3 英標(biāo)擺錘法檢測

英標(biāo)擺錘法本身是通過克服擺錘運(yùn)動(dòng)中阻力所做功來測定接觸面的摩擦系數(shù)，實(shí)際是動(dòng)摩擦系數(shù)，而美標(biāo)與德標(biāo)測定的是靜摩擦系數(shù)，只不過美標(biāo)是在水平面上的最大靜摩擦，正壓力始終保持不變;德標(biāo)是傾斜面上的最大靜摩擦系數(shù)，正壓力隨傾斜角增大而逐漸減小[2]。擺錘釋放后，勢能Ep逐漸轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，忽略空氣阻力的作用，當(dāng)擺錘到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)勢能全部轉(zhuǎn)換成動(dòng)能Ek。但此時(shí)滑塊與檢測面產(chǎn)生了向后阻礙擺錘運(yùn)動(dòng)的摩擦力f，最終擺錘動(dòng)能部分轉(zhuǎn)換成摩擦力做的功，剩余動(dòng)能繼續(xù)擺動(dòng)轉(zhuǎn)換成一定的勢能E，并停止在θ角上，見圖8。

擺錘法動(dòng)摩擦力和動(dòng)摩擦系數(shù)的測定，是在摩擦表面處于不同的滑動(dòng)速度下作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行的[2]，這個(gè)過程實(shí)際是個(gè)減速的過程，卻不是勻速過程，具有圓周方向的加速度。此處相互接觸產(chǎn)生的摩擦， 本質(zhì)就是能量損耗的過程。姑且認(rèn)為此時(shí)的摩擦阻力所做的功即為滑塊滑過所測試陶瓷磚表面的距離與摩擦阻力的乘積。根據(jù)能量守恒定律可表示為：Ep = Ek = E + μ·mg·S 。因滑塊與測試陶瓷磚表面摩擦力所做的功即是滑塊勢能的消耗，換算成擺錘夾角θ與測試面摩擦系數(shù)之間的關(guān)系，可表示為：

其中：

E——擺錘停止擺動(dòng)時(shí)所具有的勢能

h——擺錘臂停止運(yùn)動(dòng)時(shí)的高度

θ——擺錘臂同時(shí)與垂直面的夾角

S——滑塊與測試面滑過的距離

R——擺錘到支點(diǎn)的懸掛臂長度

f——摩擦阻力

mg——摩擦塊和擺錘臂的重心重量

從式（6）可以得出，測試面的摩擦系數(shù)與擺錘的夾角余弦成正比，與夾角成反比。即測試面的摩擦系數(shù)越大，夾角則越小;測試面的摩擦系數(shù)越小，其夾角越大。

4 結(jié) 語

各類陶瓷磚防滑性能的測試方法，得出的測試結(jié)果有較大差別。美國標(biāo)準(zhǔn)測定水平面上最大滑動(dòng)摩擦系數(shù)，正壓力保持不變;德國標(biāo)準(zhǔn)測定傾斜面上最大靜摩擦系數(shù)，正壓力隨夾角增大而逐漸減小;英國標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)GB/T 35153-2017測定的是水平面上的動(dòng)摩擦系數(shù)，在滑過規(guī)定的長度內(nèi)，滑塊存在圓周切線方向的加速度，正壓力也隨之發(fā)生變化。澳洲標(biāo)準(zhǔn)則綜合了以上多種檢測標(biāo)準(zhǔn)。另外擺錘法規(guī)定的PTV數(shù)值范圍嚴(yán)謹(jǐn)性稍有欠缺，在兩個(gè)相鄰等級(jí)兩端之間的數(shù)值沒有規(guī)定處于哪個(gè)等級(jí)范圍，且數(shù)值范圍較寬，同一等級(jí)內(nèi)數(shù)值梯度相差9，刻度盤的刻度還不夠精準(zhǔn)。若在同一等級(jí)內(nèi)再細(xì)分成ABC三個(gè)等級(jí)，則更能直觀反映測試表面的防滑級(jí)別?，F(xiàn)行各種標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷磚防滑性能測定方法，都有必然的科學(xué)依據(jù)，且每種檢測方法都存在一定程度的局限性，會(huì)有檢測誤差。但總體來說，需要克服陶瓷磚表面的摩擦力所做的功越多，消耗的能量也就越多，陶瓷磚接觸表面的摩擦系數(shù)也就越大，防滑性能也越好，使用場所越安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 滑動(dòng)摩擦系數(shù)的物理意義剖析.汪志城，范德恩.上海機(jī)械學(xué)院報(bào)，1988年第10卷第1期.

[2] 滑動(dòng)摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測定法分析.林復(fù)生，張啟浩.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第15卷第3期? 1990年9月.

[3] 摩擦理論及其應(yīng)用.華北礦業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào).劉承赫. 2001年1月 第3卷 第4期.

[4] 摩擦力與摩擦系數(shù)的幾點(diǎn)性質(zhì).呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報(bào).劉亞民.? 第14 卷第4 期? 2006年8月.

[5] 潮濕狀態(tài)下陶瓷地磚摩擦系數(shù)測試方法探討.何問慎，顧軒， 陸倩映，肖景紅.佛山陶瓷 2016 年第6 期（第239 期）.

[6] 國家GB/T 35153-2017 防滑陶瓷磚標(biāo)準(zhǔn).

[7] ANSI/NFSI B101.3-2012 Test Method for Measuring Wet DCOF of Common Hard-Surface Floor Materials （Including Action and Limit Thresholds for the Suitable Assessment of the Measured Values）.

[8] DIN 51097-1992 ， DIN51130-2014 斜坡防滑測試.

[9] BS 7976-2 2002 British Standard 英國標(biāo)準(zhǔn).

[10] 澳洲標(biāo)準(zhǔn)AS/NZ 4586：2004 Smaterials surface pedestrian of classification resistance Slip.