分享：耐火泥浆常温抗剪粘接强度测试方法及标准化

• 朱青友, 
 
• 尹玉成, , 
 
• 李亦韦, 
 
• 刘志强, 
 
• 夏忠锋, 
 
• 葛山

• 武汉科技大学机构 先进耐火材料全国重点实验室，武汉 430081

在高温窑衬砌筑中，耐火泥浆可起到调整耐火砖尺寸偏差、将耐火砖粘接在一起的作用。在使用过程中，耐火泥浆还能有效阻塞耐火砖之间的缝隙，阻断高温金属熔体或气体向内部渗入，并在一定程度上缓冲耐火砖体之间的热应力。耐火砖体之间的相对移动不可避免地会对耐火泥浆粘接面施加剪切应力[1]，因此，准确测试耐火泥浆的抗剪粘接强度具有重要意义。国内外曾有耐火泥浆抗剪粘接强度测试的标准和方法，但由于存在试样加工难度大、粘接面并非原砖面、操作流程复杂，以及影响因素众多等问题，这些标准和方法未能得到广泛应用。近年来，也有专家对耐火泥浆抗剪粘接强度测试方法进行研究[2]，主要包括双面搭接法（山形试样）、单面搭接法（Z形试样）和棱台试样法。结果表明：单面搭接法更适合于耐火泥浆抗剪粘接强度的测试。但是目前少有研究对该方法的关键技术参数进行系统分析，故仍无法形成一种标准的测试方法。为此，笔者较为系统地研究了试样尺寸、泥浆厚度、干燥制度及加载速率等条件对测试结果的影响，并完成了GB/T 22459.9—2024《耐火泥浆 第9部分：常温抗剪粘接强度试验方法》的编制工作。 

1.   试验材料

试验用黏土砖尺寸为230 mm×114 mm×65 mm（长度×宽度×高度，下同），黏土砖及耐火泥浆的主要化学成分如表1所示。 

Table  1.  黏土砖及耐火泥浆的主要化学成分

材 料	质量分数
	Al2O3	SiO2	TiO2	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O
黏土砖	46.61	46.97	1.88	2.80	0.61	0.46	0.98	0.15
耐火泥浆	63.83	30.81	1.00	0.69	0.07	0.23	0.13	0.08

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试验选用无缺边、无掉角、表面无明显裂纹和孔洞的标准黏土砖，将标准黏土砖切割成两个尺寸为114 mm×112 mm×65 mm的试样，如图1（a）所示；从标准黏土砖上切割出两个尺寸分别为114 mm×80 mm×65 mm 和114 mm×60 mm×65 mm的试样，如图1（b）所示。加工的试样在110 ℃保温24 h，烘干后备用。 

图  1  试样加工方法示意

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按照标准GB/T 22459.1—2022《耐火泥浆 第1部分：稠度试验方法（锥入度法）》将耐火泥浆在搅拌机中加水搅拌至均匀，将其稠度调整为320~380 mm。按照标准GB/T 22459.3—2021《耐火泥浆 第3部分：粘结时间试验方法》，用塑料膜密封静置泥浆30 min，在使用前再搅拌泥浆不少于2 min。用两块标准砖作为试样，制备的试样记为1 BZ；根据所用试样的尺寸，将同一块标准砖加工出的试样分别记为1/2 BZ、1/3 BZ和1/4 BZ。不同影响因素研究试验所需试样的制备参数及设计方案如表2所示。标准GB/T 22459.4—2022《耐火泥浆 第4部分：常温抗折粘接强度试验方法》中规定的试样烘干制度为：自然干燥24 h，（65±5） ℃保温 4 h，然后升温至（110±5） ℃，保温24 h。其中，耐火泥浆的厚度用对应直径为1，2，3，4 mm的钢棒辅助实现。 

