趙 玨，曹 偉，張 進(jìn)，吳 珍，張 杉，曹瑩瑩

（中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

環(huán)氧砂漿廣義來(lái)講包括環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥基材料（也就是在水泥基材料中加入環(huán)氧樹(shù)脂，對(duì)水泥基材料的韌性、粘結(jié)能力、耐腐蝕性等性能進(jìn)行改善所制成的環(huán)氧改性砂漿）和環(huán)氧基砂漿（環(huán)氧基材料中加入骨料制成的環(huán)氧基砂漿）。由于水泥基和環(huán)氧基的主要構(gòu)成成分的差別，使得兩種基材的各項(xiàng)性能都存在著較大的差異。經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂改性的水泥基材料同時(shí)具有著水泥基材料和環(huán)氧基材料兩種基材的特性。

耐磨性是指物體表面抗磨損的能力。磨損一般需要一定時(shí)間的積累由外部進(jìn)行的破壞，關(guān)系到材料的耐久性能。因?yàn)榄h(huán)氧砂漿與水泥基砂漿的性能差異，所以兩種材料的耐磨性也存在著明顯的差異。

在之前的研究中，依據(jù)水泥基材料的工作環(huán)境是否有大量水流沖刷，分為過(guò)流面和非過(guò)流面應(yīng)用環(huán)境。環(huán)氧改性砂漿因?yàn)槠渚哂袃?yōu)異的流動(dòng)性、粘結(jié)性以及耐腐蝕性和防水性，廣泛應(yīng)用在過(guò)流面防護(hù)的環(huán)境中，例如水利水電、水工混凝土中。但是因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能，現(xiàn)在用于非過(guò)流面的防護(hù)也逐漸增多。但是非過(guò)流面的耐磨性試驗(yàn)方法和過(guò)流面的耐磨性試驗(yàn)方法有著明顯的差別。本文將采用非過(guò)流面的耐磨性試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)試環(huán)氧砂漿，確認(rèn)其對(duì)環(huán)氧砂漿的適用性。

1 環(huán)氧改性砂漿材料的現(xiàn)狀［1］

波特蘭水泥發(fā)明一個(gè)世紀(jì)之后，有研究人員開(kāi)始將聚合物加入水泥基材料中，來(lái)增加材料的粘結(jié)性能和耐腐蝕性能。到了 20 世紀(jì) 80 年代，隨著全球工業(yè)化發(fā)展和高分子合成工藝的提升，聚合物改性水泥基材料得到了長(zhǎng)足發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

環(huán)氧改性砂漿也屬于聚合物改性砂漿的一種。經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂改性的水泥基材料有著以下優(yōu)點(diǎn)。

1）化學(xué)性能穩(wěn)定、相較水泥基材料更密實(shí)，具有抗?jié)B、抗凍、耐鹽、耐堿、耐弱酸腐蝕的性能。

2）具有高粘結(jié)力（＞4 MPa），高抗壓強(qiáng)度 （＞100 MPa），高抗折強(qiáng)度（＞30 MPa）且不受結(jié)構(gòu)形狀限制。

3）柔韌性良好——具有良好的柔韌性和抗沖擊性能，能夠抵抗外力引起的變形，降低體系產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，提高材料的適應(yīng)性能。

4）與混凝土的匹配性和耐久性能優(yōu)良——具有良好的抗老化和抗碳化性能，其線性熱膨脹系數(shù)（9.2×10-6/℃）較普通環(huán)氧砂漿（一般為［30～60］× 10-6/℃）大大降低，與混凝土（一般為［8～11］×10-6/℃）基本一致，涂層能與混凝土在不同溫度條件下實(shí)現(xiàn)同步變形，避免了因兩種材料的脹縮性能差異太大而使界面應(yīng)力過(guò)大，造成涂層脫空、開(kāi)裂。

