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摘要： 利用HIT-1型球盘式摩擦磨损实验机干摩擦试验测试掺Nano-SiO2水泥胶砂的摩擦性能，重点考虑Nano-SiO2掺量对其摩擦系数的影响。结果表明：掺入Nano-SiO2可以让水泥胶砂表面更光滑，摩擦系数更小；Nano-SiO2掺量选用1.5%左右时水泥胶砂摩擦系数最小；当Nano-SiO2掺量为0%-1.5%时，水泥胶砂摩擦系数随着Nano-SiO2的增加而显著减小，当Nano-SiO2掺量为1.5%-3.0%时，水泥胶砂摩擦系数开始逐渐增加，但仍低于普通水泥胶砂摩擦系数。
关键词： 纳米混凝土；耐磨性；微摩擦；掺量
中图分类号：TB383文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0320019－02
0 引言
在构筑物的一些关键部位，混凝土耐磨性能不仅是影响其耐久性及安全性的重要指标，而且是保证其使用寿命的重要条件[1]。因而对其耐磨性等方面性能提出了更高要求，在混凝土中应用矿物掺合料以改善其性能，是目前解决这一问题的重要途径，它除了能调整和改善混凝土的各项性能外，还能节约能源和资源，有利于混凝土行业的可持续发展。随着纳米材料在水泥基材料中的推广应用，在混凝土中掺入性能优异的Nano-SiO2将成为一种新的尝试。本文利用HIT-1型球盘式摩擦磨损实验机干摩擦试验测试了掺Nano-SiO2水泥胶砂的摩擦性能，以研究掺入Nano-SiO2对水泥胶砂耐磨性能的作用效果，重点考虑Nano-SiO2掺量对其耐磨性能的影响。
1 试验方案
1.1 试验设备
试验采用HIT-1型球盘式摩擦磨损实验机，其主要技术指标[2]如下：
转速：100-500r／min；最大载荷：W=10N。
1.2 试件
上试件为GCrl5钢标准轴承球。
下试件是水泥胶砂，尺寸为Φ50×20mm。
1.3 试验方案
为分析掺Nano-SiO2水泥胶砂磨削表面纹理的摩擦性能，测出其7d龄期下的摩擦系数。本实验采用0、0.5、1、1.5、2、2.5、3.0等7个不同的Nano-SiO2（为德国瓦克公司生产的气相法二氧化硅，又叫气相法白炭黑）掺量分别测定掺Nano-SiO2水泥胶砂的摩擦系数，并分析摩擦系数和Nano-SiO2掺量的关系。试验机参数设置如下：上下试件之间的重力荷载选为4N；下试件轴的转速取n=l80r/min，半径r=16mm；摩擦磨损实验时间为300秒。每个掺量制备5个试件做微摩擦试验，以一组五个测定值的算术平均值作为该掺量下的摩擦系数值。每盘水泥胶砂投料量见表1。
注：C－水泥，W－拌和水， NS－Nano-SiO2，NS掺－掺Nano-SiO2占胶凝材料的百分比，S－砂，减水剂－聚羧酸盐高效减水剂。
2 试验结果
在龄期为7d时进行水泥胶砂的微摩擦试验，试验结果见表2及图1。
3 分析与讨论
3.1 掺Nano-SiO2水泥胶砂摩擦系数曲线分析
由图1可以看出，水泥胶砂摩擦系数随时间变化的规律大致可分为三个阶段：第一个阶段在0-80s内，该阶段摩擦系数波动性较大，原因可能是水泥胶砂试件打磨后，表面仍较粗糙，上下试件接触面放入真实应力变化很大，导致摩擦系数波动较大。第二个阶段在80-240s内，该阶段摩擦系数趋于平稳，波动较小。这是因为随着摩擦时间的增长，产生的磨屑聚集形成了膜，降低了磨粒磨损，因此摩擦系数趋于平稳。第三个阶段在240-300s内，该阶段摩擦系数波动又开始增大，甚至出现跳跃，造成这一现象可能有以下两个原因：1）经过一段时间的磨损后，磨损量逐渐增多，摩擦发热导致上下试件接触面的温度增大，且试件的表面也有破坏的迹象，这就引起了额外的动载荷作用，造成摩擦系数波动；2）上下试件摩擦表面的剧烈擦伤、剪切以及撕裂变形，以及摩擦表面上新接触点开始形成、旧接触点被磨掉，使得摩擦表面粗糙度发生瞬时变化。
