无釉砖和有釉砖耐磨性标准的统一化探析

2021-03-18苏华枝余有根刘一军吴建青

硅酸盐通报 2021年2期

苏华枝，余有根，刘一军，吴建青

(1.华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510641；2.蒙娜丽莎集团股份有限公司博士后科研工作站，佛山 528211)

0 引言

陶瓷砖具有美观耐用、装饰性强、性能稳定等特点，被广泛应用于室内外装修工程，深受广大消费者青睐。当陶瓷砖用作地砖时，耐磨性是至关重要的一项性能指标，它关系着产品的功能实现、美观效果及使用寿命等。根据是否施有釉料，陶瓷砖分无釉砖和有釉砖。国家标准GB/T 4100—2015《陶瓷砖》[1]规定无釉砖和有釉砖的耐磨性能试验方法分别为无釉砖耐磨深度的测定(GB/T 3810.6—2016/ISO 10545-6:2010)和有釉砖表面耐磨性的测定(GB/T 3810.7—2016/ISO 10545-7:1996)。随着陶瓷砖的发展和消费者喜好的变化，现在越来越多以抛釉砖、仿古砖为代表的有釉砖取代以抛光砖为代表的无釉砖作为地砖[2]，但目前却缺乏统一的标准来测定无釉砖和有釉砖的耐磨性，国内外也有越来越多的呼声要求将两者用同一种试验方法来进行耐磨性的评判，2018年和2019年国际标准化组织ISO/TC189会议讨论的内容就包含了陶瓷砖耐磨性的测试方法[3-4]。

上述两个国家标准的原理、设备、步骤及结果表征基本沿用国际标准化组织(ISO)发布的标准，并且近二三十年来未作大的调整[5-8]。由于标准与实际工作逐渐脱节，近年来不少科技工作者对相关标准进行了一些研究。吴汝莉[9]、薛金[10]等指出在GB/T 3810.6—2016中钢轮直径大小、磨料下料速度、摩擦钢轮转数及平衡锤配重大小对结果的准确性有重大影响。曹阳等[11]指出在GB/T 3810.7—2016中耐磨性与釉面颜色有关，相同材质、工艺的浅色砖的釉面磨痕比深色砖的釉面磨痕更难目测识别。彭耀彬[12]指出在GB/T 3810.7—2016中用万转磨耗对耐磨结果进行量化能更加科学和精准。龚明等[13]采用GB/T 3810.7—2016的方法对陶瓷砖的耐磨性与万转磨耗比对分析发现万转磨耗的损失量和国家标准的检测结果有一定的关联，部分抛光砖的万转磨耗损失量高于抛釉砖的万转磨耗损失量。陆倩映等[14]利用Taber耐磨试验机对石材和陶瓷砖进行耐磨性研究时也发现试验选取的无釉地砖的磨损质量高于釉面地砖(计算得出的耐磨性指数无釉地砖低于釉面地砖)。因此在此基础上，对陶瓷砖耐磨性的试验方法展开深入研究，探讨同一种试验方法评判无釉砖和有釉砖耐磨性能的可行性，从而确立一个有效和精确的评价方法具有重要意义。

1 实验

1.1 样品

随机选取5种品牌的抛光砖，分别命名为P1、P2、P3、P4和P5；以及5种品牌的抛釉砖，分别命名为G1、G2、G3、G4和G5。同时，选用石英玻璃、仿古砖作为参照样品。

1.2 试验方法

将样品分别采用CM-B型无釉砖耐磨试验机、CYM型陶瓷砖釉面耐磨试验机和Taber试验机进行测定，测试原理的示意图见图1。

图1 陶瓷砖耐磨测试原理的示意图

无釉砖耐磨深度的测定是采用F80的刚玉作为磨料，摩擦钢轮转150转后测量钢轮在砖的正面旋转产生的磨坑的弦长L，精确到0.5 mm，根据弦长和体积对应值的表得到对应的体积，计算得到体积平均值Vm。

