蘇華枝，余有根，劉一軍，吳建青

(1.華南理工大學材料科學與工程學院，廣州 510641；2.蒙娜麗莎集團股份有限公司博士后科研工作站，佛山 528211)

0 引 言

陶瓷磚具有美觀耐用、裝飾性強、性能穩(wěn)定等特點，被廣泛應用于室內(nèi)外裝修工程，深受廣大消費者青睞。當陶瓷磚用作地磚時，耐磨性是至關重要的一項性能指標，它關系著產(chǎn)品的功能實現(xiàn)、美觀效果及使用壽命等。根據(jù)是否施有釉料，陶瓷磚分無釉磚和有釉磚。國家標準GB/T 4100—2015《陶瓷磚》[1]規(guī)定無釉磚和有釉磚的耐磨性能試驗方法分別為無釉磚耐磨深度的測定(GB/T 3810.6—2016/ISO 10545-6:2010)和有釉磚表面耐磨性的測定(GB/T 3810.7—2016/ISO 10545-7:1996)。隨著陶瓷磚的發(fā)展和消費者喜好的變化，現(xiàn)在越來越多以拋釉磚、仿古磚為代表的有釉磚取代以拋光磚為代表的無釉磚作為地磚[2]，但目前卻缺乏統(tǒng)一的標準來測定無釉磚和有釉磚的耐磨性，國內(nèi)外也有越來越多的呼聲要求將兩者用同一種試驗方法來進行耐磨性的評判，2018年和2019年國際標準化組織ISO/TC189會議討論的內(nèi)容就包含了陶瓷磚耐磨性的測試方法[3-4]。

上述兩個國家標準的原理、設備、步驟及結(jié)果表征基本沿用國際標準化組織(ISO)發(fā)布的標準，并且近二三十年來未作大的調(diào)整[5-8]。由于標準與實際工作逐漸脫節(jié)，近年來不少科技工作者對相關標準進行了一些研究。吳汝莉[9]、薛金[10]等指出在GB/T 3810.6—2016中鋼輪直徑大小、磨料下料速度、摩擦鋼輪轉(zhuǎn)數(shù)及平衡錘配重大小對結(jié)果的準確性有重大影響。曹陽等[11]指出在GB/T 3810.7—2016中耐磨性與釉面顏色有關，相同材質(zhì)、工藝的淺色磚的釉面磨痕比深色磚的釉面磨痕更難目測識別。彭耀彬[12]指出在GB/T 3810.7—2016中用萬轉(zhuǎn)磨耗對耐磨結(jié)果進行量化能更加科學和精準。龔明等[13]采用GB/T 3810.7—2016的方法對陶瓷磚的耐磨性與萬轉(zhuǎn)磨耗比對分析發(fā)現(xiàn)萬轉(zhuǎn)磨耗的損失量和國家標準的檢測結(jié)果有一定的關聯(lián)，部分拋光磚的萬轉(zhuǎn)磨耗損失量高于拋釉磚的萬轉(zhuǎn)磨耗損失量。陸倩映等[14]利用Taber耐磨試驗機對石材和陶瓷磚進行耐磨性研究時也發(fā)現(xiàn)試驗選取的無釉地磚的磨損質(zhì)量高于釉面地磚(計算得出的耐磨性指數(shù)無釉地磚低于釉面地磚)。因此在此基礎上，對陶瓷磚耐磨性的試驗方法展開深入研究，探討同一種試驗方法評判無釉磚和有釉磚耐磨性能的可行性，從而確立一個有效和精確的評價方法具有重要意義。

1 實 驗

1.1 樣 品

隨機選取5種品牌的拋光磚，分別命名為P1、P2、P3、P4和P5；以及5種品牌的拋釉磚，分別命名為G1、G2、G3、G4和G5。同時，選用石英玻璃、仿古磚作為參照樣品。

1.2 試驗方法

將樣品分別采用CM-B型無釉磚耐磨試驗機、CYM型陶瓷磚釉面耐磨試驗機和Taber試驗機進行測定，測試原理的示意圖見圖1。

圖1 陶瓷磚耐磨測試原理的示意圖

無釉磚耐磨深度的測定是采用F80的剛玉作為磨料，摩擦鋼輪轉(zhuǎn)150轉(zhuǎn)后測量鋼輪在磚的正面旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨坑的弦長L，精確到0.5 mm，根據(jù)弦長和體積對應值的表得到對應的體積，計算得到體積平均值Vm。

有釉磚表面耐磨性的測定是以鋼球、F80的剛玉磨料和離子水為研磨介質(zhì)，試樣的預調(diào)轉(zhuǎn)數(shù)為100轉(zhuǎn)、150轉(zhuǎn)、600轉(zhuǎn)、750轉(zhuǎn)、1 500轉(zhuǎn)、2 100轉(zhuǎn)、6 000轉(zhuǎn)和12 000轉(zhuǎn)，達到預調(diào)轉(zhuǎn)數(shù)后在觀察箱內(nèi)對比未磨和經(jīng)過研磨后的磚釉面的差異,并進行0～5級分級。用天平稱量12 000轉(zhuǎn)前后的質(zhì)量差得到磨耗值，計算得到12 000轉(zhuǎn)下磨耗平均值Wp。

