混凝土表面增硬劑的研究
2006-01-17 00:00
摘 要：敘述了該產(chǎn)品目前在國內(nèi)的狀況，分析了試驗(yàn)所需標(biāo)準(zhǔn)的適用性，介紹了材料的選擇、試驗(yàn)過程、試驗(yàn)結(jié)果及分析。
關(guān)鍵詞：增硬劑；試驗(yàn)方法；材料的非勻質(zhì)性；耐磨性能
20 世紀(jì)90 年代早期，國內(nèi)一些合資、外資企業(yè)率先在其廠房地面上采用了混凝土表面增硬劑（亦稱表面硬化劑）。當(dāng)時(shí)，國內(nèi)還沒有生產(chǎn)混凝土表面增硬劑的企業(yè)，混凝土表面增硬劑多為進(jìn)口。隨著產(chǎn)品需求量的增加，引起了一些科研部門和企業(yè)對該產(chǎn)品的關(guān)注，到上世紀(jì)90 年代后期，全國已經(jīng)有數(shù)家國外獨(dú)資企業(yè)、合資企業(yè)、國內(nèi)獨(dú)資企業(yè)生產(chǎn)混凝土表面增硬劑，混凝土表面耐磨材料在我國得到了迅速發(fā)展，但其中我國自主研制、生產(chǎn)的企業(yè)為數(shù)寥寥。
一方面，對諸如路面、停機(jī)坪、停車場等基礎(chǔ)工程既要求有良好的耐磨、抗沖擊性能，又要求具有良好的耐久性能。另一方面，在提高混凝土表面耐磨性能方面，我國工程界傳統(tǒng)的作法是在混凝土表面加鐵屑等材料以增加耐磨性。這些作法有其明顯的缺點(diǎn)，如混凝土表面加上鐵屑，在潮濕或有明水存在的環(huán)境下，鐵屑容易氧化生成氧化鐵產(chǎn)生體積膨脹，這種膨脹會(huì)對水泥石產(chǎn)生破壞作用，進(jìn)而影響混凝土表面的耐久性能。這種有市場需求，同時(shí)我國工程界傳統(tǒng)的作法又有缺陷這一矛盾共存的局面對我國科研部門、企業(yè)自主研制開發(fā)混凝土表面耐磨材料提供了一個(gè)良好的發(fā)展空間。
1 試驗(yàn)方法的分析與選用
我國目前在材料耐磨性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中，被普遍應(yīng)用的有《天然飾面石材試驗(yàn)方法耐磨性試驗(yàn)方法》（GB9966.4）與《無機(jī)地面材料耐磨性試驗(yàn)方法》（GB/T 12988）兩種。通過對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的分析研究，我們選擇《無機(jī)地面材料耐磨性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)作為本課題的試驗(yàn)方法，其原因如下：
（1）采用《無機(jī)地面材料耐磨性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，試件容易制作。《天然飾面石材試驗(yàn)方法耐磨性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中，要求試件為直徑尺寸25 mm±0.5 mm、長60 mm 圓柱體，這需要特殊模具或特殊方法如鉆心取樣等，試件制作比較煩瑣；而《無機(jī)地面材料耐磨性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中，要求試件平面尺寸不小于100 mm×15 mm 即可，試件制作比較容易。
（2）從材質(zhì)方面來講，采用《無機(jī)地面材料耐磨性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)更接近實(shí)際。《天然飾面石材試驗(yàn)方法耐磨性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中，天然石材主要是指花崗巖與大理石，這兩種材料結(jié)構(gòu)比較均勻致密；混凝土表面耐磨材料多為復(fù)合型，由膠結(jié)材、集料和改善施工性能的組分組成，屬非勻質(zhì)材料，在同一水平層面上有可能膠結(jié)材較多集料較少，或者膠結(jié)材較少集料較多，測試結(jié)果必然與實(shí)際情況存在很大誤差；而《無機(jī)地面材料耐磨性試驗(yàn)方法》是在一個(gè)固定區(qū)域向垂直方向進(jìn)行磨蝕試驗(yàn)，在一定時(shí)間內(nèi)圓弧形試驗(yàn)器具可以磨蝕試件的多個(gè)層面，可以減小材料的非勻質(zhì)性帶來的誤差。
