陶瓷砖防滑性能检测原理初探

2019-11-29 09:11:03 佛山陶瓷 2019年10期

盛正强

摘 要:本文列举目前国内外对陶瓷砖防滑性能的检测标准、设备及操作与判定方法,分析了各类标准的特点,从做功和能量的角度剖析了各检测标准的原理,研究了应用各标准所检测的陶瓷砖表面摩擦系数与能量之间的相互关系。

关键词:防滑;检测标准;检测原理;摩擦力;摩擦系数;摩擦做功

1 前 言

陶瓷砖表面的防滑性能是其一个重要的性能指标。近些年随着出口增长,许多陶瓷厂家对陶瓷砖的防滑性能也越来越重视。陶瓷砖的防滑性能实际是属于摩擦学的范畴,而摩擦学本身相当复杂,各国对陶瓷砖表面的防滑性能检测标准也各有不同。所检测的方法、原理均有不同,较难统一,在实际操作过程中会采用多种标准进行检测。因此,我们根据陶瓷砖所实际使用的装饰空间,模拟实际应用场所,来研究和讨论陶瓷砖表面的防滑性能。

相互接触的物体当产生位置移动时就会有摩擦现象。陶瓷砖表面的防滑机理检测,理论上说是物理学中的摩擦力的检测,检测设备也是根据物理学的原理设计出来的。摩擦力本身较为复杂,它可分为静摩擦和动摩擦,静摩擦有最大静摩擦,动摩擦又有滑动摩擦和滚动摩擦。根据物理学库伦摩擦定律性质,对于固定的材料而言其摩擦系数不是个变量。但各类研究试验表明,各种材料的摩擦系数会随不同环境条件而发生变化[3]。且依据物理学的摩擦力计算公式,摩擦系数大小与接触物的速度没关系,这也与实际不符。当接触面物体的运动速度提高,不少材料的摩擦系数会降低。古典的摩擦定律不能准确全面地反映滑动摩擦规律[1]。所以进一步分析摩擦系数,对研究陶瓷砖的防滑性能具有十分重要意义。

2 陶瓷砖的检测标准

2.1 美国标准[7]

2.1.1 设备介绍

(1)检测设备名称

静摩擦系数ASM825A测试仪,见图1;数显BOT-3000E地板滑度测试仪,见图2。

(2)检测设备结构[5]

ASM825A测试仪采用3片橡胶块,粘在一块铝合金板上组成滑块组件,配重块的重量为22 kg;BOT-3000E地板滑度测试仪,在底部安装了带有传感器的SBR橡胶滑块,滑块在一定压力作用下可紧密接触陶瓷砖测试面。

(3)设备操作方法

ASM825A测试仪操作前清洁传感器,小心水平放稳测滑仪。采用陶瓷砖作为标准板,拖动滑块组件,至测试仪与陶瓷砖水平表面产生相对运动趋势,记录瞬间的拉力值,计算此时静摩擦系数,按上述操作不同方向和位置多测几次,按标准中的规定,校准及修正结果,见图3。

检测陶瓷砖外表的防滑性能前,先用液体涂抹和润湿待测外表,再将防滑测试仪置于预处理的外表面,选择操纵界面合适的测试标准开始测试,设备会自动记录测试结果。

2.1.2 参考标准

采用ANSI/NFSI B101.1-2009,ANSI/NFSI B101.3-2012,ANSI A137.1-2012标准。

2.1.3 防滑等级要求

依据ANSI A137.1-2012 标准,室外地砖的湿态动摩擦系数应超过0.42。

2.1.4 防滑测试原理

ASM825测试仪是经由过程拉力计拖动滑块组件,与陶瓷砖被测试面发生相对滑动的过程,从而测出在干湿的条件下陶瓷砖的静摩擦系数值,该摩擦系数值是按照滑块组件与其相接触的陶瓷砖表面之间发生移动所必要的外部施加的拉力所计算出的。BOT-3000E地板滑度测试仪是测试设备在陶瓷砖表面匀速运动过程中,设备能自动记录SBR橡胶滑块与接触面的滑动摩擦系数。

这两种测试方法本身存在着差异,相对于同一物体的表面,其摩擦系数基本恒定。我们知道,相接触的物体表面产生滑动瞬间的最大静摩擦系数要大于运动时的滑动摩擦系数,且两种设备的配重、摩擦滑块材质、表面粗糙程度都不尽相同。也有研究表明[2],影响摩擦系数的大小是摩擦表面材料的硬度、强度、几何特性、表面粗糙度、正压力及加载性质、表面洁净度、外界杂质的存在、摩擦表面尺寸、形状等各种影响因素综合作用的结果。故两者所测试出的数据也无可比性,但可作为判定是否防滑的等级依据。

