絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品熱荷重收縮溫度檢測技術(shù)研究

一、檢測原理

熱荷重收縮溫度是評價巖棉、礦渣棉等纖維狀絕熱材料高溫尺寸穩(wěn)定性的關(guān)鍵性能指標。其檢測的科學(xué)依據(jù)在于模擬材料在恒定載荷下，隨溫度升高其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而導(dǎo)致厚度方向產(chǎn)生不可逆收縮的物理過程。

技術(shù)原理核心為：將規(guī)定尺寸的試樣置于以恒定速率升溫的加熱爐內(nèi)，同時對其施加恒定的壓縮載荷。在熱與力的共同作用下，材料內(nèi)部的粘結(jié)劑可能分解、纖維可能發(fā)生軟化、燒結(jié)或再結(jié)晶，導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，宏觀上表現(xiàn)為試樣厚度收縮。熱荷重收縮溫度特指在規(guī)定的恒定載荷下，試樣厚度收縮率達到10%時所對應(yīng)的溫度。此溫度越高，表明材料在高溫下的尺寸穩(wěn)定性越好，使用溫度上限也相應(yīng)越高。

二、檢測項目

針對絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品，其高溫性能相關(guān)的檢測項目系統(tǒng)分類如下：

1. 核心檢測項目：

   • 熱荷重收縮溫度：直接測定試樣在恒定載荷下厚度收縮10%時的溫度，是評價材料耐溫性能的核心指標。

2. 關(guān)聯(lián)高溫性能檢測項目：

   • 導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系：測定材料在不同平均溫度（常至高使用溫度）下的導(dǎo)熱性能，評估其保溫效率隨溫度的變化。

   • 高溫線變化率：將試樣在規(guī)定溫度下保溫一定時間后，冷卻至室溫，測量其長度或尺寸的永久性變化率，評估高溫下的體積穩(wěn)定性。

   • 不燃性：根據(jù)相關(guān)標準（如GB/T 5464）判定材料在高溫火焰下的燃燒性能，對于防火應(yīng)用至關(guān)重要。

   • 渣球含量：非纖維物質(zhì)的含量影響材料的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能。

三、檢測范圍

此項檢測廣泛應(yīng)用于對絕熱材料高溫穩(wěn)定性有嚴格要求的各工業(yè)領(lǐng)域及建筑領(lǐng)域：

1. 工業(yè)設(shè)備與管道：

   • 電力行業(yè)：電站鍋爐、煙風(fēng)道、熱力管道的保溫。

   • 石油化工：反應(yīng)器、裂解爐、蒸餾塔、輸送高溫介質(zhì)的管道保溫。

   • 冶金行業(yè)：高爐、熱風(fēng)爐、鋼包、熔融金屬流槽的保溫。

   • 建材行業(yè)：水泥窯、玻璃熔窯的保溫。

2. 建筑防火與保溫：

   • 作為建筑外墻保溫系統(tǒng)的重要組成部分，其熱荷重收縮溫度關(guān)系到系統(tǒng)在受熱（如鄰近火源）條件下的結(jié)構(gòu)完整性。

   • 防火分隔、防煙樓梯間等部位的填充保溫防火材料。

3. 其他領(lǐng)域：

   • 船舶艙室保溫與防火結(jié)構(gòu)。

   • 家用電器（如烤箱、烤爐）的隔熱襯墊。

檢測的具體要求依據(jù)應(yīng)用場景的高工作溫度及安全規(guī)范確定。例如，用于300℃工況的管道保溫，其熱荷重收縮溫度通常要求不低于600℃；而對于更高溫度的工業(yè)窯爐，要求則更為苛刻。

四、檢測標準

國內(nèi)外標準對熱荷重收縮溫度的檢測方法有明確規(guī)定，核心原理一致，但在細節(jié)上存在差異。

• 中國標準：

  • GB/T 11835-2016《絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品》：此標準規(guī)定了產(chǎn)品的整體要求，其中引用了熱荷重收縮溫度的測試方法。

  • GB/T 10299-2011《保溫材料憎水性試驗方法》 等系列標準雖不直接規(guī)定，但測試環(huán)境設(shè)備要求有參考價值。具體的測試方法通常遵循類似于下述標準或?qū)ｉT的測試方法標準。

• 與國外主要標準：

  • ISO 13144:2012：提供了詳細的測試程序，是上廣泛認可的參考方法。

  • ASTM C411 / C411M：美國材料與試驗協(xié)會標準，方法與ISO類似，但在升溫速率、載荷等參數(shù)上可能存在細微差別。

  • EN 1094-2:1999：歐洲標準，適用于陶瓷纖維制品，但其原理對巖棉、礦渣棉有參考意義。

對比分析：

• 試樣尺寸：多數(shù)標準規(guī)定試樣直徑為47-50mm，厚度為原始厚度（通常30-80mm）。

• 載荷壓力：通常為490 Pa ± 10 Pa（即50 mm水柱壓力對應(yīng)的壓強）。此值模擬了材料在輕微受壓狀態(tài)下的使用情況。

• 升溫速率：普遍采用階梯式升溫或線性升溫，如ISO 13144規(guī)定在預(yù)期收縮溫度以下150℃開始，以50℃/h的速率線性升溫。不同標準在起始溫度和速率上略有不同。