Taber試驗機的測定是采用ASTM C501-84(2015)的耐磨試驗機，邊長為102 mm的方形試樣中間鉆孔并通過螺栓螺母固定在支座上，磨輪為橡膠磨輪CS-0外加80目(0.177 mm)剛玉砂紙S-33，測試載荷為9.8 N，轉(zhuǎn)盤以60 r/min速度轉(zhuǎn)600轉(zhuǎn)后使用表面輪廓儀測量環(huán)狀磨坑的橫截面積，結(jié)合其平均長度，計算得到研磨600轉(zhuǎn)下磨損體積平均值Vt。

2 結(jié)果與討論

2.1 無釉磚耐磨深度法的測試結(jié)果

圖2 拋光磚在無釉磚耐磨深度法下的磨損體積

圖2是5種拋光磚在無釉磚耐磨深度法下的磨損體積，其耐磨性能由大到小的順序為P1=P3=P4>P2>P5，磨損體積都小于175 mm3，都符合GB/T 4100—2015《陶瓷磚》標準中對干壓陶瓷磚(吸水率E≤3%)耐磨性的要求。除了磨損體積最大的P5，其余4種磚的結(jié)果相近，并且其中有3種磚數(shù)值一樣。無釉磚耐磨深度法測試前要進行壓力調(diào)校，即用F80(ISO 8486-1)剛玉磨料150轉(zhuǎn)后，在石英玻璃上產(chǎn)生弦長為(24±0.5) mm的磨坑。由此可知，在該標準條件下磨輪和磨粒對磚表面具有較強的破壞作用。由于磨坑邊緣存在毛刺以及有一定的邊界弧度，測量磨坑的弦長時只要求精確至0.5 mm，導致測量的精確度有限，只能給出粗略的評判。

當用無釉磚耐磨深度法直接測量拋釉磚時，釉層在未達到額定的150轉(zhuǎn)前已經(jīng)被磨穿。因此，不能在標準條件下測量有釉磚。若要減少研磨深度，可以通過減少磨輪磨損圈數(shù)和降低磨輪載荷?？紤]到無釉磚耐磨深度法測試前是用石英玻璃進行壓力調(diào)校，為了更好地評判調(diào)整參數(shù)后的磨損情況，本研究選用石英玻璃作為參照樣品，研究是否能通過調(diào)整參數(shù)實現(xiàn)有釉磚耐磨性的評判。由表1磨坑形貌和研磨深度的結(jié)果可知，在標準條件下磨坑邊緣存在輕微的毛刺和邊界弧度，磨坑的研磨深度約為363 μm，遠遠大于常規(guī)有釉磚的釉層厚度(低于100 μm)。當在標準壓力40 N下磨輪轉(zhuǎn)數(shù)由150轉(zhuǎn)減少到15轉(zhuǎn)時(表1中條件A)研磨深度由363 μm減少到92 μm，但此時磨坑邊緣的毛刺和邊界弧度都較為嚴重，會對弦長的測量結(jié)果造成較大的主觀誤差。當磨輪載荷由標準的40 N降低到6 N(低于6 N時磨輪會晃動，使得磨輪與樣品和磨料難以穩(wěn)定接觸)，磨輪轉(zhuǎn)數(shù)為50轉(zhuǎn)時(表1中條件B)研磨深度約為91 μm，此時磨坑邊緣的毛刺和邊界弧度一樣都較為嚴重，也難以作出精準的測量?？紤]到有釉磚的釉層硬度和耐磨性基本上都低于石英玻璃，無釉磚耐磨深度法測定有釉磚要實現(xiàn)有效區(qū)分時研磨深度將大于有釉磚的釉層厚度，因此該方法不適用于有釉磚耐磨性的測定。

綜上所述，無釉磚耐磨深度法不能同時對無釉磚和有釉磚作耐磨性的精確評判。

表1 不同條件下的磨坑形貌和研磨深度

2.2 有釉磚表面耐磨法的測試結(jié)果

圖3 拋光磚在有釉磚表面耐磨法下的磨耗值

圖3是5種拋光磚在有釉磚表面耐磨法12 000轉(zhuǎn)下的磨耗，其耐磨性能由大到小的順序為P3>P2>P4>P1>P5，并且5種拋光磚的磨耗值差異顯著。對比圖2可知，采用有釉磚表面耐磨法測磨耗的方法比采用無釉磚耐磨深度法測磨損體積的方法有更大的區(qū)分度，能實現(xiàn)精準量化?？紤]到拋光磚的體積密度差異較小，用磨耗結(jié)果來取代磨損體積結(jié)果可在不降低結(jié)果精確性的情況下使操作更為簡便。

