混凝土表面增硬剂的研究

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摘 要：叙述了该产品目前在国内的状况，分析了试验所需标准的适用性，介绍了材料的选择、试验过程、试验结果及分析。
关键词：增硬剂；试验方法；材料的非匀质性；耐磨性能 20 世纪90 年代早期，国内一些合资、外资企业率先在其厂房地面上采用了混凝土表面增硬剂。当时，国内还没有生产混凝土表面增硬剂的企业，混凝土表面增硬剂多为进口。随着产品需求量的增加，引起了一些科研部门和企业对该产品的关注，到上世纪90 年代后期，全国已经有数家国外独资企业、合资企业、国内独资企业生产混凝土表面增硬剂，混凝土表面耐磨材料在我国得到了迅速发展，但其中我国自主研制、生产的企业为数寥寥。 一方面，对诸如路面、停机坪、停车场等基础工程既要求有良好的耐磨、抗冲击性能，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，我国工程界传统的作法是在混凝土表面加铁屑等材料以增加耐磨性。这些作法有其明显的缺点，如混凝土表面加上铁屑，在潮湿或有明水存在的环境下，铁屑容易氧化生成氧化铁产生体积膨胀，这种膨胀会对水泥石产生破坏作用，进而影响混凝土表面的耐久性能。这种有市场需求，同时我国工程界传统的作法又有缺陷这一矛盾共存的局面对我国科研部门、企业自主研制开发混凝土表面耐磨材料提供了一个良好的发展空间。1 试验方法的分析与选用
我国目前在材料耐磨性能试验方法标准中，被普遍应用的有《天然饰面石材试验方法耐磨性试验方法》与《无机地面材料耐磨性试验方法》两种。通过对标准内容的分析研究，我们选择《无机地面材料耐磨性试验方法》标准作为本课题的试验方法，其原因如下： 采用《无机地面材料耐磨性试验方法》标准，试件容易制作。《天然饰面石材试验方法耐磨性试验方法》标准中，要求试件为直径尺寸25 mm±0.5 mm、长60 mm 圆柱体，这需要特殊模具或特殊方法如钻心取样等，试件制作比较烦琐；而《无机地面材料耐磨性试验方法》标准中，要求试件平面尺寸不小于100 mm×15 mm 即可，试件制作比较容易。 从材质方面来讲，采用《无机地面材料耐磨性试验方法》标准更接近实际。《天然饰面石材试验方法耐磨性试验方法》标准中，天然石材主要是指花岗岩与大理石，这两种材料结构比较均匀致密；混凝土表面耐磨材料多为复合型，由胶结材、集料和改善施工性能的组分组成，属非匀质材料，在同一水平层面上有可能胶结材较多集料较少，或者胶结材较少集料较多，测试结果必然与实际情况存在很大误差；而《无机地面材料耐磨性试验方法》是在一个固定区域向垂直方向进行磨蚀试验，在一定时间内圆弧形试验器具可以磨蚀试件的多个层面，可以减小材料的非匀质性带来的误差。 从试验结果的表述方面来看，采用《无机地面材料耐磨性试验方法》标准，结果表述更为科学。《天然饰面石材试验方法耐磨性试验方法》标准中，试验结果是以完成规定转数时材料的磨损率来表述的，是一个相对值。这种结果表述方法对比较同质材料的耐磨性可能不会有误差，但对比较人工成型、不同质、非匀质、不同密度材料的耐磨性而言，其误差是显而易见的；而《无机地面材料耐磨性试验方法》标准中，试验结果是以规定时间内材料的磨损体积或磨坑长度来表述的，是一个绝对值。这种表述方法不论材料有什么不同，其结果能比较公正地反映出材料的耐磨性，且更为直观。2 材料选择与性能试验比较