有釉砖表面耐磨性的测定是以钢球、F80的刚玉磨料和离子水为研磨介质，试样的预调转数为100转、150转、600转、750转、1 500转、2 100转、6 000转和12 000转，达到预调转数后在观察箱内对比未磨和经过研磨后的砖釉面的差异,并进行0～5级分级。用天平称量12 000转前后的质量差得到磨耗值，计算得到12 000转下磨耗平均值Wp。

Taber试验机的测定是采用ASTM C501-84(2015)的耐磨试验机，边长为102 mm的方形试样中间钻孔并通过螺栓螺母固定在支座上，磨轮为橡胶磨轮CS-0外加80目(0.177 mm)刚玉砂纸S-33，测试载荷为9.8 N，转盘以60 r/min速度转600转后使用表面轮廓仪测量环状磨坑的横截面积，结合其平均长度，计算得到研磨600转下磨损体积平均值Vt。

2 结果与讨论

2.1 无釉砖耐磨深度法的测试结果

图2 抛光砖在无釉砖耐磨深度法下的磨损体积

图2是5种抛光砖在无釉砖耐磨深度法下的磨损体积，其耐磨性能由大到小的顺序为P1=P3=P4>P2>P5，磨损体积都小于175 mm3，都符合GB/T 4100—2015《陶瓷砖》标准中对干压陶瓷砖(吸水率E≤3%)耐磨性的要求。除了磨损体积最大的P5，其余4种砖的结果相近，并且其中有3种砖数值一样。无釉砖耐磨深度法测试前要进行压力调校，即用F80(ISO 8486-1)刚玉磨料150转后，在石英玻璃上产生弦长为(24±0.5) mm的磨坑。由此可知，在该标准条件下磨轮和磨粒对砖表面具有较强的破坏作用。由于磨坑边缘存在毛刺以及有一定的边界弧度，测量磨坑的弦长时只要求精确至0.5 mm，导致测量的精确度有限，只能给出粗略的评判。

当用无釉砖耐磨深度法直接测量抛釉砖时，釉层在未达到额定的150转前已经被磨穿。因此，不能在标准条件下测量有釉砖。若要减少研磨深度，可以通过减少磨轮磨损圈数和降低磨轮载荷。考虑到无釉砖耐磨深度法测试前是用石英玻璃进行压力调校，为了更好地评判调整参数后的磨损情况，本研究选用石英玻璃作为参照样品，研究是否能通过调整参数实现有釉砖耐磨性的评判。由表1磨坑形貌和研磨深度的结果可知，在标准条件下磨坑边缘存在轻微的毛刺和边界弧度，磨坑的研磨深度约为363 μm，远远大于常规有釉砖的釉层厚度(低于100 μm)。当在标准压力40 N下磨轮转数由150转减少到15转时(表1中条件A)研磨深度由363 μm减少到92 μm，但此时磨坑边缘的毛刺和边界弧度都较为严重，会对弦长的测量结果造成较大的主观误差。当磨轮载荷由标准的40 N降低到6 N(低于6 N时磨轮会晃动，使得磨轮与样品和磨料难以稳定接触)，磨轮转数为50转时(表1中条件B)研磨深度约为91 μm，此时磨坑边缘的毛刺和边界弧度一样都较为严重，也难以作出精准的测量。考虑到有釉砖的釉层硬度和耐磨性基本上都低于石英玻璃，无釉砖耐磨深度法测定有釉砖要实现有效区分时研磨深度将大于有釉砖的釉层厚度，因此该方法不适用于有釉砖耐磨性的测定。

