陶瓷磚防滑性能檢測原理初探

盛正強

摘 要：本文列舉目前國內外對陶瓷磚防滑性能的檢測標準、設備及操作與判定方法，分析了各類標準的特點，從做功和能量的角度剖析了各檢測標準的原理，研究了應用各標準所檢測的陶瓷磚表面摩擦系數與能量之間的相互關系。

關鍵詞：防滑;檢測標準;檢測原理;摩擦力;摩擦系數;摩擦做功

1 前 言

陶瓷磚表面的防滑性能是其一個重要的性能指標。近些年隨著出口增長，許多陶瓷廠家對陶瓷磚的防滑性能也越來越重視。陶瓷磚的防滑性能實際是屬于摩擦學的范疇，而摩擦學本身相當復雜，各國對陶瓷磚表面的防滑性能檢測標準也各有不同。所檢測的方法、原理均有不同，較難統一，在實際操作過程中會采用多種標準進行檢測。因此，我們根據陶瓷磚所實際使用的裝飾空間，模擬實際應用場所，來研究和討論陶瓷磚表面的防滑性能。

相互接觸的物體當產生位置移動時就會有摩擦現象。陶瓷磚表面的防滑機理檢測，理論上說是物理學中的摩擦力的檢測，檢測設備也是根據物理學的原理設計出來的。摩擦力本身較為復雜，它可分為靜摩擦和動摩擦，靜摩擦有最大靜摩擦，動摩擦又有滑動摩擦和滾動摩擦。根據物理學庫倫摩擦定律性質，對于固定的材料而言其摩擦系數不是個變量。但各類研究試驗表明，各種材料的摩擦系數會隨不同環境條件而發生變化[3]。且依據物理學的摩擦力計算公式，摩擦系數大小與接觸物的速度沒關系，這也與實際不符。當接觸面物體的運動速度提高，不少材料的摩擦系數會降低。古典的摩擦定律不能準確全面地反映滑動摩擦規律[1]。所以進一步分析摩擦系數，對研究陶瓷磚的防滑性能具有十分重要意義。

2 陶瓷磚的檢測標準

2.1 美國標準[7]

2.1.1 設備介紹

（1）檢測設備名稱

靜摩擦系數ASM825A測試儀，見圖1;數顯BOT-3000E地板滑度測試儀，見圖2。

（2）檢測設備結構[5]

ASM825A測試儀采用3片橡膠塊，粘在一塊鋁合金板上組成滑塊組件，配重塊的重量為22 kg;BOT-3000E地板滑度測試儀，在底部安裝了帶有傳感器的SBR橡膠滑塊，滑塊在一定壓力作用下可緊密接觸陶瓷磚測試面。

（3）設備操作方法

ASM825A測試儀操作前清潔傳感器，小心水平放穩測滑儀。采用陶瓷磚作為標準板，拖動滑塊組件，至測試儀與陶瓷磚水平表面產生相對運動趨勢，記錄瞬間的拉力值，計算此時靜摩擦系數，按上述操作不同方向和位置多測幾次，按標準中的規定，校準及修正結果，見圖3。

檢測陶瓷磚外表的防滑性能前，先用液體涂抹和潤濕待測外表，再將防滑測試儀置于預處理的外表面，選擇操縱界面合適的測試標準開始測試，設備會自動記錄測試結果。

2.1.2 參考標準

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

2.1.3 防滑等級要求

依據ANSI A137.1-2012 標準，室外地磚的濕態動摩擦系數應超過0.42。

2.1.4 防滑測試原理

ASM825測試儀是經由過程拉力計拖動滑塊組件，與陶瓷磚被測試面發生相對滑動的過程，從而測出在干濕的條件下陶瓷磚的靜摩擦系數值，該摩擦系數值是按照滑塊組件與其相接觸的陶瓷磚表面之間發生移動所必要的外部施加的拉力所計算出的。BOT-3000E地板滑度測試儀是測試設備在陶瓷磚表面勻速運動過程中，設備能自動記錄SBR橡膠滑塊與接觸面的滑動摩擦系數。

這兩種測試方法本身存在著差異，相對于同一物體的表面，其摩擦系數基本恒定。我們知道，相接觸的物體表面產生滑動瞬間的最大靜摩擦系數要大于運動時的滑動摩擦系數，且兩種設備的配重、摩擦滑塊材質、表面粗糙程度都不盡相同。也有研究表明[2]，影響摩擦系數的大小是摩擦表面材料的硬度、強度、幾何特性、表面粗糙度、正壓力及加載性質、表面潔凈度、外界雜質的存在、摩擦表面尺寸、形狀等各種影響因素綜合作用的結果。故兩者所測試出的數據也無可比性，但可作為判定是否防滑的等級依據。

