耐火材料垂直于表面抗拉強度檢測

一、 檢測原理

垂直于表面抗拉強度，通常被稱為“粘結強度”或“抗剝落強度”，是評價耐火材料（特別是耐火澆注料、噴涂料、修補料等不定形耐火材料）與基底之間，或多層耐火材料結構層與層之間結合牢固性的關鍵力學性能指標。其核心原理在于模擬材料在受熱或使用過程中，由于熱膨脹系數(shù)差異、結構應力或機械載荷作用，導致垂直于結合面方向的拉應力超過其結合力時發(fā)生的剝離或剝落破壞。

科學依據(jù)基于材料力學中的拉伸破壞理論。通過一個垂直于試樣粘結面的拉伸載荷，以恒定的速率施加應力，直至結合界面發(fā)生破壞。記錄破壞時的大載荷，并根據(jù)粘結面積計算出抗拉強度值。該強度值直接反映了界面區(qū)域的化學粘結力、機械嵌合力和范德華力等綜合作用的結果。對于經(jīng)高溫處理后的試樣，該性能還能有效評估燒結程度、陶瓷結合強度以及高溫下的結構穩(wěn)定性。

二、 檢測項目

耐火材料垂直于表面抗拉強度的檢測項目可根據(jù)其狀態(tài)、處理條件和研究目的進行系統(tǒng)分類：

1. 常溫態(tài)抗拉強度： 試樣在室溫條件下進行檢測。主要用于評估材料施工養(yǎng)護后的初始結合強度，以及常溫下的儲存和運輸可靠性。

2. 烘干態(tài)抗拉強度： 試樣按規(guī)范烘干至恒重后，冷卻至室溫進行檢測。用于排除游離水的影響，評估材料在排除水分后的基體結合強度。

3. 燒后態(tài)抗拉強度： 試樣在特定高溫（如1100°C, 1400°C, 1500°C等）下保溫一定時間后，隨爐冷卻或取出在空氣中冷卻至室溫后進行檢測。這是重要的檢測項目，用于模擬材料在實際使用溫度下的燒結情況和結合性能，評估其高溫使用后的殘余結合強度。

4. 高溫態(tài)抗拉強度： 在高溫環(huán)境下直接進行檢測。此項目技術要求高，能真實地反映材料在熱態(tài)下的瞬時結合性能，但設備復雜，應用相對較少。

5. 熱震后抗拉強度： 試樣經(jīng)歷規(guī)定的急冷急熱循環(huán)后，再進行常溫或燒后抗拉強度檢測。用于評估材料抗熱震疲勞性能對其界面結合強度的影響。

三、 檢測范圍

該檢測廣泛應用于所有依賴粘結或?qū)訝罱Y構服役的耐火材料領域：

• 鋼鐵冶金： 高爐、熱風爐、魚雷罐、鋼包、中間包等設備內(nèi)襯的噴涂料、澆注料與永久層或殼體的結合強度檢測。

• 水泥建材： 水泥回轉(zhuǎn)窯預熱器、分解爐、三次風管等部位耐火襯里與筒體的結合強度。

• 石油化工： 裂解爐、轉(zhuǎn)化爐等高溫爐窯中耐火襯里與爐壁的粘結可靠性。

• 有色金屬： 銅锍、鋁電解槽等冶煉設備內(nèi)襯。

• 垃圾焚燒： 焚燒爐爐墻、爐頂用耐火材料與金屬錨固件或基層的結合強度。

• 電力行業(yè)： 循環(huán)流化床鍋爐耐磨耐火襯里。

• 科研與質(zhì)控： 新材料研發(fā)、配方優(yōu)化、施工工藝驗證及產(chǎn)品質(zhì)量控制。

四、 檢測標準

國內(nèi)外標準組織均制定了相應的測試規(guī)范，核心原理相似，但在試樣制備、夾具細節(jié)、升溫速率等方面存在差異。

• 中國標準：

  • GB/T 3001《耐火材料 常溫抗折強度試驗方法》：雖然主要針對抗折強度，但其試樣制備和熱處理原則是基礎。

  • YB/T 4131《耐火材料 導熱系數(shù)試驗方法（水流量平板法）》：不直接相關，但說明標準體系。

  • 具體針對垂直于表面抗拉強度的標準通常引用或等效采用標準，如 GB/T ×××× (等效于ISO 10068)。在實際應用中，常參照 ASTM C1583/C1583M 或內(nèi)部企業(yè)規(guī)范。

• 標準：

  • ASTM C1583/C1583M： 《Standard Test Method for Tensile Strength of Concrete Surfaces and the Bond Strength or Tensile Strength of Concrete Repair and Overlay Materials by Direct Tension (Pull-off Method)》。此標準雖針對混凝土，但其“拉拔法”原理和裝置被廣泛借鑒并適用于耐火材料，是行業(yè)內(nèi)的事實標準。

  • ISO 10068： 對陶瓷、耐火材料領域的直接抗拉強度測試有相關規(guī)定。

  • DIN EN 1542： 《Products and systems for the protection and repair of concrete structures - Test methods - Measurement of bond strength by pull-off》。與ASTM C1583類似。

對比分析：
ASTM C1583在試樣制備、粘結劑選擇、拉拔頭安裝、加載速率等方面規(guī)定極為詳盡，可操作性強，在范圍內(nèi)接受度高。中國標準體系正在不斷完善，逐步與接軌，但在耐火材料垂直抗拉強度的專用標準方面，直接引用或等效轉(zhuǎn)化ASTM/ISO標準是常見做法。差異主要體現(xiàn)在允許的粘結劑類型、拉拔頭直徑的優(yōu)先選擇范圍以及結果報告的細微要求上。