（3）從試驗(yàn)結(jié)果的表述方面來看，采用《無機(jī)地面材料耐磨性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表述更為科學(xué)。《天然飾面石材試驗(yàn)方法耐磨性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中，試驗(yàn)結(jié)果是以完成規(guī)定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)材料的磨損率來表述的，是一個(gè)相對值。這種結(jié)果表述方法對比較同質(zhì)材料的耐磨性可能不會(huì)有誤差，但對比較人工成型、不同質(zhì)、非勻質(zhì)、不同密度材料的耐磨性而言，其誤差是顯而易見的；而《無機(jī)地面材料耐磨性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中，試驗(yàn)結(jié)果是以規(guī)定時(shí)間內(nèi)材料的磨損體積或磨坑長度來表述的，是一個(gè)絕對值。這種表述方法不論材料有什么不同，其結(jié)果能比較公正地反映出材料的耐磨性，且更為直觀。
2 材料選擇與性能試驗(yàn)比較
混凝土表面耐磨材料是由膠結(jié)材、集料與改善施工性能的材料組成的，材料選擇是否得當(dāng)將直接影響最終產(chǎn)品的性能。所選材料應(yīng)具備性能良好、來源廣泛、價(jià)格適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)，在充分考慮這些原則的基礎(chǔ)上，我們選擇了如下幾種材料作為試驗(yàn)的原材料。
（1）膠結(jié)料：考慮表面耐磨材料與混凝土材料材質(zhì)的相容性、表面之間的粘結(jié)牢固性，選擇J1、J2 兩種材料作為試驗(yàn)用膠結(jié)料。
（2）集料：集料是表面耐磨材料的關(guān)鍵組成組分，對表面耐磨性能的影響至關(guān)重要。在充分考慮其應(yīng)具備性能良好、來源廣泛、價(jià)格適當(dāng)這些原則的基礎(chǔ)上，選擇由工業(yè)生產(chǎn)邊角余料形成的產(chǎn)品作為一種集料N1，其硬度為莫氏7～8；另外幾種為天然物質(zhì)經(jīng)加工形成的產(chǎn)品N2、N3、N4，N2、N3、N4 為同種材料但粒徑不同，其硬度為莫氏7；兩者均為非金屬耐磨材料。
3 性能試驗(yàn)比較
3.1 同種耐磨集料、不同配比的強(qiáng)度、耐磨性能的關(guān)系
考慮到這一試驗(yàn)的目的是比較配比與強(qiáng)度、耐磨性能的關(guān)系，所以只選擇J1、N1 混合料做為試驗(yàn)對象，試驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1 相同J、N，不同配比情況下強(qiáng)度和耐磨性能
按照《無機(jī)地面材料耐磨性試驗(yàn)方法》，一般規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間為1 min，為分析非勻質(zhì)材料的耐磨性能與試驗(yàn)方法的關(guān)系，試驗(yàn)時(shí)特采集了試驗(yàn)時(shí)間分別為1、2、3 min 時(shí)的數(shù)據(jù)，但在表述耐磨性能時(shí)以1 min 磨耗體積為準(zhǔn)。表1 中試驗(yàn)編號1～9 為N1/J1 逐漸增大，當(dāng)N1/J1 增大時(shí)，其強(qiáng)度基本體現(xiàn)出逐漸減小的態(tài)勢，而其磨耗體積則呈逐漸增大的趨勢，即，隨著強(qiáng)度的降低磨耗體積逐漸增大，但磨耗體積與強(qiáng)度之間并未呈現(xiàn)簡單的線性關(guān)系。當(dāng)N1 比例增加到一定值時(shí)，強(qiáng)度雖然降低，但其磨耗體積值卻有下降的趨勢。這說明耐磨性能不僅與強(qiáng)度有關(guān)系，而且與耐磨集料所占的比例有直接關(guān)系。從圖1、圖2 可以比較直觀地看出這一結(jié)果。
圖1 N1/J1 與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系
圖2 N1/J1 與耐磨性能的關(guān)系