2.2 德國標準[8]

2.2.1 設備介紹

（1） 檢測設備名稱：斜坡法防滑測試儀，見圖4。

（2） 檢測設備結構：該設備是按照DIN-51097，DIN51130：2014-02和ISO草案10545-17附錄C制造的，主要由涂漆鋼框架，可調角度不銹鋼平臺布置100×50 cm由瓷磚木板粘合的面板組合而成。

（3）檢測設備操作

操作員必須配戴安全帶和特制鞋，并以直立狀態在測試材料面板上行走，實驗板以一定速度傾斜，直到操作人有產生滑動的不安全狀態時停止，此時傾斜面與水平面存在著一個角度，這個角度即為陶瓷磚防滑的動態臨界角。為了獲得更精確的測定值，重復測試幾次接近這個角度的測定值。

2.2.2 參考標準

德國標準DIN 51097：1992，DIN51130：2014-02 。

2.2.3 防滑等級要求

德國標準DIN 51097：1992和DIN 51130：2010中，規定了防滑動態臨界角與防滑類別的判定級別，見表3。德國工業標準BGR 181-2004 The standard for slip prevention on parquet and hardwood floors in working areas采用了DIN 51130的測試方法和分類方法，并規定了不同場合使用的地面材料應達到的防滑等級[8]。

2.2.4 防滑測試原理

德國標準模擬了實際生活中的運動狀態，是測試陶瓷磚與水平面的動態臨界角。測試者隨著測試面與水平夾角的增大會出現滑動，此時的角度為動態臨界角。測試的角度逐漸增加，作用在測試面的正向壓力會逐漸減小，最終在動態臨界角狀態時出現相對滑動，此時可測出陶瓷磚測試面的最大靜摩擦系數。但在測試中也會因為測試人員的控制操作延時、站立于陶瓷磚測試面的姿態改變等因素影響，會存在一些誤差。

2.3 英國標準[6，9]

2.3.1 設備介紹

（1）檢測設備名稱：便攜式、數字化鐘擺式濕滑性能英國MUNRO測試儀，見圖5。

（2）檢測設備結構：主要由機架、擺錘和擺錘桿、橡膠滑塊、指針和刻度盤組成。陶瓷磚測試利用4S（96）橡膠滑塊，國際硬度值為96±2 IRHD。

（3）檢測設備操作：釋放鎖定開關，將具有一定勢能的擺錘擺動劃過試件表面規定的距離后擺向另一側，指針被擺錘上的指針推動環帶動，隨擺錘一起擺動到另一側后停留并顯示出擺錘的最高位置。

2.3.2 參考標準

設備符合國際標準BS 7976-2：2002 Pendulum testers-Part 2：Method of operation，BS EN13036-4等26個不同國際細節標準。廣泛被健康安全顧問公司、地板和瓷磚廠商、材料測試實驗室、公路代表處、當地理事會、休閑場所、專家證人、建筑維修專家等使用[9]。

2.3.3 防滑等級要求

英國UK Slip Resistance Group在UKSRG 2005運用的防滑機能評價方式見表4。

2.3.4 防滑測試原理

該法是測試各材質使用表面的動態摩擦系數。擺錘的最初靜止時具有的勢能損耗等于橡膠塊滑過測試陶瓷磚表面，產生的摩擦阻力克服測試表面所損失的勢能來評判測試表面的止滑能力，即克服陶瓷磚表面摩擦阻力所做的功來計算陶瓷磚表面的摩擦系數。

擺錘法以能量的損耗較為科學地計算出陶瓷磚表面的摩擦阻力做的功，但也會存在誤差。實際測試中，每次都會在陶瓷磚表面留下橡膠塊摩擦后的碎屑，即橡膠塊有磨損，雖然每次檢測會有矯正，但橡膠塊磨損到4 mm時才更換，后續測試接觸面積會一次比一次增加，且接觸陶瓷磚表面時所具有的動能也最大，速度最快。根據相關應用研究[3]，此時摩擦力大小和接觸面積、物體運動速度有關，摩擦瞬間產生的熱能多，能量損耗增加。實際檢測中也發現，隨橡膠塊的磨損，擺錘PTV值結果也要偏大，甚至可達10。