主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋孩儆糜谒そㄖ镞^(guò)流面的保護(hù)，以及破壞后的修復(fù)；②用于混凝土建筑物的缺陷修補(bǔ)以及補(bǔ)強(qiáng)與加固處理；③用于化工、石油、工廠、碼頭等混凝土或金屬構(gòu)件抗酸堿鹽腐蝕的防護(hù)與修補(bǔ)；④用于公路、橋梁、機(jī)場(chǎng)跑道、車(chē)間等工程部位的抗磨損防護(hù)與修補(bǔ)等。其中包括過(guò)流面表面的防護(hù)應(yīng)用，同時(shí)也有非過(guò)流面表面的防護(hù)應(yīng)用。

2 非過(guò)流面耐磨性測(cè)試方法的磨損機(jī)理分析

在前面的研究中提到，建筑物、構(gòu)筑物表面在磨損的過(guò)程中主要再兩種環(huán)境下進(jìn)行，分別是：過(guò)流面磨損和非過(guò)流面磨損。過(guò)流面磨損的環(huán)境中，耐磨性的主要測(cè)試方法有 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(shù)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））含砂水流的抗沖磨試驗(yàn)方法。在水工混凝土的工程應(yīng)用中，上述方法已經(jīng)廣泛用于測(cè)試環(huán)氧砂漿在含砂水流中的抗沖磨性能，所以本文不加以贅述。

在非過(guò)流面的表面磨損環(huán)境下，耐磨性的測(cè)試方法主要有 GB/T 12988－2009《無(wú)機(jī)地面材料耐磨性能試驗(yàn)方法》和 JC/T 985－2017《地面用水泥基自流平砂漿》標(biāo)準(zhǔn)中的鋼輪式耐磨測(cè)試方法；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》和 JG/T 270－2010《工業(yè)構(gòu)筑物水泥基耐磨材料》標(biāo)準(zhǔn)中的花刀式耐磨測(cè)試方法；GB/T 16925－1997《混凝土及其制品耐磨性試驗(yàn)方法（滾珠軸承法）》和 JC/T 906－2002《混凝土地面用水泥基耐磨材料》標(biāo)準(zhǔn)中的滾珠軸承式耐磨測(cè)試方法。非過(guò)流面的耐磨性測(cè)試方法主要用于測(cè)試水泥基材料的耐磨性，因?yàn)榄h(huán)氧砂漿與水泥基砂漿的材料特性有很大不同，所以要驗(yàn)證測(cè)試方法是否可以反映出環(huán)氧砂漿耐磨性的實(shí)際值。

在分析非過(guò)流面耐磨性測(cè)試方法的磨損機(jī)理前，我們可以結(jié)合金屬的機(jī)械磨損機(jī)理［2］來(lái)分析一下水泥基的磨損機(jī)理［3］。

首先，材料的主要磨損方式分為：黏著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、其他磨損形式。

2.1 黏著磨損

當(dāng)摩擦副相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于黏著效應(yīng)所形成的結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，此類(lèi)磨損稱為黏著磨損，如圖 1、2 所示。

圖1 黏著磨損示意圖

圖2 黏著磨損示意圖

黏著磨損是兩種材料相互摩擦?xí)r最直接的磨損方式。硬度低的材料會(huì)受到硬度高的材料帶給他的切向力，當(dāng)切向力高于硬度低的材料的分子結(jié)合力時(shí)，硬度低的材料就會(huì)被剝離出基體。簡(jiǎn)單黏著磨損計(jì)算（Archard 模型），簡(jiǎn)化后公式（1）為：

式中：K為黏著磨損系數(shù)；L為滑動(dòng)距離；W為法向載荷；σy為較軟材料的硬度。

由此可以得出黏著磨損三定律：①材料磨損量與滑動(dòng)距離成正比；②材料磨損量與法向載荷成正比；③材料磨損量與材料的硬度成反比。

基于磨損理論，在黏著磨損發(fā)生時(shí)，被磨損材料的抗切向力能力越高，它的耐磨性就會(huì)越好。另外，材料塑性越高，黏著磨損越嚴(yán)重。

2.2 磨粒磨損

外界硬顆?；蛘呤苣ケ砻嫔系挠餐黄鹞锘虼植诜逶谀Σ吝^(guò)程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象，稱為磨料磨損，如圖 3 所示。除去摩擦體系外混入的顆粒，黏著磨損也會(huì)產(chǎn)生大量磨損脫落的顆粒，所以磨粒磨損是最普遍的磨損形式。

