陶瓷地砖防滑性能标准测试的论述*

龚 明 霍铭发 朱礼兵 兰书元 胡江峰 曾 磊

(1 江西省建筑卫生陶瓷质量监督检验中心 江西 高安 330800)

(2 佛山市华夏建筑陶瓷研究开发中心有限公司 广东 佛山 528000)

(3 江西建陶产业技术研究有限公司 江西 高安 330800)

近年来,滑倒或者跌倒所造成的事故层出不穷,而滑倒或摔倒在工作场所、公共场所时有发生。虽然轻微的滑倒或摔倒均无伤大雅,但国内外由于摔倒或滑倒导致重伤甚至死亡也时有发生。由于陶瓷砖的特性决定了其作为地面材料有较大的优势,因此国内外均大量使用陶瓷砖作为地面材料。我国作为建筑陶瓷生产、出口大国,应该也必须对陶瓷砖作为地面材料时的防滑性能进行深入研究[1～2]。当然,因为地面防滑性能的测试是一个非常复杂的过程,因此用于表征陶瓷砖防滑性能的测试方法暂时无统一标准,现阶段国内外开发出了多重用于表征地面材料防滑性能的测试方法及相关的设备。由于各种的测试方法和标准的测试参数不尽相同,所以不同测试方法得到的结果可能是没有可比性的,有部分甚至于出现大相径庭的情况。笔者通过对几个主要的防滑测试方法进行详细解读,以实际经验方便读者理解这些防滑测试方法的测试结果在表征实际防滑性能的优缺点。

1 静摩擦系数

1.1 陶瓷砖静摩擦系数的概况

静摩擦系数是指最大静摩擦力的大小与接触面间的正压力成正比,与接触面大小无关,其方向与运动趋势的方向相反,比例系数就叫静摩擦系数。静摩擦系数两个典型的测试标准是GB/T4100-2015 附录M[3]《摩擦系数的测定》(该标准等同于GB/T 37798-2019附录A《静摩擦系数试验方法》和ASTM C 1028-07[4]Standard Test Method for Determining the Static Coefficient of Friction of Ceramic Tile and Other Like Surfaces by the Horizontal Dynamometer Pull-Meter Method,上述的2标准测试方法均是陶瓷砖表面与橡胶之间的干燥或潮湿的条件下的静摩擦系数,使用拉力计(或拉力测量装置)测量出使滑块组件与试样开始产生水平移动的所需的水平力,从而计算出静摩擦系数。但由于上述两标准所使用的橡胶以及滑块的重量均有明显的差异,因此上述两测试标准的结果有一定误差(见图1)[5]。

图1 手动静摩擦系数测定设备

1.2 现有静摩擦系数检测的问题

静摩擦系数的检测设备,所使用的橡胶表面平整,因此其默认测试要求试样也需较为平整,而现有的建筑陶瓷产品,很多由于追求装饰效果,都存在表面不平整的情况:例如洞石,以及大部分的仿古砖设计表面有一定的凹凸[6～11],对于这种产品,测试结果非常不稳定,测试数据事实上无太大的意义(见图2)。

图2 自动静摩擦系数测定设备

静摩擦系数的测试原理,决定了其拉力的方向必须与滑块组件的移动方向一致,标准中所描述的是理想情况下的状态,即试样测试表面足够水平,则这种情况下拉力方向为水平拉力,此时测试结果为理想结果。而通过大量的测试证明,由于各种客观原因,例如试样厚度不均匀或试样表面或多或少出现无法察觉的轻微变形,因此试样放置于水平面平台时,哪怕试样表面绝对平整,测试面均无法达到水平,在这种情况下,测试拉力的方向与滑块组件的移动方向产生一定的偏差,当移动方向向下时,测试结果偏小,反之偏大。因此按标准测试时,会出现试验4个测试方向结果存在很大的偏差的情况。而一般来说,静摩擦系数测试的原理决定了测试结果只能代表测试的那个点的测试结果,而实际情况下,整片陶瓷砖表面的变形及厚度的不均匀是不规则的,无任何规律可言,因此会出现一片陶瓷砖不同的位置测试结果不一致的情况。