Table  2.  不同影响因素研究试验所需试样的制备参数及设计方案

粘接厚度/mm	试样尺寸	烘干制度	加载速率/（MPa·s−1）
2	1 BZ, 1/2 BZ, 1/3 BZ, 1/4 BZ	GB/T 22459.4—2022	0.15
2	1/3 BZ	详见2.2节	0.15
1,2,3,4	1/2 BZ, 1/3 BZ, 1/4 BZ	GB/T 22459.4—2022	0.15
2	1/3 BZ	GB/T 22459.4—2022	0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.50, 1.00

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2.   试验方法与结果分析

2.1   试样尺寸的影响

耐火泥浆抗剪粘接强度与试样尺寸的关系如图2所示。尺寸为1 BZ试样的耐火泥浆抗剪粘接强度最小，随着试样尺寸减小至1/2 BZ及1/3 BZ，所测得的耐火泥浆抗剪粘接强度明显增大；当试样尺寸减小至1/4 BZ后，耐火泥浆抗剪粘接强度测试结果又有所减小。 

图  2  耐火泥浆抗剪粘接强度与试样尺寸的关系

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以上试验结果表明，耐火泥浆抗剪粘接强度测试试样的尺寸过大或过小都不合适[3-4]，而采用1/2 BZ或1/3 BZ尺寸的试样进行测试较为适宜；结合试样的制备过程，1/2 BZ试样难以握持且操作不便，故选定1/3 BZ尺寸的试样进行其他试验。 

2.2   干燥制度的影响

为验证烘干制度的合理和高效性，每隔1 h称量试样，直至恒重。设计了4个干燥方案（见表3），其中升温速率均为1 ℃/min，A、B和C方案均由2个阶段组成，而D方案仅有1个阶段。 

Table  3.  干燥方案

烘干方案	干燥温度及时间
	第一阶段	第二阶段	升温速率/（℃·min−1）
A	40 ℃×24 h	110 ℃×7 h	1
B	60 ℃×24 h	110 ℃×7 h
C	80 ℃×24 h	110 ℃×7 h
D	110 ℃×7 h	—

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不同烘干方案下试样的质量变化如图3所示。第一阶段干燥温度为40 ℃，在24 h的干燥过程中，试样持续减少质量约为4 g，脱水的速率约为0.167 g/h；而在60 ℃时，试样在24 h的干燥过程中也呈现持续质量减少的行为，减少约6 g，脱水速率约为0.25 g/h；当将第一阶段干燥温度升高至80 ℃时，试样在经过约6 h的干燥后质量趋于恒定，脱水速率约为0.67 g/h；当直接在110 ℃干燥3 h后，试样的质量趋于恒定，脱水速率达到1.3 g/h。因此，随着第一阶段干燥温度的升高，干燥速率显著提高，直接在110 ℃进行干燥，经过3 h试样即可达到恒重，说明方案D的效率最高。 

图  3  不同烘干方案下试样的质量变化

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干燥结束后，待试样冷却至室温，分别对不同制度干燥后的试样进行常温抗剪粘接强度测试，结果如表4所示。由表4可知：烘干制度对耐火泥浆的抗剪粘接强度有一定影响；在40~60 ℃下进行低温干燥有利于提高耐火泥浆的抗剪粘接强度；随着干燥温度的升高，耐火泥浆的抗剪粘接强度有所降低，但变化不大。由干燥过程质量变化和耐火泥浆抗剪粘接强度两方面的试验结果可知，将试样直接升温至110 ℃，保温3 h是较佳的干燥方式。 

Table  4.  不同干燥制度的耐火泥浆抗剪粘接强度

烘干方案	实测值	平均值
A	1.467，1.432，1.593	1.49
B	1.487，1.729，1.786	1.67
C	1.044，1.317，1.231	1.19
D	1.372，1.299，1.291	1.32

