無(wú)釉磚和有釉磚耐磨性標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一化探析

蘇華枝，余有根，劉一軍，吳建青

(1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510641；2.蒙娜麗莎集團(tuán)股份有限公司博士后科研工作站，佛山 528211)

0 引 言

陶瓷磚具有美觀耐用、裝飾性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外裝修工程，深受廣大消費(fèi)者青睞。當(dāng)陶瓷磚用作地磚時(shí)，耐磨性是至關(guān)重要的一項(xiàng)性能指標(biāo)，它關(guān)系著產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)、美觀效果及使用壽命等。根據(jù)是否施有釉料，陶瓷磚分無(wú)釉磚和有釉磚。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4100—2015《陶瓷磚》[1]規(guī)定無(wú)釉磚和有釉磚的耐磨性能試驗(yàn)方法分別為無(wú)釉磚耐磨深度的測(cè)定(GB/T 3810.6—2016/ISO 10545-6:2010)和有釉磚表面耐磨性的測(cè)定(GB/T 3810.7—2016/ISO 10545-7:1996)。隨著陶瓷磚的發(fā)展和消費(fèi)者喜好的變化，現(xiàn)在越來(lái)越多以?huà)佊源u、仿古磚為代表的有釉磚取代以?huà)伖獯u為代表的無(wú)釉磚作為地磚[2]，但目前卻缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)定無(wú)釉磚和有釉磚的耐磨性，國(guó)內(nèi)外也有越來(lái)越多的呼聲要求將兩者用同一種試驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)行耐磨性的評(píng)判，2018年和2019年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC189會(huì)議討論的內(nèi)容就包含了陶瓷磚耐磨性的測(cè)試方法[3-4]。

上述兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的原理、設(shè)備、步驟及結(jié)果表征基本沿用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，并且近二三十年來(lái)未作大的調(diào)整[5-8]。由于標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際工作逐漸脫節(jié)，近年來(lái)不少科技工作者對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一些研究。吳汝莉[9]、薛金[10]等指出在GB/T 3810.6—2016中鋼輪直徑大小、磨料下料速度、摩擦鋼輪轉(zhuǎn)數(shù)及平衡錘配重大小對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性有重大影響。曹陽(yáng)等[11]指出在GB/T 3810.7—2016中耐磨性與釉面顏色有關(guān)，相同材質(zhì)、工藝的淺色磚的釉面磨痕比深色磚的釉面磨痕更難目測(cè)識(shí)別。彭耀彬[12]指出在GB/T 3810.7—2016中用萬(wàn)轉(zhuǎn)磨耗對(duì)耐磨結(jié)果進(jìn)行量化能更加科學(xué)和精準(zhǔn)。龔明等[13]采用GB/T 3810.7—2016的方法對(duì)陶瓷磚的耐磨性與萬(wàn)轉(zhuǎn)磨耗比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)萬(wàn)轉(zhuǎn)磨耗的損失量和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果有一定的關(guān)聯(lián)，部分拋光磚的萬(wàn)轉(zhuǎn)磨耗損失量高于拋釉磚的萬(wàn)轉(zhuǎn)磨耗損失量。陸倩映等[14]利用Taber耐磨試驗(yàn)機(jī)對(duì)石材和陶瓷磚進(jìn)行耐磨性研究時(shí)也發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)選取的無(wú)釉地磚的磨損質(zhì)量高于釉面地磚(計(jì)算得出的耐磨性指數(shù)無(wú)釉地磚低于釉面地磚)。因此在此基礎(chǔ)上，對(duì)陶瓷磚耐磨性的試驗(yàn)方法展開(kāi)深入研究，探討同一種試驗(yàn)方法評(píng)判無(wú)釉磚和有釉磚耐磨性能的可行性，從而確立一個(gè)有效和精確的評(píng)價(jià)方法具有重要意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣 品

隨機(jī)選取5種品牌的拋光磚，分別命名為P1、P2、P3、P4和P5；以及5種品牌的拋釉磚，分別命名為G1、G2、G3、G4和G5。同時(shí)，選用石英玻璃、仿古磚作為參照樣品。

1.2 試驗(yàn)方法

將樣品分別采用CM-B型無(wú)釉磚耐磨試驗(yàn)機(jī)、CYM型陶瓷磚釉面耐磨試驗(yàn)機(jī)和Taber試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試原理的示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 陶瓷磚耐磨測(cè)試原理的示意圖