在测试的过程中,对于表面较为平整光滑的试样(例如抛光砖、抛釉砖、超平釉砖等试样),往往会出现湿态摩擦系数大于干态摩擦系数,这是主要原因是由于滑块组件上的橡胶板与陶瓷地砖表面之间在重块的作用下产生真空吸附力,因而不能准确反映陶瓷地砖静摩擦系数的真实数据[12]。在这种情况下所获得的数据也无实在意义。

2 动摩擦系数

2.1 陶瓷砖动摩擦系数的概况

动摩擦系数是彼此接触的物体做相对运动时摩擦力和正压力之间的比值。图3为典型的动摩擦系数测试设备,该测试方法一般为自行行走装置在待测表面匀速移动,用固定重块下面的皮革或4 S橡胶,来测定陶瓷地砖在干燥或潮湿条件下的动摩擦系数。该方法很早前已被国外使用,有部分国家官方承认该方法,例如意大利DM 236/89法令要求地面材料动摩擦系数在0.4以上。曾经的英国陶瓷协会发布过推荐的动摩擦系数防滑性能评价方法见表1。

表1 英国陶瓷协会推荐的防滑性能评价方法

图3 典型的动摩擦系数设备

但由于现有的测试设备及测试标准无法统一,因此不是同一型号的设备,由于其移动速度的不同,固定重块的不同以及接触块的材质或形状不一样而使测试结果无任何可比性。

2.2 现有动摩擦系数测试的所存在的问题

由于该设备自带行走动力装置,大部分使用轮子驱动设备,在摩擦系数较低的表面容易出现驱动轮打滑的情况,从而降低了速度,有时还会出现移动速度不均匀的情况,从而影响最终测试结果,因此在测试过程(特别是湿法测试)中要关注是否有该情况发生。

由于该设备测试头与测试表面的接触面积较小,而且与测试面垂直,因此遇到表面不平整的测试样时,有可能出现测试头卡住试样表面的情况,从而增加了测试时的阻力,从而导致测试结果偏高的情况(有部分设备测试头的橡胶表面是弧形的,这种情况会有所改善),因此笔者认为该测试不适用于表面有明显凹凸或有缝(例如马赛克)类的试样。

由于测试头与试样接触面较小,只要有很少量的灰尘占在测试头上时,灰尘会留在测试头与试样之间,使测试结果偏小,因此测试时,测试面非常干净,以防测试头在移动过程中在测试面上粘上灰尘。

有部分设备,测试头为平面,该情况下在进行湿法测试时,也会出现静摩擦测试所描述的情况,从而导致结果明显偏高的情况。

3 摆锤法-摆式阻滑值(PTV 值)

3.1 摆锤法-摆式阻滑值的概况

此方法应用“摆的位能损失等于安装于摆臂末端橡胶片滑过样品表面时,克服表面等摩擦所作的功”这一基本原理,来计算橡胶片和陶瓷地砖表面的摩擦系数,较为典型的使用该方法的标准有GB/T 37798-2019附录B和BS 7976-2:2003+A1:2013以及AS 4586-2013 Andt 1-2017,典型设备见图4。

图4 摆式摩擦系数测定仪

英国UK Slip Resistance Group 在UKSRG,2005推荐的防滑性能评价方法见表2。

表2 防滑性能评价

3.2 摆式摩擦系数(PTV 值)的测定所存在的问题

经查阅相关资料,该测试方法最早是用于测试公路的防滑性能,公路一般均匀性及平整度较为一致,估计鉴于这个原因,该测试方法设计测试的区域较小,使用最大的S96橡胶时,橡胶宽度为75 mm,在测试样上滑动距离为126 mm,该面积只占试样面积的较小部分。当该方法用于表面较为平整(事实上来说,陶瓷砖在实际中做不到绝对平整,而且在平整度测试时会发现,视觉上认为平整的产品,实际上均存在不规则的变形的情况)的陶瓷砖测试时,测试结果也不能保证一致,此情况下只能采取多点测试的方法,取多个样品及同一样品多个测试点的平均值作为最终测试结果,但实践中发现该方法也无法达到满意效果。