混凝土表面耐磨材料是由胶结材、集料与改善施工性能的材料组成的，材料选择是否得当将直接影响最终产品的性能。所选材料应具备性能良好、来源广泛、价格适当等特点，在充分考虑这些原则的基础上，我们选择了如下几种材料作为试验的原材料。 胶结料：考虑表面耐磨材料与混凝土材料材质的相容性、表面之间的粘结牢固性，选择J1、J2 两种材料作为试验用胶结料。 集料：集料是表面耐磨材料的关键组成组分，对表面耐磨性能的影响至关重要。在充分考虑其应具备性能良好、来源广泛、价格适当这些原则的基础上，选择由工业生产边角余料形成的产品作为一种集料N1，其硬度为莫氏7～8；另外几种为天然物质经加工形成的产品N2、N3、N4，N2、N3、N4 为同种材料但粒径不同，其硬度为莫氏7；两者均为非金属耐磨材料。3 性能试验比较
3.1 同种耐磨集料、不同配比的强度、耐磨性能的关系
考虑到这一试验的目的是比较配比与强度、耐磨性能的关系，所以只选择J1、N1 混合料做为试验对象，试验结果见表1。表1 相同J、N，不同配比情况下强度和耐磨性能 按照《无机地面材料耐磨性试验方法》，一般规定试验时间为1 min，为分析非匀质材料的耐磨性能与试验方法的关系，试验时特采集了试验时间分别为1、2、3 min 时的数据，但在表述耐磨性能时以1 min 磨耗体积为准。表1 中试验编号1～9 为N1/J1 逐渐增大，当N1/J1 增大时，其强度基本体现出逐渐减小的态势，而其磨耗体积则呈逐渐增大的趋势，即，随着强度的降低磨耗体积逐渐增大，但磨耗体积与强度之间并未呈现简单的线性关系。当N1 比例增加到一定值时，强度虽然降低，但其磨耗体积值却有下降的趋势。这说明耐磨性能不仅与强度有关系，而且与耐磨集料所占的比例有直接关系。从图1、图2 可以比较直观地看出这一结果。图1 N1/J1 与抗压强度的关系图2 N1/J1 与耐磨性能的关系3.2 不同耐磨集料、不同比例与强度、耐磨性能的关系
根据如上配比与强度、耐磨性能之间关系的试验结果，我们知道，同种集料不同配比所体现的强度和耐磨性能有较大的差别，从综合性能、产品经济因素方面来考虑，选择编号为710—4、712—9 这两组配比进行试验，分别称之为A 组配比、B 组配比。这个试验是在J、N 比例总体不变的情况下，改变N1、N2 之间的比例，测试不同耐磨集料、不同比例混合情况下强度和耐磨性能。通过试验得出表2 的结果。表2 不同集料、不同配比情况下强度和耐磨性能
表2 的试验结果显示：在强度方面，A 组配比在N1/N2增大时，强度在一点上有一个跳跃式增长，随后强度增长速率变慢，但增长趋势未变，即在一定范围内强度随N1 比例增加而增加；B 组配比在N1/N2 由小增大时，强度在一点上有一个跳跃式增长，但随后强度不仅不再增长，反而随N1/N2逐渐增大强度呈逐渐下降趋势，即在一定范围内强度随N1 比例的增加而增加，但当N1 增加到一定值后，强度却随N1 比例的增加而减小。试验结果所展现的规律在图3 的折线图中表现得更为清楚。上述规律表明，N1/N2 在一定范围内的变化对A 组配比、B 组配比的强度发展有着截然相反的影响，即，对不同的N/J 而言，其强度不仅受N/J 的影响，而且受N 种类的影响。图3 A 组配比、B 组配比在N1/N2 变化时强度的变化 在耐磨性能方面，A 组配比与B 组配比所体现的规律完全相同。在所做的试验范围内1 min 磨耗体积随N1 比例的增加而增加，即随N1 比例的增加耐磨性能降低，但A 组配比与B 组配比相比，其1 min 磨耗体积的绝对值要小得多，从图4的棱柱图来看，在视觉上更能体现出数值上的差异。A 组配比与B 组配比不同的是，总体上讲，随N1 的增大A 组配比的强度增加、耐磨性能下降；B 组配比则随N1 的增大强度降低、耐磨性能下降。上述试验结果表明：对不同的N/J 而言，耐磨性能不仅受N/J 的影响，而且受N 种类的影响；同时也表明，在一定的条件下，耐磨性能并不是与强度成正比关系，这个结论验证了3.1 中配比与强度、耐磨性能的关系中的试验结论。图4 A 组配比、B 组配比在N1/N2 变化时耐磨性能的变化3.3 材料的非匀质性