3.2 掺Nano-SiO2水泥胶砂摩擦系数与Nano-SiO2掺量的关系
图2给出了试验所得的7d下水泥胶砂摩擦系数与Nano-SiO2掺量Ns关系图。由于试验条件的影响造成结果有一定的离散性，作者对所有数据分析后，进行了修正和剔除。
从图2可以看出，随着Nano-SiO2掺量不同，水泥胶砂摩擦系数变化很明显，本文利用多项式函数进行拟合（拟合系数0.92，效果较好）。
当NS=0%-1.5%时，水泥胶砂摩擦系数随著Nano-SiO2的增加而显著减小，特别是在NS=1.5%时掺Nano-SiO2水泥胶砂摩擦系数减少到了0.230，比普通水泥胶砂摩擦系数减少45%，当NS=1.5%-3.0%时，水泥胶砂摩擦系数开始逐渐增加，但仍低于普通水泥胶砂摩擦系数。
以上分析表明，Nano-SiO2掺入可以让水泥胶砂摩擦系数显著降低，但两者关系并不是绝对线性的。Nano-SiO2掺入过多反而会引起摩擦系数增加，主要原因是Nano-SiO2材料需水量大，Nano-SiO2掺入过多，会使水泥胶砂的和易性显著降低，这会影响水泥胶砂的密实度、孔隙率，从而影响摩擦系数；另外，过多掺入Nano-SiO2会使其在水泥浆体中出现团聚现象，难以分散均匀，不仅不能发挥其作用，还会阻碍水泥产物的扩散，导致水泥水化不充分，密实性降低，引起水泥胶砂摩擦系数增加。
4 结论
基于室内掺Nano-SiO2水泥胶砂微摩擦试验，测定了掺Nano-SiO2水泥胶砂摩擦系数，通过试验图形及数据拟合分析，可得出以下结论：
1）掺入Nano-SiO2可以让水泥胶砂表面更光滑，摩擦系数更小。
2）当NS=0%-1.5%时，水泥胶砂摩擦系数随着Nano-SiO2的增加而显著减小，当NS=1.5%-3.0%时，水泥胶砂摩擦系数开始逐渐增加，但仍然低于普通水泥胶砂摩擦系数。
3）根据实验分析，Nano-SiO2掺入量选用1.5%左右时水泥胶砂摩擦系数最小。
参考文献：
[1]李华、程英华，我国水泥混凝土路面的现状与问题[J].公路，1994
（05），1-4,49.
[2]朱双霞，磨削表面纹理表征及其摩擦特性研究[D].南昌：南昌大学，2007.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
关键词： 纳米混凝土；耐磨性；微摩擦；掺量
中图分类号：TB383文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0320019－02
0 引言
在构筑物的一些关键部位，混凝土耐磨性能不仅是影响其耐久性及安全性的重要指标，而且是保证其使用寿命的重要条件[1]。因而对其耐磨性等方面性能提出了更高要求，在混凝土中应用矿物掺合料以改善其性能，是目前解决这一问题的重要途径，它除了能调整和改善混凝土的各项性能外，还能节约能源和资源，有利于混凝土行业的可持续发展。随着纳米材料在水泥基材料中的推广应用，在混凝土中掺入性能优异的Nano-SiO2将成为一种新的尝试。本文利用HIT-1型球盘式摩擦磨损实验机干摩擦试验测试了掺Nano-SiO2水泥胶砂的摩擦性能，以研究掺入Nano-SiO2对水泥胶砂耐磨性能的作用效果，重点考虑Nano-SiO2掺量对其耐磨性能的影响。
1 试验方案
1.1 试验设备
试验采用HIT-1型球盘式摩擦磨损实验机，其主要技术指标[2]如下：
转速：100-500r／min；最大载荷：W=10N。
1.2 试件
上试件为GCrl5钢标准轴承球。
下试件是水泥胶砂，尺寸为Φ50×20mm。
1.3 试验方案