無(wú)釉磚耐磨深度的測(cè)定是采用F80的剛玉作為磨料，摩擦鋼輪轉(zhuǎn)150轉(zhuǎn)后測(cè)量鋼輪在磚的正面旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨坑的弦長(zhǎng)L，精確到0.5 mm，根據(jù)弦長(zhǎng)和體積對(duì)應(yīng)值的表得到對(duì)應(yīng)的體積，計(jì)算得到體積平均值Vm。

有釉磚表面耐磨性的測(cè)定是以鋼球、F80的剛玉磨料和離子水為研磨介質(zhì)，試樣的預(yù)調(diào)轉(zhuǎn)數(shù)為100轉(zhuǎn)、150轉(zhuǎn)、600轉(zhuǎn)、750轉(zhuǎn)、1 500轉(zhuǎn)、2 100轉(zhuǎn)、6 000轉(zhuǎn)和12 000轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)調(diào)轉(zhuǎn)數(shù)后在觀察箱內(nèi)對(duì)比未磨和經(jīng)過(guò)研磨后的磚釉面的差異,并進(jìn)行0～5級(jí)分級(jí)。用天平稱(chēng)量12 000轉(zhuǎn)前后的質(zhì)量差得到磨耗值，計(jì)算得到12 000轉(zhuǎn)下磨耗平均值Wp。

Taber試驗(yàn)機(jī)的測(cè)定是采用ASTM C501-84(2015)的耐磨試驗(yàn)機(jī)，邊長(zhǎng)為102 mm的方形試樣中間鉆孔并通過(guò)螺栓螺母固定在支座上，磨輪為橡膠磨輪CS-0外加80目(0.177 mm)剛玉砂紙S-33，測(cè)試載荷為9.8 N，轉(zhuǎn)盤(pán)以60 r/min速度轉(zhuǎn)600轉(zhuǎn)后使用表面輪廓儀測(cè)量環(huán)狀磨坑的橫截面積，結(jié)合其平均長(zhǎng)度，計(jì)算得到研磨600轉(zhuǎn)下磨損體積平均值Vt。

2 結(jié)果與討論

2.1 無(wú)釉磚耐磨深度法的測(cè)試結(jié)果

圖2 拋光磚在無(wú)釉磚耐磨深度法下的磨損體積

圖2是5種拋光磚在無(wú)釉磚耐磨深度法下的磨損體積，其耐磨性能由大到小的順序?yàn)镻1=P3=P4>P2>P5，磨損體積都小于175 mm3，都符合GB/T 4100—2015《陶瓷磚》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)干壓陶瓷磚(吸水率E≤3%)耐磨性的要求。除了磨損體積最大的P5，其余4種磚的結(jié)果相近，并且其中有3種磚數(shù)值一樣。無(wú)釉磚耐磨深度法測(cè)試前要進(jìn)行壓力調(diào)校，即用F80(ISO 8486-1)剛玉磨料150轉(zhuǎn)后，在石英玻璃上產(chǎn)生弦長(zhǎng)為(24±0.5) mm的磨坑。由此可知，在該標(biāo)準(zhǔn)條件下磨輪和磨粒對(duì)磚表面具有較強(qiáng)的破壞作用。由于磨坑邊緣存在毛刺以及有一定的邊界弧度，測(cè)量磨坑的弦長(zhǎng)時(shí)只要求精確至0.5 mm，導(dǎo)致測(cè)量的精確度有限，只能給出粗略的評(píng)判。