测定材料的耐磨性能时在试件的同部位分别采集了在1、2、3 min 时的数据。首先，对前面的试验数据进行整理，按第1 min 磨耗体积绝对值由小到大的顺序排列，第2、3 min磨耗体积绝对值数据按其试件在第1 min 磨耗体积绝对值所在的排列位置对应排列。整理出的数据排列在表3 中。表3 1 min 磨耗体积绝对值按顺序排列
如果所制作的试件其材质是均匀的，按照上面所述的试验方法可在1 min 的磨坑上测得到2 min 时的数据、在2 min的磨坑上测得到3 min 时的数据。由于试验器具与试件接触的面积逐渐增加，第2、3 min 磨耗体积绝对值应该比第1 min磨耗体积绝对值有所增加；如分别将各个试件在第1、2、3 min磨耗体积绝对值相连绘成折线，所绘得的三条折线应该是平行的，且第3 min 的折线在最上方、第1 min 的折线在最下方。实际折线示意见图5。 图5 磨耗体积比较 图5 的折线图显示，三条折线并没有象上述分析的那样呈平行状态和所描述的位置，第2、3 min 的折线形态呈无规律的上下波动，而且其值除极个别外均低于第1 min 折线的值。这表明，人工制作成型的耐磨材料试件是非匀质的，当然不排除试验方法带来的误差，但更应注意到一方面在三条折线中磨耗体积绝对值相差较大的几个试件分别为2、6、11、15、16、18，其中6、15、16、18 为N/J 较大，2为N/J 适中但N1/N2 较小，只有11 为N/J 适中且N1/N2 较大，即，当N、或N2 的比例较大时容易造成材料的非匀质性，试验方法带来的误差则很小。3.4 原材料、配比的选定，几种同类、相近产品耐磨性能比较
通过如上一系列的试验，我们认为试验中采用集料N1 的种类与细度对提高产品的耐磨性能并无实质上的作用，因此决定用N4 替代N1，并增加集料N3，胶结材为J1、J2。以3.2中的试验为依据，在耐磨性能较好的配比的基础上进行调整，确定 C、D 两组配比进行试验，试验结果见表4。表4 C、D 两组配比试验结果
表4 的数据表明，C 组配比的耐磨性能明显好于D 组配比，而且优于3.1、3.2 节中配比试验中的结果，因此，C 组配比为最终优选配比。同时也说明胶结材料和耐磨集料的粒径对耐磨性能有很大的影响。 为比较本产品与同类、相近产品的耐磨性能，课题组采集了外国某独资企业的同类产品样品，并按照本产品相同的试验方法成型了该样品及M20 普通水泥砂浆的试件，进行了耐磨性能的检测。同时，收集了辽宁省内诸多厂家生产的路面砖的耐磨性能检测数据，数据列于表5 中。表5 本产品与同类、相近产品的耐磨性能 从表5 中的数据来看，本产品的耐磨性能明显好于外国某独资企业的同类产品、M20 普通水泥砂浆及辽宁省内诸多厂家生产的路面砖的耐磨性能。因此从性能上来说，本产品已具备成为具有市场竞争力所要求的技术保证。4 结束语
通过原材料的选择、一系列试验及与同类、相关产品耐磨性能的比较，可以得出如下结论： (1)对同种集料、胶结料而言，当集料与胶结料之比增大时，其强度降低耐磨性能下降，但强度与耐磨性能不呈现简单的线性关系；当集料与胶结料之比增大到一定值时，强度虽然降低但耐磨性能却有增高的趋势。 (2)对不同种集料、同种胶结料而言，其强度不仅受集料与胶结料之比的影响，而且受不同种类集料、不同集料之间比例的影响，同时这种影响也反映到耐磨性能上，可以说集料的选择对耐磨性能的好坏至关重要。 (3)不同的胶结料，同种集料、不同粒径对耐磨性能有很大影响。 (4)此类耐磨材料具有非匀质性。 (5)该耐磨材料的耐磨性能优于国外同类产品、国内相近产品，具备市场要求的技术保证，可以用于实际工程当中。

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