陶瓷地磚防滑性能標準測試的論述*

龔 明 霍銘發 朱禮兵 蘭書元 胡江峰 曾 磊

(1 江西省建筑衛生陶瓷質量監督檢驗中心 江西 高安 330800)

(2 佛山市華夏建筑陶瓷研究開發中心有限公司 廣東 佛山 528000)

(3 江西建陶產業技術研究有限公司 江西 高安 330800)

近年來,滑倒或者跌倒所造成的事故層出不窮,而滑倒或摔倒在工作場所、公共場所時有發生。雖然輕微的滑倒或摔倒均無傷大雅,但國內外由于摔倒或滑倒導致重傷甚至死亡也時有發生。由于陶瓷磚的特性決定了其作為地面材料有較大的優勢,因此國內外均大量使用陶瓷磚作為地面材料。我國作為建筑陶瓷生產、出口大國,應該也必須對陶瓷磚作為地面材料時的防滑性能進行深入研究[1～2]。當然,因為地面防滑性能的測試是一個非常復雜的過程,因此用于表征陶瓷磚防滑性能的測試方法暫時無統一標準,現階段國內外開發出了多重用于表征地面材料防滑性能的測試方法及相關的設備。由于各種的測試方法和標準的測試參數不盡相同,所以不同測試方法得到的結果可能是沒有可比性的,有部分甚至于出現大相徑庭的情況。筆者通過對幾個主要的防滑測試方法進行詳細解讀,以實際經驗方便讀者理解這些防滑測試方法的測試結果在表征實際防滑性能的優缺點。

1 靜摩擦系數

1.1 陶瓷磚靜摩擦系數的概況

靜摩擦系數是指最大靜摩擦力的大小與接觸面間的正壓力成正比,與接觸面大小無關,其方向與運動趨勢的方向相反,比例系數就叫靜摩擦系數。靜摩擦系數兩個典型的測試標準是GB/T4100-2015 附錄M[3]《摩擦系數的測定》(該標準等同于GB/T 37798-2019附錄A《靜摩擦系數試驗方法》和ASTM C 1028-07[4]Standard Test Method for Determining the Static Coefficient of Friction of Ceramic Tile and Other Like Surfaces by the Horizontal Dynamometer Pull-Meter Method,上述的2標準測試方法均是陶瓷磚表面與橡膠之間的干燥或潮濕的條件下的靜摩擦系數,使用拉力計(或拉力測量裝置)測量出使滑塊組件與試樣開始產生水平移動的所需的水平力,從而計算出靜摩擦系數。但由于上述兩標準所使用的橡膠以及滑塊的重量均有明顯的差異,因此上述兩測試標準的結果有一定誤差(見圖1)[5]。

圖1 手動靜摩擦系數測定設備

1.2 現有靜摩擦系數檢測的問題

靜摩擦系數的檢測設備,所使用的橡膠表面平整,因此其默認測試要求試樣也需較為平整,而現有的建筑陶瓷產品,很多由于追求裝飾效果,都存在表面不平整的情況:例如洞石,以及大部分的仿古磚設計表面有一定的凹凸[6～11],對于這種產品,測試結果非常不穩定,測試數據事實上無太大的意義(見圖2)。

圖2 自動靜摩擦系數測定設備

靜摩擦系數的測試原理,決定了其拉力的方向必須與滑塊組件的移動方向一致,標準中所描述的是理想情況下的狀態,即試樣測試表面足夠水平,則這種情況下拉力方向為水平拉力,此時測試結果為理想結果。而通過大量的測試證明,由于各種客觀原因,例如試樣厚度不均勻或試樣表面或多或少出現無法察覺的輕微變形,因此試樣放置于水平面平臺時,哪怕試樣表面絕對平整,測試面均無法達到水平,在這種情況下,測試拉力的方向與滑塊組件的移動方向產生一定的偏差,當移動方向向下時,測試結果偏小,反之偏大。因此按標準測試時,會出現試驗4個測試方向結果存在很大的偏差的情況。而一般來說,靜摩擦系數測試的原理決定了測試結果只能代表測試的那個點的測試結果,而實際情況下,整片陶瓷磚表面的變形及厚度的不均勻是不規則的,無任何規律可言,因此會出現一片陶瓷磚不同的位置測試結果不一致的情況。