當(dāng)用無(wú)釉磚耐磨深度法直接測(cè)量拋釉磚時(shí)，釉層在未達(dá)到額定的150轉(zhuǎn)前已經(jīng)被磨穿。因此，不能在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)量有釉磚。若要減少研磨深度，可以通過(guò)減少磨輪磨損圈數(shù)和降低磨輪載荷?？紤]到無(wú)釉磚耐磨深度法測(cè)試前是用石英玻璃進(jìn)行壓力調(diào)校，為了更好地評(píng)判調(diào)整參數(shù)后的磨損情況，本研究選用石英玻璃作為參照樣品，研究是否能通過(guò)調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)有釉磚耐磨性的評(píng)判。由表1磨坑形貌和研磨深度的結(jié)果可知，在標(biāo)準(zhǔn)條件下磨坑邊緣存在輕微的毛刺和邊界弧度，磨坑的研磨深度約為363 μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)有釉磚的釉層厚度(低于100 μm)。當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)壓力40 N下磨輪轉(zhuǎn)數(shù)由150轉(zhuǎn)減少到15轉(zhuǎn)時(shí)(表1中條件A)研磨深度由363 μm減少到92 μm，但此時(shí)磨坑邊緣的毛刺和邊界弧度都較為嚴(yán)重，會(huì)對(duì)弦長(zhǎng)的測(cè)量結(jié)果造成較大的主觀誤差。當(dāng)磨輪載荷由標(biāo)準(zhǔn)的40 N降低到6 N(低于6 N時(shí)磨輪會(huì)晃動(dòng)，使得磨輪與樣品和磨料難以穩(wěn)定接觸)，磨輪轉(zhuǎn)數(shù)為50轉(zhuǎn)時(shí)(表1中條件B)研磨深度約為91 μm，此時(shí)磨坑邊緣的毛刺和邊界弧度一樣都較為嚴(yán)重，也難以作出精準(zhǔn)的測(cè)量。考慮到有釉磚的釉層硬度和耐磨性基本上都低于石英玻璃，無(wú)釉磚耐磨深度法測(cè)定有釉磚要實(shí)現(xiàn)有效區(qū)分時(shí)研磨深度將大于有釉磚的釉層厚度，因此該方法不適用于有釉磚耐磨性的測(cè)定。

綜上所述，無(wú)釉磚耐磨深度法不能同時(shí)對(duì)無(wú)釉磚和有釉磚作耐磨性的精確評(píng)判。

表1 不同條件下的磨坑形貌和研磨深度

2.2 有釉磚表面耐磨法的測(cè)試結(jié)果

圖3 拋光磚在有釉磚表面耐磨法下的磨耗值

圖3是5種拋光磚在有釉磚表面耐磨法12 000轉(zhuǎn)下的磨耗，其耐磨性能由大到小的順序?yàn)镻3>P2>P4>P1>P5，并且5種拋光磚的磨耗值差異顯著。對(duì)比圖2可知，采用有釉磚表面耐磨法測(cè)磨耗的方法比采用無(wú)釉磚耐磨深度法測(cè)磨損體積的方法有更大的區(qū)分度，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)量化?？紤]到拋光磚的體積密度差異較小，用磨耗結(jié)果來(lái)取代磨損體積結(jié)果可在不降低結(jié)果精確性的情況下使操作更為簡(jiǎn)便。

表2是5種拋釉磚采用有釉磚表面耐磨法的目視評(píng)價(jià)分級(jí)和12 000轉(zhuǎn)下的磨耗值。結(jié)果顯示，在目視評(píng)價(jià)中，淺色磚具有較高的可見(jiàn)磨損的研磨轉(zhuǎn)數(shù)，可被評(píng)定為更高的耐磨性分級(jí)。反之，深色磚的可見(jiàn)磨損的研磨轉(zhuǎn)數(shù)較低，被判定的耐磨性分級(jí)也較低。例如白色磚G1的12 000轉(zhuǎn)磨耗值高達(dá)361 mg，但目視評(píng)價(jià)的結(jié)果是2 100轉(zhuǎn)和4級(jí)；棕色磚G3、灰色磚G5的12 000轉(zhuǎn)磨耗值分別為209 mg、172 mg，但目視評(píng)價(jià)的結(jié)果只是1 500轉(zhuǎn)和3級(jí)。同樣，G4的12 000轉(zhuǎn)磨耗值比G2低39%，但G4的可見(jiàn)磨損的研磨轉(zhuǎn)數(shù)并沒(méi)有比G2高，在目視評(píng)價(jià)中卻是更低。除了研磨轉(zhuǎn)數(shù)的跨度大導(dǎo)致區(qū)分精度有限外，目視評(píng)價(jià)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確評(píng)判的根本原因。這是由于GB/T 3810.7—2016中規(guī)定目視評(píng)價(jià)是人站立在觀察箱外2 m處觀察試樣在裝有6 000～6 500 K熒光燈的觀察箱里的可見(jiàn)磨損痕跡情況。雖然磚在近距離看時(shí)已經(jīng)磨損得十分嚴(yán)重，但在觀察箱里卻有更多主觀因素的影響，導(dǎo)致在目視評(píng)價(jià)時(shí)淺色磚的釉面磨痕比深色磚的釉面磨痕更難目測(cè)識(shí)別。此外，拋釉磚和仿古磚不同的光澤度也會(huì)對(duì)目視評(píng)價(jià)造成很大的主觀影響。因此，用磨耗值來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)除了可以避免受樣品顏色和光澤等因素的影響，還能實(shí)現(xiàn)精確量化和有效區(qū)分。