2.2 德国标准[8]

2.2.1 设备介绍

(1) 检测设备名称:斜坡法防滑测试仪,见图4。

(2) 检测设备结构:该设备是按照DIN-51097,DIN51130:2014-02和ISO草案10545-17附录C制造的,主要由涂漆钢框架,可调角度不锈钢平台布置100×50 cm由瓷砖木板粘合的面板组合而成。

(3)检测设备操作

操作员必须配戴安全带和特制鞋,并以直立状态在测试材料面板上行走,實验板以一定速度倾斜,直到操作人有产生滑动的不安全状态时停止,此时倾斜面与水平面存在着一个角度,这个角度即为陶瓷砖防滑的动态临界角。为了获得更精确的测定值,重复测试几次接近这个角度的测定值。

2.2.2 参考标准

德国标准DIN 51097:1992,DIN51130:2014-02 。

2.2.3 防滑等级要求

德国标准DIN 51097:1992和DIN 51130:2010中,规定了防滑动态临界角与防滑类别的判定级别,见表3。德国工业标准BGR 181-2004 The standard for slip prevention on parquet and hardwood floors in working areas采用了DIN 51130的测试方法和分类方法,并规定了不同场合使用的地面材料应达到的防滑等级[8]。

2.2.4 防滑测试原理

德国标准模拟了实际生活中的运动状态,是测试陶瓷砖与水平面的动态临界角。测试者随着测试面与水平夹角的增大会出现滑动,此时的角度为动态临界角。测试的角度逐渐增加,作用在测试面的正向压力会逐渐减小,最终在动态临界角状态时出现相对滑动,此时可测出陶瓷砖测试面的最大静摩擦系数。但在测试中也会因为测试人员的控制操作延时、站立于陶瓷砖测试面的姿态改变等因素影响,会存在一些误差。

2.3 英国标准[6,9]

2.3.1 设备介绍

(1)检测设备名称:便携式、数字化钟摆式湿滑性能英国MUNRO测试仪,见图5。

(2)检测设备结构:主要由机架、摆锤和摆锤杆、橡胶滑块、指针和刻度盘组成。陶瓷砖测试利用4S(96)橡胶滑块,国际硬度值为96±2 IRHD。

(3)检测设备操作:释放锁定开关,将具有一定势能的摆锤摆动划过试件表面规定的距离后摆向另一侧,指针被摆锤上的指针推动环带动,随摆锤一起摆动到另一侧后停留并显示出摆锤的最高位置。

2.3.2 参考标准

设备符合国际标准BS 7976-2:2002 Pendulum testers-Part 2:Method of operation,BS EN13036-4等26个不同国际细节标准。广泛被健康安全顾问公司、地板和瓷砖厂商、材料测试实验室、公路代表处、当地理事会、休闲场所、专家证人、建筑维修专家等使用[9]。

2.3.3 防滑等级要求

英国UK Slip Resistance Group在UKSRG 2005运用的防滑机能评价方式见表4。

2.3.4 防滑测试原理

该法是测试各材质使用表面的动态摩擦系数。摆锤的最初静止时具有的势能损耗等于橡胶块滑过测试陶瓷砖表面,产生的摩擦阻力克服测试表面所损失的势能来评判测试表面的止滑能力,即克服陶瓷砖表面摩擦阻力所做的功来计算陶瓷砖表面的摩擦系数。

摆锤法以能量的损耗较为科学地计算出陶瓷砖表面的摩擦阻力做的功,但也会存在误差。实际测试中,每次都会在陶瓷砖表面留下橡胶块摩擦后的碎屑,即橡胶块有磨损,虽然每次检测会有矫正,但橡胶块磨损到4 mm时才更换,后续测试接触面积会一次比一次增加,且接触陶瓷砖表面时所具有的动能也最大,速度最快。根据相关应用研究[3],此时摩擦力大小和接触面积、物体运动速度有关,摩擦瞬间产生的热能多,能量损耗增加。实际检测中也发现,随橡胶块的磨损,摆锤PTV值结果也要偏大,甚至可达10。

2.4 澳洲标准[10]