3.2 不同耐磨集料、不同比例與強(qiáng)度、耐磨性能的關(guān)系
根據(jù)如上配比與強(qiáng)度、耐磨性能之間關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果，我們知道，同種集料不同配比所體現(xiàn)的強(qiáng)度和耐磨性能有較大的差別，從綜合性能、產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)因素方面來考慮，選擇編號為710—4、712—9 這兩組配比進(jìn)行試驗(yàn)，分別稱之為A 組配比、B 組配比。這個(gè)試驗(yàn)是在J、N 比例總體不變的情況下，改變N1、N2 之間的比例，測試不同耐磨集料、不同比例混合情況下強(qiáng)度和耐磨性能。通過試驗(yàn)得出表2 的結(jié)果。
表2 不同集料、不同配比情況下強(qiáng)度和耐磨性能
表2 的試驗(yàn)結(jié)果顯示：在強(qiáng)度方面，A 組配比在N1/N2增大時(shí)，強(qiáng)度在一點(diǎn)上有一個(gè)跳躍式增長，隨后強(qiáng)度增長速率變慢，但增長趨勢未變，即在一定范圍內(nèi)強(qiáng)度隨N1 比例增加而增加；B 組配比在N1/N2 由小增大時(shí)，強(qiáng)度在一點(diǎn)上有一個(gè)跳躍式增長，但隨后強(qiáng)度不僅不再增長，反而隨N1/N2逐漸增大強(qiáng)度呈逐漸下降趨勢，即在一定范圍內(nèi)強(qiáng)度隨N1 比例的增加而增加，但當(dāng)N1 增加到一定值后，強(qiáng)度卻隨N1 比例的增加而減小。試驗(yàn)結(jié)果所展現(xiàn)的規(guī)律在圖3 的折線圖中表現(xiàn)得更為清楚。上述規(guī)律表明，N1/N2 在一定范圍內(nèi)的變化對A 組配比、B 組配比的強(qiáng)度發(fā)展有著截然相反的影響，即，對不同的N/J 而言，其強(qiáng)度不僅受N/J 的影響，而且受N 種類的影響。
圖3 A 組配比、B 組配比在N1/N2 變化時(shí)強(qiáng)度的變化
在耐磨性能方面，A 組配比與B 組配比所體現(xiàn)的規(guī)律完全相同。在所做的試驗(yàn)范圍內(nèi)1 min 磨耗體積隨N1 比例的增加而增加，即隨N1 比例的增加耐磨性能降低，但A 組配比與B 組配比相比，其1 min 磨耗體積的絕對值要小得多，從圖4的棱柱圖來看，在視覺上更能體現(xiàn)出數(shù)值上的差異。A 組配比與B 組配比不同的是，總體上講，隨N1 的增大A 組配比的強(qiáng)度增加、耐磨性能下降；B 組配比則隨N1 的增大強(qiáng)度降低、耐磨性能下降。上述試驗(yàn)結(jié)果表明：對不同的N/J 而言，耐磨性能不僅受N/J 的影響，而且受N 種類的影響；同時(shí)也表明，在一定的條件下，耐磨性能并不是與強(qiáng)度成正比關(guān)系，這個(gè)結(jié)論驗(yàn)證了3.1 中配比與強(qiáng)度、耐磨性能的關(guān)系中的試
驗(yàn)結(jié)論。
圖4 A 組配比、B 組配比在N1/N2 變化時(shí)耐磨性能的變化
3.3 材料的非勻質(zhì)性
測定材料的耐磨性能時(shí)在試件的同部位分別采集了在1、2、3 min 時(shí)的數(shù)據(jù)。首先，對前面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，按第1 min 磨耗體積絕對值由小到大的順序排列，第2、3 min磨耗體積絕對值數(shù)據(jù)按其試件在第1 min 磨耗體積絕對值所在的排列位置對應(yīng)排列。整理出的數(shù)據(jù)排列在表3 中。
表3 1 min 磨耗體積絕對值按順序排列
如果所制作的試件其材質(zhì)是均勻的，按照上面所述的試驗(yàn)方法可在1 min 的磨坑上測得到2 min 時(shí)的數(shù)據(jù)、在2 min的磨坑上測得到3 min 時(shí)的數(shù)據(jù)。由于試驗(yàn)器具與試件接觸的面積逐漸增加，第2、3 min 磨耗體積絕對值應(yīng)該比第1 min磨耗體積絕對值有所增加；如分別將各個(gè)試件在第1、2、3 min磨耗體積絕對值相連繪成折線，所繪得的三條折線應(yīng)該是平行的，且第3 min 的折線在最上方、第1 min 的折線在最下方。實(shí)際折線示意見圖5。