综上所述，无釉砖耐磨深度法不能同时对无釉砖和有釉砖作耐磨性的精确评判。

表1 不同条件下的磨坑形貌和研磨深度

2.2 有釉砖表面耐磨法的测试结果

图3 抛光砖在有釉砖表面耐磨法下的磨耗值

图3是5种抛光砖在有釉砖表面耐磨法12 000转下的磨耗，其耐磨性能由大到小的顺序为P3>P2>P4>P1>P5，并且5种抛光砖的磨耗值差异显著。对比图2可知，采用有釉砖表面耐磨法测磨耗的方法比采用无釉砖耐磨深度法测磨损体积的方法有更大的区分度，能实现精准量化。考虑到抛光砖的体积密度差异较小，用磨耗结果来取代磨损体积结果可在不降低结果精确性的情况下使操作更为简便。

表2是5种抛釉砖采用有釉砖表面耐磨法的目视评价分级和12 000转下的磨耗值。结果显示，在目视评价中，浅色砖具有较高的可见磨损的研磨转数，可被评定为更高的耐磨性分级。反之，深色砖的可见磨损的研磨转数较低，被判定的耐磨性分级也较低。例如白色砖G1的12 000转磨耗值高达361 mg，但目视评价的结果是2 100转和4级；棕色砖G3、灰色砖G5的12 000转磨耗值分别为209 mg、172 mg，但目视评价的结果只是1 500转和3级。同样，G4的12 000转磨耗值比G2低39%，但G4的可见磨损的研磨转数并没有比G2高，在目视评价中却是更低。除了研磨转数的跨度大导致区分精度有限外，目视评价是无法实现精确评判的根本原因。这是由于GB/T 3810.7—2016中规定目视评价是人站立在观察箱外2 m处观察试样在装有6 000～6 500 K荧光灯的观察箱里的可见磨损痕迹情况。虽然砖在近距离看时已经磨损得十分严重，但在观察箱里却有更多主观因素的影响，导致在目视评价时浅色砖的釉面磨痕比深色砖的釉面磨痕更难目测识别。此外，抛釉砖和仿古砖不同的光泽度也会对目视评价造成很大的主观影响。因此，用磨耗值来进行评价除了可以避免受样品颜色和光泽等因素的影响，还能实现精确量化和有效区分。

表2 抛釉砖在有釉砖表面耐磨法下的测定结果

若将图3中的5种抛光砖和表2中的5种抛釉砖在有釉砖表面耐磨法12 000转下的磨耗值进行对比，其结果由小到大的排列顺序为G4

图4 抛光砖在Taber耐磨试验法下的磨损体积

综上所述，有釉砖表面耐磨法测磨耗的方法有效地避免了目视评价方法的不足，可同时对无釉砖和有釉砖作耐磨性的精确评判。

2.3 Taber耐磨试验法的测试结果

图4是5种抛光砖在Taber试验机下的磨损体积，其耐磨性能由大到小的顺序为P3>P4>P2>P1>P5，并且5种抛光砖的磨损体积差异显著。对比图2可知，同样都是测量磨损体积，Taber耐磨试验法结合表面轮廓仪时可得到更精确的结果，与有釉砖表面耐磨法测磨耗的方法一样可对抛光砖的耐磨性实现有效的区分。

准确测量环状磨坑(见图5(a))的横截面积是获得磨损体积的关键步骤。当测量抛釉砖时，由于抛釉砖的抛光程度远不如抛光砖，无法得到完全平整的釉面，用表面轮廓仪测量环状磨坑横截面时在有限的空间内难以得到平整的基线(见图5(b))，从而导致仪器难以读取到准确的结果。若是有釉砖表面不平整(如仿古砖)，由于磨轮和釉面不能充分接触，得到的磨坑更不规则,基线更不平整(见图5(c))，用表面轮廓仪读取数据时就更难得到准确的结果。此外，有釉砖的釉层和坯体存在一定的膨胀系数差异，在烧成冷却的过程中釉层会产生应力，Taber耐磨试验法制备样品时需要在样品中间开孔来固定样品，则会破坏有釉砖釉层的应力状态，使得结果可能会与实际不符。

综上所述，Taber耐磨试验法虽然能对无釉砖实现精确的评价，但并不太适合对有釉砖的测定。