耐火材料 常溫抗拉強度試驗方法 編制說明

2《耐火材料常溫抗拉強度試驗方法》編制說明根據(jù)國標委發(fā)[2023]63號文以及耐標委[2024]1號文《關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)國家標準制修訂項目計劃的通知》，GB/T34179-2017《耐火材料常溫抗拉強度試驗方法》已列入國家標準制定計劃，計劃編號為20232367-T-469。該標準由由中冶檢測認證有限公司、中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司、焦作金鑫恒拓新材料股份有限公司、上海新泰山耐火材料有限公司等負責修訂，全國耐火材料標準化技術(shù)委員會試驗方法分技術(shù)委員會執(zhí)行，全國耐火材料標準化技術(shù)委員會歸口。1.預研階段（項目前期調(diào)研、信息收集、匯總和分析）時間：2024年1月-2024年3月本階段所做的主要工作：根據(jù)全國耐標委下達的任務文件，成立了《耐火材料常溫抗拉強度試驗方法》標準修訂編制工作組，明確成員分工和工作時間進度等。調(diào)研統(tǒng)計了國內(nèi)外現(xiàn)行常溫抗拉強度試驗方法標準以及應用狀況，最終形成了本文件草案。2.起草階段（形成征求意見稿）時間：2024年4月-2024年7月本階段所做的主要工作：匯總分析了收集到的各種信息，經(jīng)過多次反復討論，于2024年7月份完成了標準征求意見稿和編制說明等文件。本文件按照GB/T1.1-2020給出的規(guī)則起草。1.概況在國內(nèi)外冶金行業(yè)大跨度工業(yè)加熱爐的爐頂結(jié)構(gòu)中，常選用平面吊掛頂板的形式，即采用耐火材料錨固磚進行吊掛。從吊掛錨固磚的應力狀態(tài)分析可知，服役過程中其低溫表面存在拉應力場，當承受拉力超過其極限抗拉強度時，材料即產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。當單個吊掛錨固磚斷裂時，會引起相鄰錨固磚發(fā)生多米諾效應而使爐頂整體坍塌的嚴重工程問題。所以選取合適抗拉強度的錨固磚是保證工業(yè)加熱爐在服役期間正常使用首要考慮的問題。原標準版本的抗拉強度檢測方法中采用了卡具直接夾持的方式進行拉伸，但是若材料抗拉強度過高，3會存在因夾具設計強度不足而引起的夾具滑脫、試樣兩端的應力集中導致的在夾具處斷裂等問題，有必要對現(xiàn)行的國標進行修訂。本次標準修訂按照標準化工作導則進行編制，標準文本中試驗方法可操作性強，為耐火材料質(zhì)量評定提供更加準確的數(shù)據(jù)，進而對高溫工業(yè)窯爐設計、選材及爐體生產(chǎn)操作工藝具有重要的指導意義；更為耐火材料的力學研究提供依據(jù)，對材料研制、生產(chǎn)和使用有著重要的推動作用。2.編制原則本文件按照GB/T1.1-2020《標準化工作導則第1部分：標準的結(jié)構(gòu)和編寫》的規(guī)定進行編寫，本文件的制定符合國家相關(guān)法律法規(guī)。本文件為國內(nèi)編制，尚無國內(nèi)外標準對耐火材料抗拉強度試驗進行規(guī)定。本次修訂刪除了原標準中圖2楔形夾持卡具示意圖，由于其設計過于復雜，行業(yè)內(nèi)其他實驗室使用率較低，所以將其刪除。本次修訂增加了一個拉伸方法與配套的拉伸卡具。新卡具與耐火材料兩端直接粘接固定，檢測過程中拉力均勻分布在試樣上，此方法保證了試樣在檢測過程中只受拉應力，不受卡具的壓應力。