• 結(jié)果判定：均以厚度收縮10%時的溫度作為熱荷重收縮溫度。

在實際檢測中，需明確依據(jù)的標準，以確保檢測結(jié)果的準確性和可比性。

五、檢測方法

主要檢測方法及操作要點如下：

1. 試樣制備：

   • 使用專用取樣器或切割工具，從制品上裁取至少2個（通常為3個）代表性圓形試樣，直徑與設(shè)備加熱爐膛匹配（通常約50mm）。

   • 試樣兩面應(yīng)平行，保持原始厚度，不得受壓或變形。

   • 試樣需在（105±5）℃的烘箱中烘干至恒重，并在干燥器中冷卻至室溫。

2. 檢測步驟：

   • 設(shè)備預(yù)熱：啟動加熱爐，預(yù)熱至一穩(wěn)定起始溫度（如低于預(yù)期收縮溫度150℃）。

   • 安裝試樣：將試樣小心放置于加熱爐內(nèi)的支撐架上，確保居中。

   • 施加載荷：將加載裝置（包括壓板、載荷桿及砝碼）平穩(wěn)地置于試樣上，確保壓力均勻分布。計算并調(diào)整砝碼質(zhì)量，使試樣承受的壓力為（490±10）Pa。

   • 初始厚度測量：通過位移測量系統(tǒng)（如百分表、LVDT）記錄試樣的初始厚度d0。

   • 程序升溫與記錄：啟動程序控溫系統(tǒng)，按標準規(guī)定速率（如50℃/h）勻速升溫。同時，連續(xù)或間隔記錄試樣的實時厚度d和爐內(nèi)溫度T。

   • 試驗終止：當試樣的厚度收縮率超過10%，或達到設(shè)備高允許溫度時，停止加熱。

3. 操作要點：

   • 確保加載系統(tǒng)垂直，避免側(cè)向力。

   • 位移測量探頭需輕觸壓板，避免附加力。

   • 爐內(nèi)溫度場應(yīng)均勻，熱電偶測量點位置需符合標準要求。

   • 整個測試過程需保持環(huán)境穩(wěn)定，無振動干擾。

六、檢測儀器

熱荷重收縮溫度測定儀是完成此項檢測的專用設(shè)備，其主要組成部分及技術(shù)特點如下：

1. 加熱爐系統(tǒng)：

   • 爐膛：通常采用管式或箱式電阻爐，內(nèi)部為均溫區(qū)，能容納試樣及加載裝置。

   • 加熱元件：采用耐高溫的電阻絲（如鐵鉻鋁合金、硅碳棒等），高工作溫度通常不低于800℃。

   • 保溫層：采用高性能絕熱材料包裹，減少熱損失，保證爐膛溫度均勻性。

   • 控溫系統(tǒng)：采用可編程精密溫控儀，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的線性升溫程序，控溫精度通常優(yōu)于±1℃。

2. 加載系統(tǒng)：

   • 加載裝置：由加載桿、壓板和砝碼組成。壓板與試樣接觸面應(yīng)平整、光滑。

   • 載荷精度：砝碼需經(jīng)校準，確保施加在試樣上的壓力精確為（490±10）Pa。

3. 變形測量系統(tǒng)：

   • 位移傳感器：多采用線性可變差動變壓器（LVDT）或高精度光柵位移傳感器，具有分辨率高（通常達0.01mm）、線性度好、穩(wěn)定性高的特點。

   • 測量機構(gòu)：需確保傳感器測頭與加載壓板非剛性接觸或通過特定結(jié)構(gòu)傳遞位移，避免熱膨脹引入誤差。

4. 溫度測量系統(tǒng)：

   • 熱電偶：通常采用K型（鎳鉻-鎳硅）或S型（鉑銠10-鉑）熱電偶，測量爐內(nèi)均溫區(qū)溫度，并緊鄰試樣。

   • 溫度記錄儀：與熱電偶配套，精確記錄升溫過程中的溫度變化。

5. 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)：

   • 現(xiàn)代儀器通常配備計算機和數(shù)據(jù)采集卡，能夠同步實時采集溫度與位移信號，自動繪制溫度-收縮率曲線，并直接計算出熱荷重收縮溫度。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)處理：

   • 計算每個溫度點T對應(yīng)的厚度收縮率：ε = [(d0 - d) / d0] × 。

   • 以溫度T為橫坐標，收縮率ε為縱坐標，繪制“溫度-收縮率”曲線。

2. 結(jié)果判定：

   • 從曲線上找出收縮率達到10%時對應(yīng)的溫度值，即為該試樣的熱荷重收縮溫度。

   • 若測試多個試樣，取各有效試樣結(jié)果的算術(shù)平均值作為終報告值。單個試樣測試值與平均值的偏差應(yīng)在標準允許范圍內(nèi)（如±20℃），否則需重新試驗。

3. 評判標準：

   • 直接比較：將測得的熱荷重收縮溫度與產(chǎn)品標準規(guī)定值（如GB/T 11835中根據(jù)不同密度和使用溫度規(guī)定的限值）或用戶技術(shù)要求進行比較，判定是否合格。

   • 性能評估：

     • 熱荷重收縮溫度越高，材料的高溫尺寸穩(wěn)定性和耐熱性能越好，允許的使用溫度上限通常也越高。

     • 分析曲線形態(tài)：若曲線在達到10%收縮前變化平緩，之后急劇下降，表明材料在臨界溫度前結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；若曲線較早開始緩慢收縮，可能表明材料內(nèi)部粘結(jié)劑過早失效或纖維結(jié)構(gòu)強度不足。

   • 影響因素分析：若結(jié)果不理想，可從原材料成分（如礦渣、巖石種類）、纖維化程度、粘結(jié)劑類型與含量、制品密度等方面追溯原因，為工藝改進提供方向。