为分析掺Nano-SiO2水泥胶砂磨削表面纹理的摩擦性能，测出其7d龄期下的摩擦系数。本实验采用0、0.5、1、1.5、2、2.5、3.0等7个不同的Nano-SiO2（为德国瓦克公司生产的气相法二氧化硅，又叫气相法白炭黑）掺量分别测定掺Nano-SiO2水泥胶砂的摩擦系数，并分析摩擦系数和Nano-SiO2掺量的关系。试验机参数设置如下：上下试件之间的重力荷载选为4N；下试件轴的转速取n=l80r/min，半径r=16mm；摩擦磨损实验时间为300秒。每个掺量制备5个试件做微摩擦试验，以一组五个测定值的算术平均值作为该掺量下的摩擦系数值。每盘水泥胶砂投料量见表1。
注：C－水泥，W－拌和水， NS－Nano-SiO2，NS掺－掺Nano-SiO2占胶凝材料的百分比，S－砂，减水剂－聚羧酸盐高效减水剂。
2 试验结果
在龄期为7d时进行水泥胶砂的微摩擦试验，试验结果见表2及图1。
3 分析与讨论
3.1 掺Nano-SiO2水泥胶砂摩擦系数曲线分析
由图1可以看出，水泥胶砂摩擦系数随时间变化的规律大致可分为三个阶段：第一个阶段在0-80s内，该阶段摩擦系数波动性较大，原因可能是水泥胶砂试件打磨后，表面仍较粗糙，上下试件接触面放入真实应力变化很大，导致摩擦系数波动较大。第二个阶段在80-240s内，该阶段摩擦系数趋于平稳，波动较小。这是因为随着摩擦时间的增长，产生的磨屑聚集形成了膜，降低了磨粒磨损，因此摩擦系数趋于平稳。第三个阶段在240-300s内，该阶段摩擦系数波动又开始增大，甚至出现跳跃，造成这一现象可能有以下两个原因：1）经过一段时间的磨损后，磨损量逐渐增多，摩擦发热导致上下试件接触面的温度增大，且试件的表面也有破坏的迹象，这就引起了额外的动载荷作用，造成摩擦系数波动；2）上下试件摩擦表面的剧烈擦伤、剪切以及撕裂变形，以及摩擦表面上新接触点开始形成、旧接触点被磨掉，使得摩擦表面粗糙度发生瞬时变化。
3.2 掺Nano-SiO2水泥胶砂摩擦系数与Nano-SiO2掺量的关系
图2给出了试验所得的7d下水泥胶砂摩擦系数与Nano-SiO2掺量Ns关系图。由于试验条件的影响造成结果有一定的离散性，作者对所有数据分析后，进行了修正和剔除。
从图2可以看出，随着Nano-SiO2掺量不同，水泥胶砂摩擦系数变化很明显，本文利用多项式函数进行拟合（拟合系数0.92，效果较好）。
当NS=0%-1.5%时，水泥胶砂摩擦系数随著Nano-SiO2的增加而显著减小，特别是在NS=1.5%时掺Nano-SiO2水泥胶砂摩擦系数减少到了0.230，比普通水泥胶砂摩擦系数减少45%，当NS=1.5%-3.0%时，水泥胶砂摩擦系数开始逐渐增加，但仍低于普通水泥胶砂摩擦系数。
以上分析表明，Nano-SiO2掺入可以让水泥胶砂摩擦系数显著降低，但两者关系并不是绝对线性的。Nano-SiO2掺入过多反而会引起摩擦系数增加，主要原因是Nano-SiO2材料需水量大，Nano-SiO2掺入过多，会使水泥胶砂的和易性显著降低，这会影响水泥胶砂的密实度、孔隙率，从而影响摩擦系数；另外，过多掺入Nano-SiO2会使其在水泥浆体中出现团聚现象，难以分散均匀，不仅不能发挥其作用，还会阻碍水泥产物的扩散，导致水泥水化不充分，密实性降低，引起水泥胶砂摩擦系数增加。
4 结论
基于室内掺Nano-SiO2水泥胶砂微摩擦试验，测定了掺Nano-SiO2水泥胶砂摩擦系数，通过试验图形及数据拟合分析，可得出以下结论：
1）掺入Nano-SiO2可以让水泥胶砂表面更光滑，摩擦系数更小。
2）当NS=0%-1.5%时，水泥胶砂摩擦系数随着Nano-SiO2的增加而显著减小，当NS=1.5%-3.0%时，水泥胶砂摩擦系数开始逐渐增加，但仍然低于普通水泥胶砂摩擦系数。
3）根据实验分析，Nano-SiO2掺入量选用1.5%左右时水泥胶砂摩擦系数最小。
参考文献：
[1]李华、程英华，我国水泥混凝土路面的现状与问题[J].公路，1994
（05），1-4,49.
[2]朱双霞，磨削表面纹理表征及其摩擦特性研究[D].南昌：南昌大学，2007.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”