從而避免了原標準在材料抗拉強度過高時而出現(xiàn)的夾具滑脫、夾具處斷裂等問題。與GB/T34219-2017相比，本次修訂有以下調(diào)整：2規(guī)范性引用文件用規(guī)范性引用的GB/T4513.5替換了GB/T17617關(guān)于不定形耐火材料試樣的制備和預處理。5.2試驗夾具修改為5.2試驗卡具刪除了楔形夾持試驗夾具及對應示意圖；增加了粘接卡具要求及示意圖：5.2.2粘接卡具，通常由鑄鐵等材料制成，確保試樣在試驗中除重力外，只承受軸向拉力(見圖1）。圖1粘接卡具圖45.5增加了粘接材料的定義：穩(wěn)固粘接耐火材料與粘接鐵塊，推薦使用植筋膠。6試樣6.2增加了對試樣表面平整度的規(guī)定：表面平整度應在0.5mm內(nèi)。6.3修改了不定形耐火材料制樣標準：對于不定形耐火材料，按照GB/T4513.5進行制樣，試樣尺寸為160mm×（40±1）mm×（40±1）mm，并依據(jù)相關(guān)方要求預處理。制樣方法和試樣尺寸也可由相關(guān)方協(xié)商確定。6.4增加了測量試樣的要求：測量試樣寬度a和高度b，精確至0.1mm。7試驗步驟將原方法更改為7.1方法1夾持試樣拉伸試驗法，并增加了7.2方法2粘接試樣拉伸試驗法7.1方法1-夾持試樣拉伸試驗法7.1.1將兩端經(jīng)防滑處理的試樣夾持在試驗夾具上，夾持區(qū)域距兩端均應小于45mm，再將其安裝在拉力試驗機上，調(diào)整至合適位置。7.1.2在常溫下，以0.15MPa/s±0.015MPa/s的恒定加荷速率施加拉力直至試樣破壞。記錄試樣斷裂時的最大載荷Fmax。7.2方法2-粘接試樣拉伸試驗法7.2.1將攪拌均勻的加固材料涂抹于試樣的兩端，隨即將兩個粘接塊的方形平面分別與試樣兩端粘接相連。揉動粘接面以擠出氣泡并刮去多余的粘接材料，粘接縫厚度為2mm～3mm，并保證兩個粘接塊與試樣中心在同一條直線上。重復以上操作，使用3個試樣及6個粘接塊制成3組試件，并按照粘接材料使用說明進行養(yǎng)護。7.2.2將粘接好的試件，通過連接桿固定在拉力試驗機上，調(diào)整至合適位置。7.2.3在常溫下，以0.15MPa/s±0.015MPa/s的恒定加荷速率施加拉力直至試樣破壞。記錄試樣斷裂時的最大載荷Fmax。7.2.4仔細檢查每組試件，當發(fā)現(xiàn)試件粘接材料開裂導致試樣與粘接塊脫落剝離，或者斷裂處距粘接面小于等于5mm時，該結(jié)果不作為有效測定結(jié)果，應舍去。及時檢查設備及卡具是否同心、粘接材料抗拉強度是否較低。重復試驗步驟，若滿足要求的平行試件仍少于3組，應在報告上標明此情況。（一）原標準試驗方法與新增試驗方法結(jié)果比對原標準抗拉強度檢測方法中采用了卡具直接夾持的方式進行拉伸，但是若材料抗拉強度過高，會存在5因人工上力導致夾持力度不夠而引起的夾具滑脫、試樣兩端的應力集中導致的在夾具處斷裂等問題。新試驗方法增加了一個拉伸方法與配套的拉伸卡具。新卡具與耐火材料兩端直接粘接固定，檢測過程中拉力均勻分布在試樣上，此方法保證了試樣在檢測過程中只受拉應力，不受卡具的壓應力。從而避免了原標準在材料抗拉強度過高時而出現(xiàn)的夾具滑脫、夾具處斷裂等問題。根據(jù)原試驗方法與新試驗方法，對下列幾種常用的耐火材料的常溫抗拉試驗比對，部分結(jié)果如圖1~圖2所示。