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2.3   粘接厚度的影响

在实际窑炉砌筑过程中，耐火泥浆的厚度一般为2 mm左右。但是，在实验室制备试样的过程中，难以控制及测量过薄的泥浆厚度，而太厚的粘接厚度又不具有可操作性，且不利于试样之间的稳定粘接。为此，设计了耐火泥浆粘接厚度试验，以研究耐火泥浆粘接厚度与抗剪粘接强度之间的关联性，考察其与试样尺寸的适应性。试验时只用尺寸为1/2 BZ、1/3 BZ与1/4 BZ的试样，分别将耐火泥浆的厚度控制为1，2，3，4 mm左右。测得不同尺寸试样的耐火泥浆抗剪粘接强度与其粘接厚度的关系如图4所示。 

图  4  不同尺寸试样的耐火泥浆抗剪粘接强度与其粘接厚度的关系

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由图4可知：用不同尺寸、不同耐火泥浆粘接厚度的试样测得的耐火泥浆抗剪粘接强度基本为1.1~1.4 MPa，但是测得的不同尺寸试样耐火泥浆抗剪粘接强度与耐火泥浆粘接厚度之间的关系有明显差异。在耐火泥浆粘接厚度由1 mm增大至4 mm过程中，1/2 BZ与1/3 BZ试样的耐火泥浆抗剪粘接强度出现上下波动，中值约为1.2 MPa；而1/4 BZ试样的耐火泥浆抗剪粘接强度明显偏小，且均小于1.2 MPa。因而采用1/4 BZ试样测得的结果容易出现负偏差，即试样尺寸过小不利于测得具有代表性的结果。采用1/2 BZ及1/3 BZ试样测得的抗剪粘接强度呈现上下波动，有利于消除不同测试结果之间的误差；同时，比较二者可以发现，用1/3 BZ试样测得结果的极差更小，说明该尺寸试样的测试结果受耐火泥浆粘接厚度的影响较小。 

综上所述，采用1/3 BZ尺寸试样进行耐火泥浆抗剪粘接强度的测试是比较合适的。另外，考虑到实际耐火砖尺寸偏差的影响，将泥浆粘接厚度控制为1 mm是难以实现的；而2~4 mm泥浆粘接厚度试样的测试结果差异并不大，其中2 mm厚度时测试结果相对较大，且3~4 mm泥浆粘接厚度与实际工况中耐火泥浆的一般厚度有较大出入。鉴于此，耐火泥浆的粘接厚度确定为2 mm。 

2.4   加载速率的影响

为了确定合适的抗剪粘接强度试验加载速率，设计了0.05，0.1，0.15，0.2，0.5，1.0 MPa/s共计6个不同的加载速率，对泥浆厚度为2 mm的黏土试样进行了测试，结果如图5所示。由图5可知：随着加载速率由0.05 MPa/s增大到0.1 MPa/s，抗剪粘接强度测试结果有明显变大的趋势；但当加载速率为0.1~0.2 MPa/s时，加载速率对抗剪粘接强度的影响不大；当加载速率继续增大至0.5 MPa/s时，抗剪粘接强度又显著增大；进一步提高加载速率至1.0 MPa/s时，抗剪粘接强度几乎没有变化。由此可见，加载速率为0.1~0.2 MPa/s时，其对抗剪粘接强度的测试结果影响较小。按照标准GB/T 22459.4—2022，对耐火泥浆抗剪粘接强度的加载速率进行规定，抗剪粘接强度测试时将加载速率选定为0.15 MPa/s较为合适。 

图  5  耐火泥浆抗剪粘接强度与加载速率的关系

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3.   比对试验与精密度分析

3.1   试样制备与分配

从同一批试验用黏土砖中随机抽取30块尺寸为230 mm×114 mm×65 mm的标准砖，按图1（b）加工成30对80 mm×114 mm×65 mm的试样，将试样编号为1，2，3，4，5，…，30，并将试样在烘箱中110 ℃下干燥24 h后冷却至室温，并将试样随机编成6组（每组5对）并配套质量为2 kg的耐火泥浆，分发给6个实验室（编号分别为L1，L2，L3，L4，L5，L6），试样随机编组与分配方案如表5所示。 

