环氧砂浆的三种非过流面耐磨性测试方法适用性分析

赵 珏，高正阳，赵 阳，张 进，马 郁，曹元堃

（1.建研院检测中心有限公司，北京 100013；2.火箭军后勤部工程代建管理办公室，北京 100192）

0 引言

环氧砂浆主要包含两种类型：一种是环氧树脂改性水泥基砂浆，即在水泥基材料中加入环氧树脂，再配合砂子作为骨料组成的砂浆。因为加入环氧树脂，对水泥基材料的粘结性能、韧性以及耐腐蚀性能等有一定的改善效果。另一种是环氧基砂浆，是以环氧材料为基材的主体，在其中加入砂子骨料制成的砂浆。其主要的物理性能和化学性能更接近环氧树脂材料。

在之前的研究中表明环氧砂浆具有流动度、韧性、粘结能力、防水性能和耐腐蚀性能。环氧砂浆之前广泛应用在过流面的表面防护中，但也因其有诸多优点，所以现在也逐渐应用在非过流面的表面防护中。但是非过流面和过流面的耐磨性测试方法从机理上、设备上和方法上都有着显著的差别［1］，常见的三种非过流面的耐磨性测试方法都对于环氧砂浆都有一定适用性的问题［2］。

1 现有的非过流面耐磨性测试方法对环氧砂浆的适用性分析

在之前的研究论文［1］中提到：滚珠轴承耐磨性测试方法、花轮式耐磨性测试方法和钢轮式耐磨性测试方法是非过流面耐磨性的三种最常用的测试方法。

因为环氧基砂浆主体的基材是环氧树脂，所以它比起水泥基为主体的材料有更好的韧性以及更高的抗切向力的能力。依据测试经验来看，高强度（80 MPa 以上）环氧砂浆的抗折强度可以达到 20 MPa 以上，滚珠轴承测试的耐磨度可以达到 10 以上，花轮式耐磨性测试的耐磨损适量会＜0.02 kg/m2，钢轮式耐磨性测试的磨损体积可以＜45 mm3。实际测试出的耐磨性数据会比水泥基材料高 10 倍以上［2］。但试块经测试后被磨损程度（体积损失或者质量损失）非常小，只是材料表面一层轻微磨损，或者只有轻微的磨痕，如图1 所示，由于被磨损量过低，所以被磨损程度并不能准确的反应材料的耐磨性。

图1 试块磨损过程

磨损量过低会导致两个问题。第一：实验误差很大。现有的非过流面耐磨性的测试方法主要采用测试试件磨损后的被磨损程度来表征其耐磨性。无论是测试的质量损失还是磨槽深度如果数值过小，必定导致测试的误差占比偏大，数据不稳定。第二：试验的磨损时间（磨损转数）与实际的磨损量不是线性关系。基于磨损过程曲线图［3］，依据机械磨损理论当磨损程度过低时，磨损阶段处在跑合磨损阶段，磨损量（体积损失或质量损失）和磨损时间（磨损转数）不是真正的线性关系［3］。所以在此阶段，由测试得到的磨损量计算的耐磨性并不能真实、准确地反映出环氧砂浆的实际耐磨性。

为了得到真实准确的耐磨性数据，基于磨损过程曲线图，提高三种非过流面耐磨性测试方法的磨损量，随着磨损进程的推进，就会进入相对稳定的稳定磨损阶段，测试的耐磨性数据就可以准确地反映出被磨损材料的耐磨性。

因此，分别将钢轮式耐磨测试方法和滚珠轴承式耐磨测试方法的磨损时间（转数）提高，以及将花轮式耐磨测试方法的磨损时间（转数）和配重（法向载荷）提高，绘制出磨损量-磨损时间（转数）曲线图，通过分析曲线图、寻找稳定磨损阶段，来确定三种耐磨性测试方法的适用性区间。

采用的环氧砂浆的物理性能如表1 所示。

表1 环氧砂浆强度等级 MPa

高强度的环氧砂浆抗压强度一般在 80～120 MPa，并且抗折强度远大于水泥基耐磨材料，因此选用一种 100 MPa 强度等级的环氧砂浆进行三种耐磨性测试方法的适用性测试，并绘制磨损量-磨损时间（转数）曲线图，结果如下。

2 钢轮式耐磨性测试方法的适用性分析

钢轮式耐磨性测试方法的磨损量-磨损时间曲线图如图2 所示。

图2 钢轮式耐磨性测试方法磨损量—磨损时间曲线图

笔者将耐磨时间从原标准方法［4］的 40 s 提高至200 s 得到了一条磨损体积与磨损时间的曲线。从图4 中可以看出从 40～200 s 磨损体积和磨损时间呈现出了一条比较稳定的关系，将数据拟合以后线性的相关系数R2为 0.987 4，有很好的线性相关性，说明通过 40 s 以上的磨损，磨损进程已经经过跑合磨损阶段进入稳定磨损阶段，处在本阶段磨损量已经可以反应出被磨损材料的实际耐磨性。结合之前对低强度环氧砂浆的测试数据来看，适当提高磨损时间的钢轮式耐磨性测试方法对环氧砂浆的测试中有最好的适用性，该方法对高强度和低强度的环氧砂浆都可以有很好的适用性。

3 花轮式耐磨性测试方法的适用性分析

花轮式耐磨性测试方法的磨损量-磨损转数曲线如图3 所示。

图3 花轮式耐磨性测试方法磨损量-磨损转数曲线图

先采用标准方法［5］要求的 200 kN 的配重（法向载荷）进行耐磨性测试，进行至标准要求的 40 转时被磨损的质量都不到 0.1 g，使用的天平精度不足都无法测量到。直至磨损至 320 转磨损量也只不到 1 g，磨损量太低以至于无法将环氧砂浆表面完全抹除。