圖1三種常見耐火材料分別采用原試驗方法進行抗拉強度測試（a：LZ-55高鋁磚；b：DN-1粘土磚；c：耐磨澆注料）6圖2新增試驗方法的研發(fā)過程展示（a：初期；b：中期；c：后期）表1LZ-55高鋁磚采用原試驗方法和新增試驗方法測得常溫抗拉強度MPa原試驗方法新增試驗方法17.887.017.8126.905.947.728.2137.297.517.677.5347.027.847.397.8658.348.528.497.88766.968.0277.636.906.027.3385.657.045.868.1397.197.428.367.096.078.017.516.648.517.788.727.097.778.038.21平均值7.397.58標準差0.7670.722表2DN-1粘土磚采用原試驗方法和新增試驗方法測得常溫抗拉強度MPa原試驗方法新增試驗方法13.324.234.574.4023.733.974.343.9732.893.543.844.0143.002.984.433.8954.163.293.724.2264.064.432.904.0873.593.804.214.3983.743.783.673.8594.534.244.503.043.313.933.794.423.473.803.483.814.234.214.214.06平均值3.763.99標準差0.4650.429表3耐磨澆注料采用原試驗方法和新增試驗方法測得常溫抗拉強度MPa8原試驗方法新增試驗方法17.366.206.096.9226.985.837.414.3337.467.206.6447.815.987.1653.727.246.236.8067.166.466.394.8876.196.326.2587.496.976.867.2696.266.515.016.586.327.566.186.856.798.086.887.796.236.047.07平均值6.826.49標準差0.8950.850從圖1~圖2可以看出原標準試驗方法的樣品斷裂位置距離卡具端部較近，新增試驗方法的樣品斷裂位置分布較分散，可以看出新增方法避免了試樣在拉伸過程中因應力集中而在卡具端部斷裂的情況。從表1~表3可以看出原標準試驗方法的檢測結(jié)果與新增方法檢測平均值與標準差相差不大。（二）新增試驗方法DIC圖像分析將新增試驗方法采用DIC光學形變測量系統(tǒng)及軟件進行分析（見圖3、圖4），獲得夾持力、夾持同心度與材料抗拉強度的關(guān)系，對目前的標準方法進行整體評估，探究優(yōu)化方向。首先，DIC光學形變測量系統(tǒng)可以顯示樣品一面的全長范圍內(nèi)的應變隨時間變化趨勢直觀感受樣品是否偏心受拉；其次，該光學測量系統(tǒng)可以針對斷裂同一水平高度的監(jiān)測點描繪時間位移曲線精準查看斷裂發(fā)生和傳導的情況。通過不同邊界條件的反復修正，結(jié)合基于修正的實驗參數(shù)的有限元模型，設計科學的試樣粘接流程與配套夾具，得到符合正常斷裂行為的直接拉伸抗拉強度檢測方法。9圖3新增試驗方法DIC采集圖4新增試驗方法DIC分析結(jié)果圖圖3中DIC光學形變測量系統(tǒng)GOM－Aramis，最大像素：3MPixel，相機采集頻率：160-1300fps。采用雙攝，采集黑點處應變。測量過程中，首先將應變繪制成應變場圖片，然后對關(guān)鍵點進行變形曲線分析。通過對大量樣品應變場圖片及曲線進行分析，以及觀測與斷裂同一水平高度監(jiān)測點的時間位移曲線顯示裂紋發(fā)生和傳導的路徑，圖4可以看出樣品一面在全長范圍內(nèi)應變場均勻，說明新設計卡具隼接形式，以線接觸代替面接觸，最大程度降低偏心程度。本文件的制定符合國家法律法規(guī)。根據(jù)我國標準性質(zhì)的劃分，建議本文件為推薦性標準?，F(xiàn)行國標GB/T34219-2017已實施7年。在