Table  5.  试样随机编组与分配方案

试样编号	实验室编号
	L1	L2	L3	L4	L5	L6
1	27	9	13	6	20	23
2	8	22	3	26	16	12
3	19	5	29	10	28	15
4	1	7	24	30	2	17
5	18	11	25	14	21	4

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3.2   试验要求

调整加水量，每个实验室将2 kg干粉耐火泥浆的稠度控制为340~360 mm，静置30 min后待用。按要求制备试样，将粘接厚度控制为2 mm，经24 h自然养护后将试样置于烘箱中，在110 ℃下干燥3 h。推荐的试验机量程为50~100 kN，加载速率设置为0.15 MPa/s，且具备自动记录功能。 

3.3   结果与统计分析

曼德尔统计量hi可检验实验室间的准确度，曼德尔统计量ki可检验实验室内的精密度。若|hi|越大，表明编号i实验室的测试结果准确度越低；若|ki|越大，表明编号i实验室的测试结果精密度越低[5-8]。因而，就需要对|hi|、|ki|与其临界值（显著性水平为5%时的|h0.05|和|k0.05|；显著性水平为1%时的|h0.01|和|k0.01|）进行比较，来检验是否存在岐离值（|hi|>|h0.05|或|ki|>|k0.05|）和离群值（|hi|>|h0.01|或|ki|>|k0.01|），进而验证比对试验结果的可靠性。柯克伦统计量C用于对标准差最大的实验室检测结果进行检验[9]，若柯克伦统计量C>C0.05（5%显著水平下的临界值），则该实验室存在岐离值，若柯克伦统计量C>C0.01（1%显著水平下的临界值），则该实验室存在离群值。 

参与比对实验室的数量为6个，每个实验室回收到5个试验结果，按照GB/T 6379.2—2004 《测量方法与结果的准确度（正确度与精密度）第2部分：确定标准测量方法重复性与再现性的基本方法》的要求，对回收到的试验结果分别进行曼德尔检验和柯克伦检验，结果如表6所示。由表6可知：曼德尔检验结果|hi|和|ki|均小于C0.05，说明数据无突变，不存在岐离值和离群值；而柯伦克统计量C也小于C0.05，测试结果不存在岐离值和离群值，表明不同实验室间的测试结果不存在明显差异，比对结果可靠。进一步地，对测试结果进行精密度计算，得到平均值为1.581 MPa，重复性标准差Sr为0.272 MPa，再现性标准差SR为0.275 MPa。 

Table  6.  比对试验的统计分析结果

实验室编号	抗剪强度/MPa		曼德尔h检验			曼德尔k检验			柯克伦C检验
	平均值	标准差	统计量hi	临界值		统计量ki	临界值		统计量C	临界值
				|h0.01|	|h0.05|		|k0.01|	|k0.05|		C0.01	C0.05
L1	1.774	0.180	1.51	1.87	1.66	0.66	1.68	1.48	—	0.626	0.532
L2	1.378	0.295	－1.59			1.08			—
L3	1.600	0.338	0.15			1.24			0.257
L4	1.586	0.302	0.04			1.11			—
L5	1.536	0.215	－0.35			0.79			—
L6	1.612	0.270	0.24			0.99			—

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4.   结论

1/3 BZ尺寸的试样易于完成粘接，且粘接面为原砖面，其抗剪粘接强度高于其他尺寸的试样；110 ℃×3 h的干燥制度有利于提高测试结果的稳定性，且测试效率最高；粘接厚度为2 mm可明显降低结果的离散性，且符合砌筑要求；加载速率为0.1~0.2 MPa/s对测试结果影响较小；采用1/3 BZ尺寸的试样、110 ℃×3 h的干燥制度、2 mm的粘接厚度和0.15 MPa/s的加载速率进行比对试验，其结果均无岐离值和离群值，较好地满足了标准研制的精密度要求，有效地保证了GB/T 22459.9—2024标准的科学性和可靠性。