環氧砂漿的三種非過流面耐磨性測試方法適用性分析

趙 玨，高正陽，趙 陽，張 進，馬 郁，曹元堃

（1.建研院檢測中心有限公司，北京 100013；2.火箭軍后勤部工程代建管理辦公室，北京 100192）

0 引言

環氧砂漿主要包含兩種類型：一種是環氧樹脂改性水泥基砂漿，即在水泥基材料中加入環氧樹脂，再配合砂子作為骨料組成的砂漿。因為加入環氧樹脂，對水泥基材料的粘結性能、韌性以及耐腐蝕性能等有一定的改善效果。另一種是環氧基砂漿，是以環氧材料為基材的主體，在其中加入砂子骨料制成的砂漿。其主要的物理性能和化學性能更接近環氧樹脂材料。

在之前的研究中表明環氧砂漿具有流動度、韌性、粘結能力、防水性能和耐腐蝕性能。環氧砂漿之前廣泛應用在過流面的表面防護中，但也因其有諸多優點，所以現在也逐漸應用在非過流面的表面防護中。但是非過流面和過流面的耐磨性測試方法從機理上、設備上和方法上都有著顯著的差別［1］，常見的三種非過流面的耐磨性測試方法都對于環氧砂漿都有一定適用性的問題［2］。

1 現有的非過流面耐磨性測試方法對環氧砂漿的適用性分析

在之前的研究論文［1］中提到：滾珠軸承耐磨性測試方法、花輪式耐磨性測試方法和鋼輪式耐磨性測試方法是非過流面耐磨性的三種最常用的測試方法。

因為環氧基砂漿主體的基材是環氧樹脂，所以它比起水泥基為主體的材料有更好的韌性以及更高的抗切向力的能力。依據測試經驗來看，高強度（80 MPa 以上）環氧砂漿的抗折強度可以達到 20 MPa 以上，滾珠軸承測試的耐磨度可以達到 10 以上，花輪式耐磨性測試的耐磨損適量會＜0.02 kg/m2，鋼輪式耐磨性測試的磨損體積可以＜45 mm3。實際測試出的耐磨性數據會比水泥基材料高 10 倍以上［2］。但試塊經測試后被磨損程度（體積損失或者質量損失）非常小，只是材料表面一層輕微磨損，或者只有輕微的磨痕，如圖1 所示，由于被磨損量過低，所以被磨損程度并不能準確的反應材料的耐磨性。

圖1 試塊磨損過程

磨損量過低會導致兩個問題。第一：實驗誤差很大?，F有的非過流面耐磨性的測試方法主要采用測試試件磨損后的被磨損程度來表征其耐磨性。無論是測試的質量損失還是磨槽深度如果數值過小，必定導致測試的誤差占比偏大，數據不穩定。第二：試驗的磨損時間（磨損轉數）與實際的磨損量不是線性關系?；谀p過程曲線圖［3］，依據機械磨損理論當磨損程度過低時，磨損階段處在跑合磨損階段，磨損量（體積損失或質量損失）和磨損時間（磨損轉數）不是真正的線性關系［3］。所以在此階段，由測試得到的磨損量計算的耐磨性并不能真實、準確地反映出環氧砂漿的實際耐磨性。

為了得到真實準確的耐磨性數據，基于磨損過程曲線圖，提高三種非過流面耐磨性測試方法的磨損量，隨著磨損進程的推進，就會進入相對穩定的穩定磨損階段，測試的耐磨性數據就可以準確地反映出被磨損材料的耐磨性。

因此，分別將鋼輪式耐磨測試方法和滾珠軸承式耐磨測試方法的磨損時間（轉數）提高，以及將花輪式耐磨測試方法的磨損時間（轉數）和配重（法向載荷）提高，繪制出磨損量-磨損時間（轉數）曲線圖，通過分析曲線圖、尋找穩定磨損階段，來確定三種耐磨性測試方法的適用性區間。

采用的環氧砂漿的物理性能如表1 所示。

表1 環氧砂漿強度等級 MPa

高強度的環氧砂漿抗壓強度一般在 80～120 MPa，并且抗折強度遠大于水泥基耐磨材料，因此選用一種 100 MPa 強度等級的環氧砂漿進行三種耐磨性測試方法的適用性測試，并繪制磨損量-磨損時間（轉數）曲線圖，結果如下。

2 鋼輪式耐磨性測試方法的適用性分析

鋼輪式耐磨性測試方法的磨損量-磨損時間曲線圖如圖2 所示。

圖2 鋼輪式耐磨性測試方法磨損量—磨損時間曲線圖

筆者將耐磨時間從原標準方法［4］的 40 s 提高至200 s 得到了一條磨損體積與磨損時間的曲線。從圖4 中可以看出從 40～200 s 磨損體積和磨損時間呈現出了一條比較穩定的關系，將數據擬合以后線性的相關系數R2為 0.987 4，有很好的線性相關性，說明通過 40 s 以上的磨損，磨損進程已經經過跑合磨損階段進入穩定磨損階段，處在本階段磨損量已經可以反應出被磨損材料的實際耐磨性。結合之前對低強度環氧砂漿的測試數據來看，適當提高磨損時間的鋼輪式耐磨性測試方法對環氧砂漿的測試中有最好的適用性，該方法對高強度和低強度的環氧砂漿都可以有很好的適用性。

3 花輪式耐磨性測試方法的適用性分析

花輪式耐磨性測試方法的磨損量-磨損轉數曲線如圖3 所示。

圖3 花輪式耐磨性測試方法磨損量-磨損轉數曲線圖

先采用標準方法［5］要求的 200 kN 的配重（法向載荷）進行耐磨性測試，進行至標準要求的 40 轉時被磨損的質量都不到 0.1 g，使用的天平精度不足都無法測量到。直至磨損至 320 轉磨損量也只不到 1 g，磨損量太低以至于無法將環氧砂漿表面完全抹除。