2.4 澳洲標準[10]

澳洲的標準AS/NZ4586：2004規定了A、B、C、D共4種方法，其中A采用擺錘法測試濕滑條件下的防滑性能，測試方法與英國的BS 7976類似;B劃定了干燥狀態下動摩擦系數的測試方式，與意大利承認的B.C.R.A.方法類似;B.C.R.A.測試方法是在干濕條件下，模擬人行走時候腳后跟的狀態，測試陶瓷磚表面與橡膠之間的動摩擦系數。C和D的檢測方法及判定安全級別的標準與德國標準DIN 51130和DIN 51097相同。其中，防滑類別劃分見表5。

2.5 國家標準

國家GB/T 35153-2017 防滑陶瓷磚標準，測試方法與英國的BS 7976類似，將具有一定勢能的擺錘擺動劃過試件表面規定的距離后擺向另一側，以擺錘在此過程中因克服試件表面摩擦阻力的作用而損失的勢能評價試件表面的阻滑能力。但國家GB/T 35153-2017防滑陶瓷磚標準測定的是一個數值，沒有說明產品是否安全或者評判防滑等級。擺錘法規定的PTV數值范圍嚴謹性稍有欠缺，在兩個相鄰等級兩端之間的數值沒有規定處于哪個等級范圍，而實際儀器指針是可以表示出來的，比如處于44和45之間的數值，取向哪個等級就不好判別。當然也可能是因為刻度盤數值估算范圍較大，故此這一小點的數值可以忽略。

3 原理分析

3.1 各檢測標準的原理

3.1.1 美標摩擦法檢測

按照美標標準，此法實際是檢測瞬間拉動橡膠滑塊的拉力與摩擦力的平衡力，見圖6。除去空氣阻力等因素，理論上拉動橡膠滑塊mg在陶瓷磚表面水平滑動一段距離S后的拉力，與阻礙橡膠滑塊滑動的摩擦力f認為是一致的。平衡拉力F在此過程中所做的功W，即為摩擦力f所做的功W，根據公式W=FS，F=μN，測試表面摩擦系數與做功之間的關系如式（1）：

其中N為正壓力，這里實際是檢測設備的自重，μ表示橡膠滑塊與陶瓷磚表面的摩擦系數。當做功一定，滑塊重量不改變時，滑塊移動的距離越長說明陶瓷磚表面的摩擦系數越小;反之，滑動路程越短，陶瓷磚測試面的摩擦系數就越大。

3.1.2 德標動態臨界角檢測

依據德標檢測操作規程，操作人員是直立于操作平面，測試平面與水平夾角逐漸增加，直至操作測試人員產生不安全的滑動為止。實際檢測設備雖以中間為軸，測試人員在測試面走動，但仍可實驗模擬此過程。此過程中，檢測操作人員與檢測面瞬間產生滑動的摩擦時的斜面傾斜角，從而判定檢測面的摩擦系數的大小，見圖7。

當操作員被垂直移動h高度，斜面夾角θ時，處于開始滑動的不安全狀態，此時操作員相對于水平面增加的勢能W可以表示為：

從式（2）可以知道，斜面夾角θ逐漸最大，其勢能增加，所做功也越多。但物體在斜面的夾角又與其所受的摩擦力有什么關系呢？操作員處于斜面夾角θ時有不安全的滑動狀態，此時操作員G實際已產生了兩個分量，且這兩個分量是隨著斜面夾角θ的變化而變化的。一個分量沿斜面向下滑動的力F1，另一分量為垂直作用在斜面的正壓力F2。此時F1與操作員接觸陶瓷磚表面產生的摩擦力方向相反，大小相等;F2與斜面的支撐力N也是方向相反，大小相等。此時操作員的霎時所受摩擦力可按如下方式計算為：

分量F1與摩擦力f為一對平衡力，故：

結合式（3）和（4），摩擦系數μ=tgθ[1，2]。以斜面一處固定為轉軸，增大θ角當操作員相對于水平面垂直移動h后，操作員與斜面轉軸的距離L不發生變化（L與h成正比，故此處規定不變），此時操作員所具有的勢能與測試的斜面摩擦系數間關系可以表示為：

從式（5）可知，傾斜面夾角增大后，操作員要保持具有垂直移動h距離的勢能，所需的接觸面摩擦系數也要大;反之，接觸面的摩擦系數小，操作員則不能保持垂直移動h距離的勢能，從而傾斜夾角也減小。