所以笔者希望通过调整别的参数来提高磨损效率加速磨损进程，尽快进入稳定磨损阶段。从测试方法和磨损机理［1］分析可知，疲劳磨损和粘着磨损都会随着法向载荷的增加而增加。花轮式耐磨性测试方法的设备可以增加配重，将法向载荷提高至 300 kN。增加法向载荷后可以看到随着转数的提高，磨损量也相应增加了，在 200～300 转曲线出现了一个拐点，分析可能在此时环氧砂浆表面已经被完全磨损，磨损之后就进入到了环氧砂浆的材料内部，并且将此后的磨损量和磨损转数的数据进行线性拟合后R2为：0.9971，形成了一个比较稳定的线性关系，判断应该已经进入了稳定磨损阶段。因此可以推断对于 100 MPa 级别的环氧砂浆，花轮式耐磨性测试方法需要将法向载荷增加至 300 kN，磨损转数增加至 300 转之后才能有一定的适用性。但是对于 40 MPa 等级以下的环氧砂浆来讲，法向载荷为200 kN，转数为 40 转的标准测试方法都会造成大量的磨损，导致测试试验无法完成。

所以花轮式耐磨性测试方法无法兼顾高强度和低强度的环氧砂浆的耐磨性测试，该种测试方法对环氧砂浆耐磨性的适用性范围最窄。而且因为耐磨性由单位面积的质量损失表示，所以被测材料的密度差异会对耐磨性的计算结果产生较大影响［2］，所以对于环氧砂浆耐磨性测试的适用性最差。

4 滚珠轴承式耐磨性测试方法的适用性分析

滚珠轴承式耐磨性测试方法的磨损量-磨损转数曲线如图4 所示。

图4 滚珠轴承式耐磨性测试方法磨损量-磨损转数曲线图

笔者将耐磨时间从原标准方法［6］的 5 千转提高至 52 千转得到了一条磨损量—磨损转数的曲线。从图6 中可以看出与钢轮式耐磨相似，曲线在 40 千转左右出现了一个拐点。可能在此时环氧砂浆表面已经被完全磨损，磨损之后就进入到了环氧砂浆材料的内部，并且之后磨损量和磨损转数形成了一个比较稳定的关系，数据线性拟合后R2为：0.9985，线性相关性较好，判断应该已经进入了稳定磨损阶段。

图6 中可以看出对于 100 MPa 等级以上的高强度环氧砂浆来讲，通过增加磨损量（磨损转数）是可以达到稳定磨损阶段的。并且滚珠轴承式耐磨测试方法的耐磨度是由转数的平方根和磨损深度的比值计算得出，并不是必须磨损到相应的转数，如果低强度环氧砂浆磨损量在低转数时磨损深度就达到了标准要求的上限（1.5 mm），则可以用低转数与被磨损深度直接计算出低强度环氧砂浆相应的耐磨度。所以调整参数后的滚珠轴承式耐磨测试方法也对环氧砂浆有一定的适用性。

5 结语

对于高强度的环氧砂浆耐磨性的测试，现有方法由于磨损量太小，导致磨损处在跑合磨损阶段，磨损量不能准确地反映材料的耐磨性；磨损量过小也会导致数据误差对结果影响过大，使数据偏差大、不稳定；所以我们对三种测试方法进行了调整，绘制了磨损量-磨损时间（转数）曲线图，分别分析了其对环氧砂浆的适用性。

1）适当提高磨损时间（转数）的钢轮式耐磨性测试方法对环氧砂浆的测试有最好适用性，该方法对高强度和低强度的环氧砂浆都有较好的适用性。

2）滚珠轴承式耐磨性测试方法对高强度环氧砂浆的磨损效果有限，机械磨损都处在跑合磨损阶段，如图1 所示 Ⅰ 阶段，所以无法准确反映高强度的环氧砂浆的耐磨性。通过提高磨损时间（转数）的方法来提高磨损量，使机械磨损达到稳定磨损阶段，如图1 所示 Ⅱ 阶段，可以有效反映出高强度环氧砂浆的耐磨性。并且滚珠轴承式耐磨测试方法的耐磨度是由转数的平方根和磨损深度的比值计算得出，所以对应低强度环氧砂浆采用低转数也可以测量出相应的耐磨性，因此调整参数后的滚珠轴承式耐磨测试方法也对环氧砂浆有一定的适用性。

3）花轮式耐磨性测试方法通过提高配重（提高法向载荷）和磨损转数的方法来提高磨损量可以使高强度环氧砂浆的机械磨损到达稳定磨损阶段，但是无法兼顾低强度的环氧砂浆测试，适用性范围最窄，并且被测材料的密度差异会对耐磨性的计算结果产生较大影响［2］，所以对于环氧砂浆的耐磨性测试适用最差。

三种非过流面防护的耐磨性测试方法中对于环氧砂浆适用性最好的是适当提高磨损时间（转数）的钢轮式耐磨性测试方法；滚珠轴承式耐磨性测试方法经过调整转数有一定的适用性，但是高转数会大大加长测试时间，降低测试效率，增加设备磨损，所以有待商榷；花轮式耐磨性测试方法的有效测试范围最小，不能兼顾高强度和低强度的环氧砂浆，所以对环氧砂浆耐磨性测试的适用性最差。Q