澳洲的标准AS/NZ4586:2004规定了A、B、C、D共4种方法,其中A采用摆锤法测试湿滑条件下的防滑性能,测试方法与英国的BS 7976类似;B划定了干燥状态下动摩擦系数的测试方式,与意大利承认的B.C.R.A.方法类似;B.C.R.A.测试方法是在干湿条件下,模拟人行走时候脚后跟的状态,测试陶瓷砖表面与橡胶之间的动摩擦系数。C和D的检测方法及判定安全级别的标准与德国标准DIN 51130和DIN 51097相同。其中,防滑类别划分见表5。

2.5 国家标准

国家GB/T 35153-2017 防滑陶瓷砖标准,测试方法与英国的BS 7976类似,将具有一定势能的摆锤摆动划过试件表面规定的距离后摆向另一侧,以摆锤在此过程中因克服试件表面摩擦阻力的作用而损失的势能评价试件表面的阻滑能力。但国家GB/T 35153-2017防滑陶瓷砖标准测定的是一个数值,没有说明产品是否安全或者评判防滑等级。摆锤法规定的PTV数值范围严谨性稍有欠缺,在两个相邻等级两端之间的数值没有规定处于哪个等级范围,而实际仪器指针是可以表示出来的,比如处于44和45之间的数值,取向哪个等级就不好判别。当然也可能是因为刻度盘数值估算范围较大,故此这一小点的数值可以忽略。

3 原理分析

3.1 各检测标准的原理

3.1.1 美标摩擦法检测

按照美标标准,此法实际是检测瞬间拉动橡胶滑块的拉力与摩擦力的平衡力,见图6。除去空气阻力等因素,理论上拉动橡胶滑块mg在陶瓷砖表面水平滑动一段距离S后的拉力,与阻碍橡胶滑块滑动的摩擦力f认为是一致的。平衡拉力F在此过程中所做的功W,即为摩擦力f所做的功W,根据公式W=FS,F=μN,测试表面摩擦系数与做功之间的关系如式(1):

其中N为正压力,这里实际是检测设备的自重,μ表示橡胶滑块与陶瓷砖表面的摩擦系数。当做功一定,滑块重量不改变时,滑块移动的距离越长说明陶瓷砖表面的摩擦系数越小;反之,滑动路程越短,陶瓷砖测试面的摩擦系数就越大。

3.1.2 德标动态临界角检测

依据德标检测操作规程,操作人员是直立于操作平面,测试平面与水平夹角逐渐增加,直至操作测试人员产生不安全的滑动为止。实际检测设备虽以中间为轴,测试人员在测试面走动,但仍可实验模拟此过程。此过程中,检测操作人员与检測面瞬间产生滑动的摩擦时的斜面倾斜角,从而判定检测面的摩擦系数的大小,见图7。

当操作员被垂直移动h高度,斜面夹角θ时,处于开始滑动的不安全状态,此时操作员相对于水平面增加的势能W可以表示为:

从式(2)可以知道,斜面夹角θ逐渐最大,其势能增加,所做功也越多。但物体在斜面的夹角又与其所受的摩擦力有什么关系呢?操作员处于斜面夹角θ时有不安全的滑动状态,此时操作员G实际已产生了两个分量,且这两个分量是随着斜面夹角θ的变化而变化的。一个分量沿斜面向下滑动的力F1,另一分量为垂直作用在斜面的正压力F2。此时F1与操作员接触陶瓷砖表面产生的摩擦力方向相反,大小相等;F2与斜面的支撑力N也是方向相反,大小相等。此时操作员的霎时所受摩擦力可按如下方式计算为:

分量F1与摩擦力f为一对平衡力,故:

结合式(3)和(4),摩擦系数μ=tgθ[1,2]。以斜面一处固定为转轴,增大θ角当操作员相对于水平面垂直移动h后,操作员与斜面转轴的距离L不发生变化(L与h成正比,故此处规定不变),此时操作员所具有的势能与测试的斜面摩擦系数间关系可以表示为:

从式(5)可知,倾斜面夹角增大后,操作员要保持具有垂直移动h距离的势能,所需的接触面摩擦系数也要大;反之,接触面的摩擦系数小,操作员则不能保持垂直移动h距离的势能,从而倾斜夹角也减小。

美标和德标实际测定的都是物体在刚滑动时的摩擦力值,然而在许多研究中表明,在滑动刚开始发生时,滑动摩擦力比最大静摩擦小,并随相对速度的增大而减小,当速度继续增大时,又随相对速度的增大而增大[4],故此测定的陶瓷砖摩擦系数值会存在着必然偏差。