在測試的過程中,對于表面較為平整光滑的試樣(例如拋光磚、拋釉磚、超平釉磚等試樣),往往會出現濕態摩擦系數大于干態摩擦系數,這是主要原因是由于滑塊組件上的橡膠板與陶瓷地磚表面之間在重塊的作用下產生真空吸附力,因而不能準確反映陶瓷地磚靜摩擦系數的真實數據[12]。在這種情況下所獲得的數據也無實在意義。

2 動摩擦系數

2.1 陶瓷磚動摩擦系數的概況

動摩擦系數是彼此接觸的物體做相對運動時摩擦力和正壓力之間的比值。圖3為典型的動摩擦系數測試設備,該測試方法一般為自行行走裝置在待測表面勻速移動,用固定重塊下面的皮革或4 S橡膠,來測定陶瓷地磚在干燥或潮濕條件下的動摩擦系數。該方法很早前已被國外使用,有部分國家官方承認該方法,例如意大利DM 236/89法令要求地面材料動摩擦系數在0.4以上。曾經的英國陶瓷協會發布過推薦的動摩擦系數防滑性能評價方法見表1。

表1 英國陶瓷協會推薦的防滑性能評價方法

圖3 典型的動摩擦系數設備

但由于現有的測試設備及測試標準無法統一,因此不是同一型號的設備,由于其移動速度的不同,固定重塊的不同以及接觸塊的材質或形狀不一樣而使測試結果無任何可比性。

2.2 現有動摩擦系數測試的所存在的問題

由于該設備自帶行走動力裝置,大部分使用輪子驅動設備,在摩擦系數較低的表面容易出現驅動輪打滑的情況,從而降低了速度,有時還會出現移動速度不均勻的情況,從而影響最終測試結果,因此在測試過程(特別是濕法測試)中要關注是否有該情況發生。

由于該設備測試頭與測試表面的接觸面積較小,而且與測試面垂直,因此遇到表面不平整的測試樣時,有可能出現測試頭卡住試樣表面的情況,從而增加了測試時的阻力,從而導致測試結果偏高的情況(有部分設備測試頭的橡膠表面是弧形的,這種情況會有所改善),因此筆者認為該測試不適用于表面有明顯凹凸或有縫(例如馬賽克)類的試樣。

由于測試頭與試樣接觸面較小,只要有很少量的灰塵占在測試頭上時,灰塵會留在測試頭與試樣之間,使測試結果偏小,因此測試時,測試面非常干凈,以防測試頭在移動過程中在測試面上粘上灰塵。

有部分設備,測試頭為平面,該情況下在進行濕法測試時,也會出現靜摩擦測試所描述的情況,從而導致結果明顯偏高的情況。

3 擺錘法-擺式阻滑值(PTV 值)

3.1 擺錘法-擺式阻滑值的概況

此方法應用“擺的位能損失等于安裝于擺臂末端橡膠片滑過樣品表面時,克服表面等摩擦所作的功”這一基本原理,來計算橡膠片和陶瓷地磚表面的摩擦系數,較為典型的使用該方法的標準有GB/T 37798-2019附錄B和BS 7976-2:2003+A1:2013以及AS 4586-2013 Andt 1-2017,典型設備見圖4。

圖4 擺式摩擦系數測定儀

英國UK Slip Resistance Group 在UKSRG,2005推薦的防滑性能評價方法見表2。

表2 防滑性能評價

3.2 擺式摩擦系數(PTV 值)的測定所存在的問題

經查閱相關資料,該測試方法最早是用于測試公路的防滑性能,公路一般均勻性及平整度較為一致,估計鑒于這個原因,該測試方法設計測試的區域較小,使用最大的S96橡膠時,橡膠寬度為75 mm,在測試樣上滑動距離為126 mm,該面積只占試樣面積的較小部分。當該方法用于表面較為平整(事實上來說,陶瓷磚在實際中做不到絕對平整,而且在平整度測試時會發現,視覺上認為平整的產品,實際上均存在不規則的變形的情況)的陶瓷磚測試時,測試結果也不能保證一致,此情況下只能采取多點測試的方法,取多個樣品及同一樣品多個測試點的平均值作為最終測試結果,但實踐中發現該方法也無法達到滿意效果。