美標和德標實際測定的都是物體在剛滑動時的摩擦力值，然而在許多研究中表明，在滑動剛開始發生時，滑動摩擦力比最大靜摩擦小，并隨相對速度的增大而減小，當速度繼續增大時，又隨相對速度的增大而增大[4]，故此測定的陶瓷磚摩擦系數值會存在著必然偏差。

3.1.3 英標擺錘法檢測

英標擺錘法本身是通過克服擺錘運動中阻力所做功來測定接觸面的摩擦系數，實際是動摩擦系數，而美標與德標測定的是靜摩擦系數，只不過美標是在水平面上的最大靜摩擦，正壓力始終保持不變;德標是傾斜面上的最大靜摩擦系數，正壓力隨傾斜角增大而逐漸減小[2]。擺錘釋放后，勢能Ep逐漸轉換成動能，忽略空氣阻力的作用，當擺錘到達最低點時勢能全部轉換成動能Ek。但此時滑塊與檢測面產生了向后阻礙擺錘運動的摩擦力f，最終擺錘動能部分轉換成摩擦力做的功，剩余動能繼續擺動轉換成一定的勢能E，并停止在θ角上，見圖8。

擺錘法動摩擦力和動摩擦系數的測定，是在摩擦表面處于不同的滑動速度下作相對運動時進行的[2]，這個過程實際是個減速的過程，卻不是勻速過程，具有圓周方向的加速度。此處相互接觸產生的摩擦， 本質就是能量損耗的過程。姑且認為此時的摩擦阻力所做的功即為滑塊滑過所測試陶瓷磚表面的距離與摩擦阻力的乘積。根據能量守恒定律可表示為：Ep = Ek = E + μ·mg·S 。因滑塊與測試陶瓷磚表面摩擦力所做的功即是滑塊勢能的消耗，換算成擺錘夾角θ與測試面摩擦系數之間的關系，可表示為：

其中：

E——擺錘停止擺動時所具有的勢能

h——擺錘臂停止運動時的高度

θ——擺錘臂同時與垂直面的夾角

S——滑塊與測試面滑過的距離

R——擺錘到支點的懸掛臂長度

f——摩擦阻力

mg——摩擦塊和擺錘臂的重心重量

從式（6）可以得出，測試面的摩擦系數與擺錘的夾角余弦成正比，與夾角成反比。即測試面的摩擦系數越大，夾角則越小;測試面的摩擦系數越小，其夾角越大。

4 結 語

各類陶瓷磚防滑性能的測試方法，得出的測試結果有較大差別。美國標準測定水平面上最大滑動摩擦系數，正壓力保持不變;德國標準測定傾斜面上最大靜摩擦系數，正壓力隨夾角增大而逐漸減小;英國標準和國標GB/T 35153-2017測定的是水平面上的動摩擦系數，在滑過規定的長度內，滑塊存在圓周切線方向的加速度，正壓力也隨之發生變化。澳洲標準則綜合了以上多種檢測標準。另外擺錘法規定的PTV數值范圍嚴謹性稍有欠缺，在兩個相鄰等級兩端之間的數值沒有規定處于哪個等級范圍，且數值范圍較寬，同一等級內數值梯度相差9，刻度盤的刻度還不夠精準。若在同一等級內再細分成ABC三個等級，則更能直觀反映測試表面的防滑級別。現行各種標準的陶瓷磚防滑性能測定方法，都有必然的科學依據，且每種檢測方法都存在一定程度的局限性，會有檢測誤差。但總體來說，需要克服陶瓷磚表面的摩擦力所做的功越多，消耗的能量也就越多，陶瓷磚接觸表面的摩擦系數也就越大，防滑性能也越好，使用場所越安全。

參考文獻

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[2] 滑動摩擦系數的實驗室測定法分析.林復生，張啟浩.廣西大學學報（自然科學版）第15卷第3期? 1990年9月.

[3] 摩擦理論及其應用.華北礦業高等專科學校學報.劉承赫. 2001年1月 第3卷 第4期.

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[5] 潮濕狀態下陶瓷地磚摩擦系數測試方法探討.何問慎，顧軒， 陸倩映，肖景紅.佛山陶瓷 2016 年第6 期（第239 期）.

[6] 國家GB/T 35153-2017 防滑陶瓷磚標準.

[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 斜坡防滑測試.

[9] BS 7976-2 2002 British Standard 英國標準.

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