圖3 磨粒磨損示意圖

磨粒磨損簡(jiǎn)化模型：根據(jù)微觀切削機(jī)理得出，即拉賓諾維奇（Rabinowicz）模型，假定單顆磨粒形狀為圓錐體，半角為θ，法向載荷為W，壓入深度為h，互動(dòng)距離為S，屈服極限σs，被磨損材料硬度為H，B為壓入弦長(zhǎng)，所得公式（2）如下：

單位滑動(dòng)距離的磨損體積（磨損量）計(jì)算公式（3）如下：

式中：KA為磨粒的形狀系數(shù)；W為法向載荷；H為被磨損材料硬度。

依據(jù)簡(jiǎn)化模型可知：磨損量與滑動(dòng)距離以及法向載荷成正比；和被磨損材料硬度成反比；還與磨粒的形狀系數(shù)和硬度有關(guān)。一般磨料尺寸越大磨損量越大，磨粒的硬度小于材料的硬度磨損量越小。當(dāng)磨粒的硬度超過(guò)材料硬度時(shí)越高則磨損量越大，但是提高到一定程度磨損量是會(huì)飽和的。

2.3 疲勞磨損

摩擦接觸面在交變接觸壓力應(yīng)力的作用下，材料表面因疲勞損傷而引起表面脫落的現(xiàn)象，如圖 4 所示。

圖4 疲勞磨損示意圖

影響疲勞磨損的因素：接觸疲勞磨損過(guò)程十分復(fù)雜，影響因素繁多，可以歸納為以下四個(gè)方面：①在干摩擦或潤(rùn)滑條件下的宏觀應(yīng)力場(chǎng)，摩擦系數(shù)越大疲勞磨損越大；②被摩擦材料的力學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)度越高疲勞磨損越??；③材料內(nèi)部缺陷的幾何形狀和分布密度；④潤(rùn)滑劑或介質(zhì)與被摩擦材料的作用。

疲勞磨損是進(jìn)行多次摩擦，由于被磨材料反復(fù)受到壓應(yīng)力和切向應(yīng)力的作用，最終導(dǎo)致疲勞破壞的磨損，所以一般要經(jīng)過(guò)大量的摩擦次數(shù)的積累，才能得到一定的磨損量。

以上為材料表面磨損的主要磨損方式，其他磨損方式在環(huán)氧砂漿表面的作用較少，在這里不多做贅述。結(jié)合這三種磨損機(jī)理的作用方式，我們可以分析得出非過(guò)流面表面磨損的三種主要耐磨性測(cè)試方法的主要磨損機(jī)理。

鋼輪式耐磨性測(cè)試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。

花刀式耐磨性測(cè)試方法的磨頭上的花輪都是可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的，黏著磨損會(huì)降低；磨下來(lái)的碎屑被吸塵器及時(shí)吸走，磨料磨損也會(huì)很??；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。但是因?yàn)樵撛囼?yàn)方法是干摩擦，所以摩擦系數(shù)相對(duì)于濕摩擦要高很多，也會(huì)產(chǎn)生更大的磨損量。其磨損機(jī)理為：疲勞磨損（干摩擦）＞＞黏著磨損、磨料磨損。

滾珠軸承式耐磨性測(cè)試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(guò)，不僅可以帶走磨損下來(lái)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。

以上三種非過(guò)流面耐磨性測(cè)試方法（鋼輪式耐磨性測(cè)試方法、花刀式耐磨性測(cè)試方法、滾珠軸承式耐磨性測(cè)試方法）是現(xiàn)在實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)用最多的非過(guò)流面耐磨性測(cè)試方法。所以下文中采用不同的環(huán)氧改性砂漿，使用這三種方法測(cè)試方法分別進(jìn)行測(cè)試，分析其結(jié)果的對(duì)環(huán)氧砂漿的適用性。

3 環(huán)氧改性砂漿的非過(guò)流面耐磨性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文主要進(jìn)行了不同強(qiáng)度等級(jí)的環(huán)氧改性砂漿的耐磨性測(cè)試，分析各個(gè)測(cè)試方法得到數(shù)據(jù)的適用性。