而針對異形磚,例如表面有不規則圖形的磚,筆者經過大量試驗,也暫時無法找到有效合理的處理辦法。而對于規則的而比較常規的異形磚,例如盲道磚、廣場磚等AS 4586-2013通過嚴格規定了測試的位置,從而保證了測試時的誤差,這種思路值得參考,但由于規定較為嚴格、甚至有點苛刻,因此在實際操作中不好控制。在測試過程中,由于測試橡膠在測試過程中與測試樣表面進行摩擦,在摩擦的過程中會產生橡膠顆粒,該橡膠顆粒會留在測試樣表面,在測試過程中阻止測試橡膠與測試面雙方面的直接接觸。即在測試后期,所產生的橡膠顆粒會在測試橡膠與測試面間滾動,在測試結果的表現上,會發現,當不停的進行重復試驗時,測試結果會不斷的降低,當進行干法測試時,可通過使用毛刷,每做一次測試,就對表面進行清潔,即可解決,但對于濕法測試時,只能通過切底清洗表面來解決該問題。

4 斜坡法臨界角

4.1 斜坡法臨界角的概況

試驗人員在用試件鋪成的有一定坡度的斜面上來回行走,行走過程中逐漸增加斜坡的角度直至能夠在斜坡上安全行走的極限角度,以此作為臨界角反映試件表面的防滑程度。由于其測試方法時模擬實際的使用場景,因此該測試方法結果較為符合實際情況。使用該方法的標準有DIN 51097-1992、DIN 51130-2010、GB/T 37798-2019和AS 4586-2013 Andt 1-2017等。該測試方法包括兩種,第一種是測試者在穿著指定鞋在涂抹機油的實驗板上來回行走,實驗板以一定的速度從水平開始逐漸傾斜,直到測試者在行走中出現不安全的跡象。第二種與第一種的設備原理及設備一致,但測試條件有所不同,為測試者赤足在潮濕的實驗板上行走。該法模擬實際的使用過程,測試地面材料在赤足、濕滑條件下的防滑性能,包括陶瓷、浴室墊等在內的多種類型的地面材料的防滑性能均可按照該標準進行測試。斜坡法的典型設備見圖5;GB/T 37798-2019[13]在斜坡法中防滑等級的劃分見表3、表4。

表3 斜坡法(赤腳、濕態)防滑等級

表4 斜坡法(穿鞋、抹油)防滑等級

圖5 斜坡法的典型設備

4.2 斜坡法臨界角測試所存在的問題

筆者經過長時間的試驗驗證,該測試方法對實驗員的體重要求較為敏感,當測試員之間的體重相差較大時,雖然使用標準版校準,但結果不太理想。有部分標準通過限定測試員體重的方法來解決該問題。通過筆者的驗證,初步得出,體重較重時,測試結果偏高,當然由于實驗室人員較少,結果不一定具有代表性。

當進行斜坡法(穿鞋、抹油)測試時,試樣測試結果較大,是由于測試用鞋與試樣摩擦力較大,在測試后期,即鞋與試樣產生相對滑動的時候,產生大量的橡膠粉末,從而降低了后期重復試驗時的測試結果,該現象表現在測試結果越測越小。當然這個情況可通過對樣品進行清洗,再進行測試即可解決。

通過上述對各種防滑相關測試方法的介紹以及筆者在日常實踐中所發現其測試方法的問題,筆者推薦使用斜坡法進行防滑性能的評價,其理由如下:

只有斜坡法存在標準樣品(即校準用標準版),即可認為只有斜坡法是直接測試法,其他均是通過間接的方法測出所需要的值,也因為存在標準樣品,因此能有效的減小其他因素對測試結果的影響,測試結果的準確性更有保障。

由于該測試的原理均基于實際情況的模擬,因此測試結果更接近與現實。在長期的實踐中發現,該方法是上述眾多測試方法中測試結果最為穩定,測試重復性和再現行最好的測試方法。

5 結語

綜上所述,我國是世界最大的陶瓷磚生產國,經觀察,現已有多家陶瓷企業推出注重安全的防滑產品,但由于各種各樣的原因,陶瓷地磚防滑性能的測試和評價方面均落后于國外,就現有的國內的測試方法均直接采用國外標準,以至于企業對防滑的評價缺乏明確的依據,從而影響了陶瓷地磚產品防滑性能的提高。因此,國家應加大對力度盡快制定和完善現有的一種套的防滑評價體系,從而促進我國陶瓷磚防滑技術水平不斷提高,有效保護公眾的健康安全。