所以筆者希望通過調整別的參數來提高磨損效率加速磨損進程，盡快進入穩定磨損階段。從測試方法和磨損機理［1］分析可知，疲勞磨損和粘著磨損都會隨著法向載荷的增加而增加。花輪式耐磨性測試方法的設備可以增加配重，將法向載荷提高至 300 kN。增加法向載荷后可以看到隨著轉數的提高，磨損量也相應增加了，在 200～300 轉曲線出現了一個拐點，分析可能在此時環氧砂漿表面已經被完全磨損，磨損之后就進入到了環氧砂漿的材料內部，并且將此后的磨損量和磨損轉數的數據進行線性擬合后R2為：0.9971，形成了一個比較穩定的線性關系，判斷應該已經進入了穩定磨損階段。因此可以推斷對于 100 MPa 級別的環氧砂漿，花輪式耐磨性測試方法需要將法向載荷增加至 300 kN，磨損轉數增加至 300 轉之后才能有一定的適用性。但是對于 40 MPa 等級以下的環氧砂漿來講，法向載荷為200 kN，轉數為 40 轉的標準測試方法都會造成大量的磨損，導致測試試驗無法完成。

所以花輪式耐磨性測試方法無法兼顧高強度和低強度的環氧砂漿的耐磨性測試，該種測試方法對環氧砂漿耐磨性的適用性范圍最窄。而且因為耐磨性由單位面積的質量損失表示，所以被測材料的密度差異會對耐磨性的計算結果產生較大影響［2］，所以對于環氧砂漿耐磨性測試的適用性最差。

4 滾珠軸承式耐磨性測試方法的適用性分析

滾珠軸承式耐磨性測試方法的磨損量-磨損轉數曲線如圖4 所示。

圖4 滾珠軸承式耐磨性測試方法磨損量-磨損轉數曲線圖

筆者將耐磨時間從原標準方法［6］的 5 千轉提高至 52 千轉得到了一條磨損量—磨損轉數的曲線。從圖6 中可以看出與鋼輪式耐磨相似，曲線在 40 千轉左右出現了一個拐點?？赡茉诖藭r環氧砂漿表面已經被完全磨損，磨損之后就進入到了環氧砂漿材料的內部，并且之后磨損量和磨損轉數形成了一個比較穩定的關系，數據線性擬合后R2為：0.9985，線性相關性較好，判斷應該已經進入了穩定磨損階段。

圖6 中可以看出對于 100 MPa 等級以上的高強度環氧砂漿來講，通過增加磨損量（磨損轉數）是可以達到穩定磨損階段的。并且滾珠軸承式耐磨測試方法的耐磨度是由轉數的平方根和磨損深度的比值計算得出，并不是必須磨損到相應的轉數，如果低強度環氧砂漿磨損量在低轉數時磨損深度就達到了標準要求的上限（1.5 mm），則可以用低轉數與被磨損深度直接計算出低強度環氧砂漿相應的耐磨度。所以調整參數后的滾珠軸承式耐磨測試方法也對環氧砂漿有一定的適用性。

5 結語

對于高強度的環氧砂漿耐磨性的測試，現有方法由于磨損量太小，導致磨損處在跑合磨損階段，磨損量不能準確地反映材料的耐磨性；磨損量過小也會導致數據誤差對結果影響過大，使數據偏差大、不穩定；所以我們對三種測試方法進行了調整，繪制了磨損量-磨損時間（轉數）曲線圖，分別分析了其對環氧砂漿的適用性。

1）適當提高磨損時間（轉數）的鋼輪式耐磨性測試方法對環氧砂漿的測試有最好適用性，該方法對高強度和低強度的環氧砂漿都有較好的適用性。

2）滾珠軸承式耐磨性測試方法對高強度環氧砂漿的磨損效果有限，機械磨損都處在跑合磨損階段，如圖1 所示 Ⅰ 階段，所以無法準確反映高強度的環氧砂漿的耐磨性。通過提高磨損時間（轉數）的方法來提高磨損量，使機械磨損達到穩定磨損階段，如圖1 所示 Ⅱ 階段，可以有效反映出高強度環氧砂漿的耐磨性。并且滾珠軸承式耐磨測試方法的耐磨度是由轉數的平方根和磨損深度的比值計算得出，所以對應低強度環氧砂漿采用低轉數也可以測量出相應的耐磨性，因此調整參數后的滾珠軸承式耐磨測試方法也對環氧砂漿有一定的適用性。

3）花輪式耐磨性測試方法通過提高配重（提高法向載荷）和磨損轉數的方法來提高磨損量可以使高強度環氧砂漿的機械磨損到達穩定磨損階段，但是無法兼顧低強度的環氧砂漿測試，適用性范圍最窄，并且被測材料的密度差異會對耐磨性的計算結果產生較大影響［2］，所以對于環氧砂漿的耐磨性測試適用最差。

三種非過流面防護的耐磨性測試方法中對于環氧砂漿適用性最好的是適當提高磨損時間（轉數）的鋼輪式耐磨性測試方法；滾珠軸承式耐磨性測試方法經過調整轉數有一定的適用性，但是高轉數會大大加長測試時間，降低測試效率，增加設備磨損，所以有待商榷；花輪式耐磨性測試方法的有效測試范圍最小，不能兼顧高強度和低強度的環氧砂漿，所以對環氧砂漿耐磨性測試的適用性最差。Q