混凝土表面增硬劑的研究

2006-01-17 00:00  留言

摘要：敘述了該產(chǎn)品目前在國內(nèi)的狀況，分析了試驗所需標(biāo)準(zhǔn)的適用性，介紹了材料的選擇、試驗過程、試驗結(jié)果及分析。

關(guān)鍵詞：增硬劑；試驗方法；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，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)家國外獨資企業(yè)、合資企業(yè)、國內(nèi)獨資企業(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，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良好的發(fā)展空間。

1 試驗方法的分析與選用

我國目前在材料耐磨性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)中，被普遍應(yīng)用的有《天然飾面石材試驗方法耐磨性試驗方法》（GB9966.4）與《無機地面材料耐磨性試驗方法》（GB/T 12988）兩種。通過對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的分析研究，我們選擇《無機地面材料耐磨性試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)作為本課題的試驗方法，其原因如下：

（1）采用《無機地面材料耐磨性試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)，試件容易制作。《天然飾面石材試驗方法耐磨性試驗方法》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《無機地面材料耐磨性試驗方法》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《無機地面材料耐磨性試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)更接近實際?！短烊伙椕媸脑囼灧椒湍バ栽囼灧椒ā窐?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)果必然與實際情況存在很大誤差；而《無機地面材料耐磨性試驗方法》是在一個固定區(qū)域向垂直方向進(jìn)行磨蝕試驗，在一定時間內(nèi)圓弧形試驗器具可以磨蝕試件的多個層面，可以減小材料的非勻質(zhì)性帶來的誤差。

（3）從試驗結(jié)果的表述方面來看，采用《無機地面材料耐磨性試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表述更為科學(xué)?！短烊伙椕媸脑囼灧椒湍バ栽囼灧椒ā窐?biāo)準(zhǔn)中，試驗結(jié)果是以完成規(guī)定轉(zhuǎn)數(shù)時材料的磨損率來表述的，是一個相對值。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《無機地面材料耐磨性試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)中，試驗結(jié)果是以規(guī)定時間內(nèi)材料的磨損體積或磨坑長度來表述的，是一個絕對值。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、價格適當(dāng)?shù)忍攸c，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 性能試驗比較

3.1 同種耐磨集料、不同配比的強度、耐磨性能的關(guān)系

考慮到這一試驗的目的是比較配比與強度、耐磨性能的關(guān)系，所以只選擇J1、N1 混合料做為試驗對象，試驗結(jié)果見表1。

表1 相同J、N，不同配比情況下強度和耐磨性能

按照《無機地面材料耐磨性試驗方法》，一般規(guī)定試驗時間為1 min，為分析非勻質(zhì)材料的耐磨性能與試驗方法的關(guān)系，試驗時特采集了試驗時間分別為1、2、3 min 時的數(shù)據(jù)，但在表述耐磨性能時以1 min 磨耗體積為準(zhǔn)。表1 中試驗編號1～9 為N1/J1 逐漸增大，當(dāng)N1/J1 增大時，其強度基本體現(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，隨著強度的降低磨耗體積逐漸增大，但磨耗體積與強度之間并未呈現(xiàn)簡單的線性關(guān)系。當(dāng)N1 比例增加到一定值時，強度雖然降低，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、不同比例與強度、耐磨性能的關(guān)系

根據(jù)如上配比與強度、耐磨性能之間關(guān)系的試驗結(jié)果，我們知道，同種集料不同配比所體現(xiàn)的強度和耐磨性能有較大的差別，從綜合性能、產(chǎn)品經(jīng)濟因素方面來考慮，選擇編號為710—4、712—9 這兩組配比進(jìn)行試驗，分別稱之為A 組配比、B 組配比。這個試驗是在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度和耐磨性能。通過試驗得出表2 的結(jié)果。

表2 不同集料、不同配比情況下強度和耐磨性能

表2 的試驗結(jié)果顯示：在強度方面，A 組配比在N1/N2增大時，強度在一點上有一個跳躍式增長，隨后強度增長速率變慢，但增長趨勢未變，即在一定范圍內(nèi)強度隨N1 比例增加而增加；B 組配比在N1/N2 由小增大時，強度在一點上有一個跳躍式增長，但隨后強度不僅不再增長，反而隨N1/N2逐漸增大強度呈逐漸下降趨勢，即在一定范圍內(nèi)強度隨N1 比例的增加而增加，但當(dāng)N1 增加到一定值后，強度卻隨N1 比例的增加而減小。試驗結(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 組配比的強度發(fā)展有著截然相反的影響，即，對不同的N/J 而言，其強度不僅受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 變化時強度的變化

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 組配比的強度增加、耐磨性能下降；B 組配比則隨N1 的增大強度降低、耐磨性能下降。上述試驗結(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；同時也表明，在一定的條件下，耐磨性能并不是與強度成正比關(guān)系，這個結(jié)論驗證了3.1 中配比與強度、耐磨性能的關(guān)系中的試

驗結(jié)論。

圖4 A 組配比、B 組配比在N1/N2 變化時耐磨性能的變化

3.3 材料的非勻質(zhì)性

測定材料的耐磨性能時在試件的同部位分別采集了在1、2、3 min 時的數(shù)據(jù)。首先，對前面的試驗數(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方法可在1 min 的磨坑上測得到2 min 時的數(shù)據(jù)、在2 min的磨坑上測得到3 min 時的數(shù)據(jù)。由于試驗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，而且其值除極個別外均低于第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 的比例較大時容易造成材料的非勻質(zhì)性，試驗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，我們認(rèn)為試驗中采用集料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，試驗結(jié)果見表4。

表4 C、D 兩組配比試驗結(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)中配比試驗中的結(jié)果，因此，C 組配比為最終優(yōu)選配比。同時也說明膠結(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資企業(yè)的同類產(chǎn)品樣品，并按照本產(chǎn)品相同的試驗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，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，其強度降低耐磨性能下降，但強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，強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，可以用于實際工程當(dāng)中。

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