3.1.3 英标摆锤法检测

英标摆锤法本身是通过克服摆锤运动中阻力所做功来测定接触面的摩擦系数,实际是动摩擦系数,而美标与德标测定的是静摩擦系数,只不过美标是在水平面上的最大静摩擦,正压力始终保持不变;德标是倾斜面上的最大静摩擦系数,正压力随倾斜角增大而逐漸减小[2]。摆锤释放后,势能Ep逐渐转换成动能,忽略空气阻力的作用,当摆锤到达最低点时势能全部转换成动能Ek。但此时滑块与检测面产生了向后阻碍摆锤运动的摩擦力f,最终摆锤动能部分转换成摩擦力做的功,剩余动能继续摆动转换成一定的势能E,并停止在θ角上,见图8。

摆锤法动摩擦力和动摩擦系数的测定,是在摩擦表面处于不同的滑动速度下作相对运动时进行的[2],这个过程实际是个减速的过程,却不是匀速过程,具有圆周方向的加速度。此处相互接触产生的摩擦, 本质就是能量损耗的过程。姑且认为此时的摩擦阻力所做的功即为滑块滑过所测试陶瓷砖表面的距离与摩擦阻力的乘积。根据能量守恒定律可表示为:Ep = Ek = E + μ·mg·S 。因滑块与测试陶瓷砖表面摩擦力所做的功即是滑块势能的消耗,换算成摆锤夹角θ与测试面摩擦系数之间的关系,可表示为:

其中:

E——摆锤停止摆动时所具有的势能

h——摆锤臂停止运动时的高度

θ——摆锤臂同时与垂直面的夹角

S——滑块与测试面滑过的距离

R——摆锤到支点的悬挂臂长度

f——摩擦阻力

mg——摩擦块和摆锤臂的重心重量

从式(6)可以得出,测试面的摩擦系数与摆锤的夹角余弦成正比,与夹角成反比。即测试面的摩擦系数越大,夹角则越小;测试面的摩擦系数越小,其夹角越大。

4 结 语

各类陶瓷砖防滑性能的测试方法,得出的测试结果有较大差别。美国标准测定水平面上最大滑动摩擦系数,正压力保持不变;德国标准测定倾斜面上最大静摩擦系数,正压力随夹角增大而逐渐减小;英国标准和国标GB/T 35153-2017测定的是水平面上的动摩擦系数,在滑过规定的长度内,滑块存在圆周切线方向的加速度,正压力也随之发生变化。澳洲标准则综合了以上多种检测标准。另外摆锤法规定的PTV数值范围严谨性稍有欠缺,在两个相邻等级两端之间的数值没有规定处于哪个等级范围,且数值范围较宽,同一等级内数值梯度相差9,刻度盘的刻度还不够精准。若在同一等级内再细分成ABC三个等级,则更能直观反映测试表面的防滑级别。现行各种标准的陶瓷砖防滑性能测定方法,都有必然的科学依据,且每种检测方法都存在一定程度的局限性,会有检测误差。但总体来说,需要克服陶瓷砖表面的摩擦力所做的功越多,消耗的能量也就越多,陶瓷砖接触表面的摩擦系数也就越大,防滑性能也越好,使用场所越安全。

参考文献

[1] 滑动摩擦系数的物理意义剖析.汪志城,范德恩.上海机械学院报,1988年第10卷第1期.

[2] 滑动摩擦系数的实验室测定法分析.林复生,张启浩.广西大学学报(自然科学版)第15卷第3期  1990年9月.

[3] 摩擦理论及其应用.华北矿业高等专科学校学报.刘承赫. 2001年1月 第3卷 第4期.

[4] 摩擦力与摩擦系数的几点性质.呼伦贝尔学院学报.刘亚民.  第14 卷第4 期  2006年8月.

[5] 潮湿状态下陶瓷地砖摩擦系数测试方法探讨.何问慎,顾轩, 陆倩映,肖景红.佛山陶瓷 2016 年第6 期(第239 期).

[6] 国家GB/T 35153-2017 防滑陶瓷砖标准.

[7] ANSI/NFSI B101.3-2012 Test Method for Measuring Wet DCOF of Common Hard-Surface Floor Materials (Including Action and Limit Thresholds for the Suitable Assessment of the Measured Values).

[8] DIN 51097-1992 , DIN51130-2014 斜坡防滑测试.

[9] BS 7976-2 2002 British Standard 英国标准.

[10] 澳洲标准AS/NZ 4586:2004 Smaterials surface pedestrian of classification resistance Slip.


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