而针对异形砖,例如表面有不规则图形的砖,笔者经过大量试验,也暂时无法找到有效合理的处理办法。而对于规则的而比较常规的异形砖,例如盲道砖、广场砖等AS 4586-2013通过严格规定了测试的位置,从而保证了测试时的误差,这种思路值得参考,但由于规定较为严格、甚至有点苛刻,因此在实际操作中不好控制。在测试过程中,由于测试橡胶在测试过程中与测试样表面进行摩擦,在摩擦的过程中会产生橡胶颗粒,该橡胶颗粒会留在测试样表面,在测试过程中阻止测试橡胶与测试面双方面的直接接触。即在测试后期,所产生的橡胶颗粒会在测试橡胶与测试面间滚动,在测试结果的表现上,会发现,当不停的进行重复试验时,测试结果会不断的降低,当进行干法测试时,可通过使用毛刷,每做一次测试,就对表面进行清洁,即可解决,但对于湿法测试时,只能通过切底清洗表面来解决该问题。

4 斜坡法临界角

4.1 斜坡法临界角的概况

试验人员在用试件铺成的有一定坡度的斜面上来回行走,行走过程中逐渐增加斜坡的角度直至能够在斜坡上安全行走的极限角度,以此作为临界角反映试件表面的防滑程度。由于其测试方法时模拟实际的使用场景,因此该测试方法结果较为符合实际情况。使用该方法的标准有DIN 51097-1992、DIN 51130-2010、GB/T 37798-2019和AS 4586-2013 Andt 1-2017等。该测试方法包括两种,第一种是测试者在穿着指定鞋在涂抹机油的实验板上来回行走,实验板以一定的速度从水平开始逐渐倾斜,直到测试者在行走中出现不安全的迹象。第二种与第一种的设备原理及设备一致,但测试条件有所不同,为测试者赤足在潮湿的实验板上行走。该法模拟实际的使用过程,测试地面材料在赤足、湿滑条件下的防滑性能,包括陶瓷、浴室垫等在内的多种类型的地面材料的防滑性能均可按照该标准进行测试。斜坡法的典型设备见图5;GB/T 37798-2019[13]在斜坡法中防滑等级的划分见表3、表4。

表3 斜坡法(赤脚、湿态)防滑等级

表4 斜坡法(穿鞋、抹油)防滑等级

图5 斜坡法的典型设备

4.2 斜坡法临界角测试所存在的问题

笔者经过长时间的试验验证,该测试方法对实验员的体重要求较为敏感,当测试员之间的体重相差较大时,虽然使用标准版校准,但结果不太理想。有部分标准通过限定测试员体重的方法来解决该问题。通过笔者的验证,初步得出,体重较重时,测试结果偏高,当然由于实验室人员较少,结果不一定具有代表性。

当进行斜坡法(穿鞋、抹油)测试时,试样测试结果较大,是由于测试用鞋与试样摩擦力较大,在测试后期,即鞋与试样产生相对滑动的时候,产生大量的橡胶粉末,从而降低了后期重复试验时的测试结果,该现象表现在测试结果越测越小。当然这个情况可通过对样品进行清洗,再进行测试即可解决。

通过上述对各种防滑相关测试方法的介绍以及笔者在日常实践中所发现其测试方法的问题,笔者推荐使用斜坡法进行防滑性能的评价,其理由如下:

只有斜坡法存在标准样品(即校准用标准版),即可认为只有斜坡法是直接测试法,其他均是通过间接的方法测出所需要的值,也因为存在标准样品,因此能有效的减小其他因素对测试结果的影响,测试结果的准确性更有保障。

由于该测试的原理均基于实际情况的模拟,因此测试结果更接近与现实。在长期的实践中发现,该方法是上述众多测试方法中测试结果最为稳定,测试重复性和再现行最好的测试方法。

5 结语

综上所述,我国是世界最大的陶瓷砖生产国,经观察,现已有多家陶瓷企业推出注重安全的防滑产品,但由于各种各样的原因,陶瓷地砖防滑性能的测试和评价方面均落后于国外,就现有的国内的测试方法均直接采用国外标准,以至于企业对防滑的评价缺乏明确的依据,从而影响了陶瓷地砖产品防滑性能的提高。因此,国家应加大对力度尽快制定和完善现有的一种套的防滑评价体系,从而促进我国陶瓷砖防滑技术水平不断提高,有效保护公众的健康安全。