五、 檢測方法

主要檢測方法為直接拉拔法。

操作要點：

1. 試樣制備：

   • 模制試樣： 在實驗室，將待測耐火材料澆注或搗打于基板（通常為同質(zhì)或模擬實際工況的材質(zhì)）上，形成規(guī)定尺寸的試塊。基板表面處理（清潔、粗糙度）需模擬實際情況。

   • 現(xiàn)場取芯： 從實際施工后的窯爐內(nèi)襯上，使用空心鉆機鉆取包含粘結界面的芯樣。此為無損或微損檢測，結果更具代表性。

2. 拉拔頭粘結：

   • 使用高強度、低收縮的雙組分環(huán)氧樹脂或類似專用粘結劑，將標準鋼制拉拔頭（直徑通常為20mm, 50mm等）精確粘結在試樣待測表面中心。粘結劑涂抹需均勻，無氣泡。

   • 確保拉拔頭軸線嚴格垂直于測試表面。

   • 在規(guī)定的條件下固化粘結劑，確保其強度遠高于待測耐火材料。

3. 安裝與對中：

   • 將帶有拉拔頭的試樣安裝在萬能材料試驗機的拉拔夾具上。使用萬向節(jié)或球鉸夾具至關重要，以確保拉伸載荷嚴格垂直于測試表面，避免產(chǎn)生彎矩。

   • 仔細調(diào)整對中，確保受力均勻。

4. 施加載荷：

   • 以恒定速率（如ASTM C1583規(guī)定為0.05 MPa/s至0.10 MPa/s的應力增加速率）施加拉伸載荷，直至試件發(fā)生破壞。

   • 連續(xù)、無沖擊地加載，并自動記錄大破壞載荷。

5. 破壞模式觀察：

   • 試驗后，仔細觀察并記錄破壞發(fā)生的具體位置：

     • A型： 粘結劑與拉拔頭界面破壞。

     • B型： 粘結劑層內(nèi)聚破壞。

     • C型： 被測耐火材料內(nèi)部破壞（理想狀態(tài)，表明粘結強度高于材料本體）。

     • D型： 粘結劑與試樣表面界面破壞。

     • E型： 在耐火材料與基底結合界面破壞（常見的研究目標）。

     • 混合型： 上述兩種或多種破壞模式同時存在。

六、 檢測儀器

檢測核心設備為拉力試驗機，需配備專用拉拔夾具。

• 主機框架： 具有足夠的剛性和加載能力（通常量程在10kN至50kN即可滿足大部分耐火材料測試），能提供穩(wěn)定、可控的位移或應力速率。

• 力值測量系統(tǒng)： 高精度載荷傳感器，精度通常不低于±1%。

• 控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)： 能夠設定和控制加載速率，實時采集并記錄載荷-位移曲線。

• 專用拉拔夾具：

  • 自對中夾具： 集成萬向節(jié)或球面軸承，能自動補償微小的不平行度，確保單向拉伸。這是獲得準確數(shù)據(jù)的關鍵部件。

  • 拉拔桿與連接器： 與拉拔頭可靠連接（通常通過螺紋）。

• 輔助設備：

  • 取芯機： 用于現(xiàn)場取樣。

  • 表面處理工具： 用于打磨、清潔試樣表面。

  • 粘結劑混合與涂抹工具。

七、 結果分析

1. 計算：

   • 垂直于表面抗拉強度 (σ_t) 按下式計算：
     σ_t = F_max / A
     其中：σ_t 為抗拉強度，單位為兆帕（MPa）；F_max 為大破壞載荷，單位為牛頓（N）；A 為拉拔頭橫截面積，單位為平方毫米（mm²）。

2. 評判標準：

   • 強度值： 將計算得到的抗拉強度值與產(chǎn)品技術規(guī)范、設計要求或相關標準規(guī)定的低值進行比較。例如，某些關鍵部位的耐火噴涂料可能要求常溫粘結強度不低于1.0 MPa，燒后強度不低于2.0 MPa。

   • 破壞模式： 破壞模式的分析與強度值同等重要。

     • 若發(fā)生E型或C型破壞，表明測試有效，測得的數(shù)據(jù)真實反映了材料本體或界面結合強度。

     • 若發(fā)生A型、B型或D型破壞，表明測試無效，問題出在粘結劑或操作過程，測得的數(shù)據(jù)不能代表材料的性能，需重新制備試樣。

     • 混合型破壞中，若E型或C型破壞面積占比超過規(guī)定值（如75%），可認為測試基本有效，但需在報告中注明。

   • 數(shù)據(jù)離散性： 一組有效試驗結果（通常n≥5）的離散系數(shù)應在合理范圍內(nèi)。過大的離散性可能預示著材料不均勻、施工質(zhì)量差異或測試操作不一致。

3. 深度分析：

   • 結合材料配方、施工工藝、養(yǎng)護和熱處理制度，分析強度值的成因。

   • 對比不同溫度處理后的強度變化，可以研究材料的燒結動力學、相變過程以及結合機制的轉(zhuǎn)變。

   • 通過熱震前后的強度對比，評估材料的抗損傷能力。

   • 將抗拉強度與其他性能（如抗折強度、耐壓強度、顯氣孔率等）關聯(lián)分析，全面評價材料的綜合性能。