在實(shí)驗(yàn)中制備了四個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的環(huán)氧改性砂漿，分別為 HC10、HC20、HC40、HC80，同時(shí)與 M40 的水泥基砂漿進(jìn)行比較，得出數(shù)據(jù)如表 1 所示。

表1 非過(guò)流面耐磨性測(cè)試結(jié)果

對(duì)比四種強(qiáng)度等級(jí)的環(huán)氧改性砂漿測(cè)試結(jié)果，隨著抗壓強(qiáng)度的增加，抗折強(qiáng)度也隨之增加，各個(gè)耐磨性也隨之變好。具體數(shù)值變化如表 2 所示。

表2 數(shù)值變化率

結(jié)合表 1 和表 2 來(lái)看，HC10、HC20、HC40、HC80 的抗折強(qiáng)度提高率比抗壓強(qiáng)度提高率要低很多，而且 HC40 比 M40 的抗折強(qiáng)度高 1 倍還多，可以得知：環(huán)氧改性砂漿比水泥基砂漿有更小的壓折比，經(jīng)環(huán)氧改性后的砂漿在較低的強(qiáng)度就有很好的韌性，并且隨著強(qiáng)度等級(jí)的增長(zhǎng)都一直保持著良好的韌性。從磨損機(jī)理來(lái)看，更好的抗切向力能力和更好的韌性可以有更好的耐磨性?？傮w來(lái)看，相同的抗壓強(qiáng)度，環(huán)氧改性砂漿比水泥基砂漿有更好的抗折強(qiáng)度和韌性，所以有更好的耐磨性。

HC10、HC20、HC40 的鋼輪式耐磨性和滾珠軸承耐磨性的增長(zhǎng)率更加接近于抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)率，并且比較 M40 的抗折強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，在抗折強(qiáng)度相近時(shí)，有著相近的耐磨度。以上兩種方法，可以較準(zhǔn)確地反映 HC10 至 HC40 這種低強(qiáng)度的耐磨性。

HC10、HC20、HC40 的花刀式耐磨性測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，在測(cè)試強(qiáng)度等級(jí)較低的 HC10 和 M40 時(shí)，都因?yàn)槟p量過(guò)大，磨坑深度過(guò)深，在測(cè)試轉(zhuǎn)數(shù)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的 40 轉(zhuǎn)時(shí)就強(qiáng)制終止了測(cè)試。所以花刀式耐磨性測(cè)試方法的耐磨性測(cè)試下限最高，較低強(qiáng)度的砂漿就無(wú)法準(zhǔn)確反映出耐磨性。而且由于花刀式耐磨性測(cè)試方法的最終結(jié)果是通過(guò)測(cè)試每 m2磨損的質(zhì)量進(jìn)行表征的。所以如果被磨損材料的密度有差異，磨損相同質(zhì)量的材料時(shí)，該材料被磨損程度也會(huì)有所差別。也就是不同密度的材料產(chǎn)生相同磨坑深度時(shí)，測(cè)得的磨損質(zhì)量會(huì)有差異。經(jīng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中用的環(huán)氧改性砂漿的密度是水泥基砂漿的 70 % 左右，所以它的花刀式耐磨性結(jié)果比水泥基砂漿的結(jié)果小很多，但是實(shí)際被磨損程度并不會(huì)比水泥基砂漿好很多。一般環(huán)氧砂漿中都有大量的環(huán)氧物質(zhì)加入，會(huì)使砂漿的密度降低，所以不建議采用花刀式耐磨性結(jié)果同時(shí)對(duì)環(huán)氧砂漿和水泥基砂漿進(jìn)行比較。