表2是5種拋釉磚采用有釉磚表面耐磨法的目視評價分級和12 000轉(zhuǎn)下的磨耗值。結(jié)果顯示，在目視評價中，淺色磚具有較高的可見磨損的研磨轉(zhuǎn)數(shù)，可被評定為更高的耐磨性分級。反之，深色磚的可見磨損的研磨轉(zhuǎn)數(shù)較低，被判定的耐磨性分級也較低。例如白色磚G1的12 000轉(zhuǎn)磨耗值高達361 mg，但目視評價的結(jié)果是2 100轉(zhuǎn)和4級；棕色磚G3、灰色磚G5的12 000轉(zhuǎn)磨耗值分別為209 mg、172 mg，但目視評價的結(jié)果只是1 500轉(zhuǎn)和3級。同樣，G4的12 000轉(zhuǎn)磨耗值比G2低39%，但G4的可見磨損的研磨轉(zhuǎn)數(shù)并沒有比G2高，在目視評價中卻是更低。除了研磨轉(zhuǎn)數(shù)的跨度大導致區(qū)分精度有限外，目視評價是無法實現(xiàn)精確評判的根本原因。這是由于GB/T 3810.7—2016中規(guī)定目視評價是人站立在觀察箱外2 m處觀察試樣在裝有6 000～6 500 K熒光燈的觀察箱里的可見磨損痕跡情況。雖然磚在近距離看時已經(jīng)磨損得十分嚴重，但在觀察箱里卻有更多主觀因素的影響，導致在目視評價時淺色磚的釉面磨痕比深色磚的釉面磨痕更難目測識別。此外，拋釉磚和仿古磚不同的光澤度也會對目視評價造成很大的主觀影響。因此，用磨耗值來進行評價除了可以避免受樣品顏色和光澤等因素的影響，還能實現(xiàn)精確量化和有效區(qū)分。

表2 拋釉磚在有釉磚表面耐磨法下的測定結(jié)果

若將圖3中的5種拋光磚和表2中的5種拋釉磚在有釉磚表面耐磨法12 000轉(zhuǎn)下的磨耗值進行對比，其結(jié)果由小到大的排列順序為G4

圖4 拋光磚在Taber耐磨試驗法下的磨損體積

綜上所述，有釉磚表面耐磨法測磨耗的方法有效地避免了目視評價方法的不足，可同時對無釉磚和有釉磚作耐磨性的精確評判。

2.3 Taber耐磨試驗法的測試結(jié)果

圖4是5種拋光磚在Taber試驗機下的磨損體積，其耐磨性能由大到小的順序為P3>P4>P2>P1>P5，并且5種拋光磚的磨損體積差異顯著。對比圖2可知，同樣都是測量磨損體積，Taber耐磨試驗法結(jié)合表面輪廓儀時可得到更精確的結(jié)果，與有釉磚表面耐磨法測磨耗的方法一樣可對拋光磚的耐磨性實現(xiàn)有效的區(qū)分。

準確測量環(huán)狀磨坑(見圖5(a))的橫截面積是獲得磨損體積的關鍵步驟。當測量拋釉磚時，由于拋釉磚的拋光程度遠不如拋光磚，無法得到完全平整的釉面，用表面輪廓儀測量環(huán)狀磨坑橫截面時在有限的空間內(nèi)難以得到平整的基線(見圖5(b))，從而導致儀器難以讀取到準確的結(jié)果。若是有釉磚表面不平整(如仿古磚)，由于磨輪和釉面不能充分接觸，得到的磨坑更不規(guī)則,基線更不平整(見圖5(c))，用表面輪廓儀讀取數(shù)據(jù)時就更難得到準確的結(jié)果。此外，有釉磚的釉層和坯體存在一定的膨脹系數(shù)差異，在燒成冷卻的過程中釉層會產(chǎn)生應力，Taber耐磨試驗法制備樣品時需要在樣品中間開孔來固定樣品，則會破壞有釉磚釉層的應力狀態(tài)，使得結(jié)果可能會與實際不符。

綜上所述，Taber耐磨試驗法雖然能對無釉磚實現(xiàn)精確的評價，但并不太適合對有釉磚的測定。

圖5 環(huán)狀磨坑

3 結(jié) 論

(1)無釉磚耐磨深度法和Taber耐磨試驗法可通過磨損體積的大小對無釉磚進行耐磨性的測定，后者可獲得比前者更精確的結(jié)果，但兩者都不適合用于有釉磚耐磨性的測定。

(2)有釉磚表面耐磨法用磨耗質(zhì)量大小取代目視評價可得到更客觀和精準的結(jié)果，可同時用于無釉磚和有釉磚耐磨性的測定，有望突破原有標準的局限性。