表2 拋釉磚在有釉磚表面耐磨法下的測(cè)定結(jié)果

若將圖3中的5種拋光磚和表2中的5種拋釉磚在有釉磚表面耐磨法12 000轉(zhuǎn)下的磨耗值進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果由小到大的排列順序?yàn)镚4

圖4 拋光磚在Taber耐磨試驗(yàn)法下的磨損體積

綜上所述，有釉磚表面耐磨法測(cè)磨耗的方法有效地避免了目視評(píng)價(jià)方法的不足，可同時(shí)對(duì)無(wú)釉磚和有釉磚作耐磨性的精確評(píng)判。

2.3 Taber耐磨試驗(yàn)法的測(cè)試結(jié)果

圖4是5種拋光磚在Taber試驗(yàn)機(jī)下的磨損體積，其耐磨性能由大到小的順序?yàn)镻3>P4>P2>P1>P5，并且5種拋光磚的磨損體積差異顯著。對(duì)比圖2可知，同樣都是測(cè)量磨損體積，Taber耐磨試驗(yàn)法結(jié)合表面輪廓儀時(shí)可得到更精確的結(jié)果，與有釉磚表面耐磨法測(cè)磨耗的方法一樣可對(duì)拋光磚的耐磨性實(shí)現(xiàn)有效的區(qū)分。

準(zhǔn)確測(cè)量環(huán)狀磨坑(見(jiàn)圖5(a))的橫截面積是獲得磨損體積的關(guān)鍵步驟。當(dāng)測(cè)量拋釉磚時(shí)，由于拋釉磚的拋光程度遠(yuǎn)不如拋光磚，無(wú)法得到完全平整的釉面，用表面輪廓儀測(cè)量環(huán)狀磨坑橫截面時(shí)在有限的空間內(nèi)難以得到平整的基線(見(jiàn)圖5(b))，從而導(dǎo)致儀器難以讀取到準(zhǔn)確的結(jié)果。若是有釉磚表面不平整(如仿古磚)，由于磨輪和釉面不能充分接觸，得到的磨坑更不規(guī)則,基線更不平整(見(jiàn)圖5(c))，用表面輪廓儀讀取數(shù)據(jù)時(shí)就更難得到準(zhǔn)確的結(jié)果。此外，有釉磚的釉層和坯體存在一定的膨脹系數(shù)差異，在燒成冷卻的過(guò)程中釉層會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，Taber耐磨試驗(yàn)法制備樣品時(shí)需要在樣品中間開(kāi)孔來(lái)固定樣品，則會(huì)破壞有釉磚釉層的應(yīng)力狀態(tài)，使得結(jié)果可能會(huì)與實(shí)際不符。

綜上所述，Taber耐磨試驗(yàn)法雖然能對(duì)無(wú)釉磚實(shí)現(xiàn)精確的評(píng)價(jià)，但并不太適合對(duì)有釉磚的測(cè)定。

圖5 環(huán)狀磨坑

3 結(jié) 論

(1)無(wú)釉磚耐磨深度法和Taber耐磨試驗(yàn)法可通過(guò)磨損體積的大小對(duì)無(wú)釉磚進(jìn)行耐磨性的測(cè)定，后者可獲得比前者更精確的結(jié)果，但兩者都不適合用于有釉磚耐磨性的測(cè)定。

(2)有釉磚表面耐磨法用磨耗質(zhì)量大小取代目視評(píng)價(jià)可得到更客觀和精準(zhǔn)的結(jié)果，可同時(shí)用于無(wú)釉磚和有釉磚耐磨性的測(cè)定，有望突破原有標(biāo)準(zhǔn)的局限性。