HC80 的環(huán)氧改性砂漿必須單獨(dú)進(jìn)行說(shuō)明，該等級(jí)的環(huán)氧改性砂漿有著極高的抗折強(qiáng)度和彎曲韌性，所以在 3 種耐磨性測(cè)試方法測(cè)試結(jié)束后，都沒(méi)有造成較大的磨損，并且耐磨性的增長(zhǎng)率也比抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)率要高很多。這是因?yàn)槟p量過(guò)低，第一：實(shí)驗(yàn)中誤差很大，第二：基于圖 5 磨損過(guò)程曲線圖［2］，當(dāng)磨損初期，磨損量較小的時(shí)候，磨損處于跑合磨損階段，磨損量和磨損時(shí)間（也就是測(cè)試方法中的轉(zhuǎn)數(shù)）并不是一個(gè)良好的線性關(guān)系，所以測(cè)試計(jì)算得到的耐磨性數(shù)值并不能真實(shí)地反映出環(huán)氧基砂漿的實(shí)際耐磨性關(guān)系。

圖5 磨損過(guò)程曲線圖

4 環(huán)氧基砂漿非過(guò)流面耐磨性測(cè)試方法的改進(jìn)展望

因?yàn)榄h(huán)氧基砂漿主體的基材是環(huán)氧樹(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂基材料相比較水泥基材料和環(huán)氧改性砂漿擁有更高的抗切向力的能力和更好的韌性。在實(shí)際測(cè)試中，強(qiáng)度高的環(huán)氧基砂漿抗折強(qiáng)度可以達(dá)到 20 MPa 以上，滾珠軸承耐磨性可以達(dá)到 20 以上，花刀式耐磨性可以小于 0.03 kg/m2，鋼輪式耐磨性可以小于 30 mm3。測(cè)試得到的耐磨性數(shù)據(jù)要遠(yuǎn)好于水泥基材料的 10 倍以上，測(cè)試后試塊上被磨損的量非常小，幾乎只是表皮一層被磨損，或者只能看到輕微的磨痕，被磨損程度比環(huán)氧改性砂漿還要小很多。所以也存在著耐磨性結(jié)果無(wú)法反應(yīng)材料耐磨性實(shí)際關(guān)系的問(wèn)題。

我們下一步的研究就是結(jié)合磨損機(jī)理對(duì)非過(guò)流面耐磨性測(cè)試方法進(jìn)行調(diào)整，加大其磨損效果，使磨損進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的穩(wěn)定磨損階段，這樣通過(guò)測(cè)試計(jì)算得出的數(shù)值才能正確地反映出環(huán)氧基砂漿的耐磨性。

5 結(jié)語(yǔ)

環(huán)氧砂漿用于非過(guò)流面的防護(hù)越來(lái)越多，但是沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。我們嘗試用檢測(cè)水泥基砂漿的三種耐磨性測(cè)試方法對(duì)環(huán)氧改性砂漿進(jìn)行檢測(cè)。分析檢測(cè)結(jié)果可知：①相同抗壓強(qiáng)度等級(jí)的環(huán)氧改性砂漿比水泥基砂漿有更好的韌性、抗折強(qiáng)度和耐磨性。②比起抗壓強(qiáng)度，耐磨性與抗折強(qiáng)度的關(guān)系更加密切。③鋼輪式耐磨性測(cè)試方法和滾珠軸承式耐磨性測(cè)試方法可以相對(duì)準(zhǔn)確地反映低強(qiáng)度等級(jí)的環(huán)氧改性砂漿的耐磨性?；ǖ妒侥湍バ詼y(cè)試方法因?yàn)槠錅y(cè)試的下限高，上限低，并且會(huì)因?yàn)椴牧系拿芏炔町悓?duì)結(jié)果產(chǎn)生較大差異，所以不建議用于測(cè)試環(huán)氧改性砂漿。④因?yàn)槿N耐磨性測(cè)試方法的磨損效果有限，無(wú)法準(zhǔn)確反映高強(qiáng)度的環(huán)氧砂漿的耐磨性。更好地理解各種測(cè)試方法的磨損機(jī)理后，我們可以在后續(xù)研究中結(jié)合各個(gè)測(cè)試方法的磨損機(jī)理，調(diào)整測(cè)試方法的參數(shù)，來(lái)增加磨損量和磨損效果，使高強(qiáng)度的環(huán)氧砂漿和低強(qiáng)度的環(huán)氧砂漿都能進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，確定能夠有效地測(cè)試環(huán)氧砂漿耐磨性的測(cè)試方法。Q