圖5 磨耗體積比較
圖5 的折線圖顯示，三條折線并沒有象上述分析的那樣呈平行狀態(tài)和所描述的位置，第2、3 min 的折線形態(tài)呈無規(guī)律的上下波動(dòng)，而且其值除極個(gè)別外均低于第1 min 折線的值。這表明，人工制作成型的耐磨材料試件是非勻質(zhì)的，當(dāng)然不排除試驗(yàn)方法帶來的誤差，但更應(yīng)注意到一方面在三條折線中磨耗體積絕對值相差較大的幾個(gè)試件分別為2（1026—4）、6（1030—4）、11（1026—1）、15（712—9）、16（1030—1）、18（1030—2），其中6、15、16、18 為N/J 較大，2為N/J 適中但N1/N2 較小，只有11 為N/J 適中且N1/N2 較大，即，當(dāng)N、或N2 的比例較大時(shí)容易造成材料的非勻質(zhì)性，試驗(yàn)方法帶來的誤差則很小。
3.4 原材料、配比的選定，幾種同類、相近產(chǎn)品耐磨性能比較
通過如上一系列的試驗(yàn)，我們認(rèn)為試驗(yàn)中采用集料N1 的種類與細(xì)度對提高產(chǎn)品的耐磨性能并無實(shí)質(zhì)上的作用，因此決定用N4 替代N1，并增加集料N3，膠結(jié)材為J1、J2。以3.2中的試驗(yàn)為依據(jù)，在耐磨性能較好的配比（編號為1026—3～5、10306—3～5）的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，確定 C、D 兩組配比進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。
表4 C、D 兩組配比試驗(yàn)結(jié)果
表4 的數(shù)據(jù)表明，C 組配比的耐磨性能明顯好于D 組配比，而且優(yōu)于3.1、3.2 節(jié)中配比試驗(yàn)中的結(jié)果，因此，C 組配比為最終優(yōu)選配比。同時(shí)也說明膠結(jié)材料和耐磨集料的粒徑對耐磨性能有很大的影響。
為比較本產(chǎn)品與同類、相近產(chǎn)品的耐磨性能，課題組采集了外國某獨(dú)資企業(yè)的同類產(chǎn)品樣品，并按照本產(chǎn)品相同的試驗(yàn)方法成型了該樣品及M20 普通水泥砂漿的試件，進(jìn)行了耐磨性能的檢測。同時(shí)，收集了遼寧省內(nèi)諸多廠家生產(chǎn)的路面磚的耐磨性能檢測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)列于表5 中。
表5 本產(chǎn)品與同類、相近產(chǎn)品的耐磨性能
從表5 中的數(shù)據(jù)來看，本產(chǎn)品的耐磨性能明顯好于外國某獨(dú)資企業(yè)的同類產(chǎn)品、M20 普通水泥砂漿及遼寧省內(nèi)諸多廠家生產(chǎn)的路面磚的耐磨性能。因此從性能上來說，本產(chǎn)品已具備成為具有市場競爭力所要求的技術(shù)保證。
4 結(jié)束語
通過原材料的選擇、一系列試驗(yàn)及與同類、相關(guān)產(chǎn)品耐磨性能的比較，可以得出如下結(jié)論：
(1)對同種集料、膠結(jié)料而言，當(dāng)集料與膠結(jié)料之比增大時(shí)，其強(qiáng)度降低耐磨性能下降，但強(qiáng)度與耐磨性能不呈現(xiàn)簡單的線性關(guān)系；當(dāng)集料與膠結(jié)料之比增大到一定值時(shí)，強(qiáng)度雖然降低但耐磨性能卻有增高的趨勢。
(2)對不同種集料、同種膠結(jié)料而言，其強(qiáng)度不僅受集料與膠結(jié)料之比的影響，而且受不同種類集料、不同集料之間比例的影響，同時(shí)這種影響也反映到耐磨性能上，可以說集料的選擇對耐磨性能的好壞至關(guān)重要。
(3)不同的膠結(jié)料，同種集料、不同粒徑對耐磨性能有很大影響。
(4)此類耐磨材料具有非勻質(zhì)性。
(5)該耐磨材料的耐磨性能優(yōu)于國外同類產(chǎn)品、國內(nèi)相近產(chǎn)品，具備市場要求的技術(shù)保證，可以用于實(shí)際工程當(dāng)中。
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