CN112393992A - 一种耐火材料抗剪切测试设备及试验方法 - Google Patents

一种耐火材料抗剪切测试设备及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于耐火材料力学检验技术领域，涉及一种剪切测试设备及试验方法。涉及的一种耐火材料抗剪切测试设备包括试样、压力机、底座和竖向加压系统、试样固定系统、侧向加荷和力值测量系统；竖向加压系统包括压头支架和压头，压头支架固定于底座上；压头侧切面呈梯形；试样固定系统由外壳、上压板、下压板、挡板组成；固定系统下压板与试样间设有一小厚度柔性层；固定支架前端板和后端板均开有装样孔。本发明符合剪切试验理论模型，使得测试结果更准确；同时可通过侧向加荷系统改变水平载荷，可以得到多组包含剪切强度、侧向载荷和应变的测量数据，从而可以得到试样的粘聚力和内摩擦角，也可通过改变侧向载荷增量拟合莫尔强度包络线。

Description

一种耐火材料抗剪切测试设备及试验方法
技术领域
本发明属于耐火材料力学检验技术领域，具体涉及一种剪切测试设备及试验方法。
背景技术
耐火材料作为众多高温工业的基础，广泛应用于钢铁、有色、石化等多个领域，主要用于各种高温窑炉、烟道、蓄热室等热工设备的砌筑。作为高温环境下提供机械强度的部分，工作层耐火材料会受到多种力的作用，所以力学检测是耐火材料检测中十分重要的部分。在现行检验标准中，关于各类耐压、抗折、抗拉以及耐火泥浆的粘结强度已经有充分的描述规定，或有相近标准参照执行，但在GB 5024.4-1985《耐火泥浆冷态抗剪粘结强度试验方法》废止后，作为力学性能中非常关键的抗剪切强度的检测已经没有对应的标准，也无法通过标准方法对材料内部的粘聚力和内摩擦角进行界定，而且在冷热交替的环境下，剪切力与抗热震性能有所关联，所以有必要对耐火材料的抗剪切性能进行研究。
目前建筑、有色和有机化学行业常使用三轴压缩剪切或直接剪切对土体、岩体、有机材料和一些糊类材料进行检测分析，常用的土体试验仪器受限于结构，对于软质或半软质的材料适用性较强，无法充分应对脆性高强度的耐火材料，而目前适用于岩石剪切的试验机多采用平推法，设有竖直方向和水平向两个液压缸，与耐材材料实验室常用单向液压机有较大区别，专利CN 110579397 A采用了单向液压机进行双面剪切试验，可适应大强度脆性材料的检测，但欲使剪切块在不受摩擦力影响下载剪切槽内移动，剪切块与剪切凹槽之间必然有一定的间隙，这个间隙会导致仪器施加的剪切力产生力矩，与试验模型有所偏离。而且不同于土体或岩体可以使用模具或机械加工控制试样表面的平整度，部分耐火材料受限于自身可加工性或加工手段，无法保证大面积平整度，所以采用剪切块以面接触形式加压时，有可能由于受力面平整度不足导致试验失败。
陶瓷行业多使用基于均质材料和小尺寸试样的单侧剪切试验，而耐火材料是由骨料和基质结合而产生强度，样品尺寸不能过小，否则会出现取样偏差造成测试结果无代表性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种耐火材料抗剪切测试设备及试验方法。
本发明为完成上述目的采用如下技术方案：
一种耐火材料抗剪切测试设备，设备包括试样、压力机、底座和竖向加压系统、试样固定系统、侧向加荷和力值测量系统；
所述试样材质为耐火材料，截面积尺寸使用耐火材料标准常用的40mm×40mm或25mm×25mm，截面尺寸不小于临界粒度的四倍，以满足耐火材料小尺寸区域不均匀的特性，试样伸出固定系统部分长度不小于40mm，定型耐火材料以原砖面作为底面进行试验，不定形耐火材料以成型时的侧面作为底面；
所述底座下表面平整，上表面开有燕尾槽凹槽用于调整固定系统水平方向位置，可在试验过程中控制压头直接产生的压力与承载力间的距离，保证试验与理论的符合度，所得数据更为真实；
所述竖向加压系统包括压头支架和压头，压头支架固定于底座上，在未加压时通过吊杆和弹簧确定压头高度，压头和压头支架通过V形槽和压头侧部V形块紧密配合，保证压头运动方向始终保持竖直；
所述压头侧切面呈梯形，压头宽度大于固定支架前端板装样孔10~20mm，保证压头在剪切过程中的位置，在未加压状态下刀口高度高于样品上表面高度，压头与试样间有一小厚度柔性层，用于补偿样品表面平整度；
所述试样固定系统由外壳、上压板、下压板、挡板组成，所述外壳设置于下压板上，外壳前端面及后端面有试验孔，上压板通过螺栓固定于固定系统内部，由手轮、螺纹和弹簧垫圈调整并锁定上下压板间距离，所述下压板下表面设有燕尾凸块与底座连接，后部设有紧固螺栓，所述挡板高度与试样稍低，置于试样和固定支架后端板之间；
所述固定系统下压板与试样间设有一小厚度柔性层，避免二者出现点接触或线接触的现象；
所述固定支架前端板和后端板均开有装样孔，高度、宽度尺寸略大于试样尺寸，前后端板间距离不大于样品长度的3/4，不小于样品长度的1/2；
所述水平向加荷和力值测量系统由竖直向线性导轨、加压丝杠和力值控制系统组成。
一种采用耐火材料抗剪切测试设备测试抗剪切强度的试验方法，包括以下步骤：
S1、将试样通过固定支架后端面和前端面的装样孔装入固定系统，将挡板放入外壳与试样间后将试样后端与挡板靠紧，旋转手轮调整上压板位置固定试样位置；
S2、沿燕尾槽推动固定系统，使固定外壳前端面靠紧压头，紧固下压板后部紧固螺栓；
S3、启动侧向加荷系统，通过加压丝杠使线性导轨紧贴试样前端，然后继续调整至所需水平载荷；
S4、启动液压机进行剪切试验，当压力不能继续增加或试样出现明显裂纹时停止试验，然后复位压头位置；
S5、依次松开侧向加荷系统、上压板和挡板，取出试样；
S6、更换试样后按步骤S1固定试样，变更水平向载荷后重复步骤S3、S4和S5，可得到多组包含侧向载荷、应变和抗剪切强度的数据，进而可通过计算得到试样的粘聚力和内摩擦角。
本发明充分考虑了耐火材料特点，使用耐火材料行业标准常用尺寸试样，可保证测试数据具有代表性，在关键接触面设置了柔性层，补偿了试样表面可能存在的平整度欠缺；
本发明使用耐火材料实验室常用的单轴压机，将竖直方向设置为剪切方向，在实现大强度剪切试验的前提下避免了购置新设备或对设备的大幅改造；
本发明通过固定的压头和可调位置的固定系统可在最大程度上控制由压头直接产生的压力与承载力间的尺寸，更符合剪切试验理论模型，使得测试结果更准确。同时可通过侧向加荷系统改变水平载荷，可以得到多组包含剪切强度、侧向载荷和应变的测量数据，从而可以得到试样的粘聚力和内摩擦角，也可通过改变侧向载荷增量拟合莫尔强度包络线；
本发明采用了线性导轨作为侧向加荷的压头，可在加荷的同时保证竖直方向的自由度，避免试样剪切破坏瞬间在侧向加荷面产生不可控的摩擦力；
弹簧与丝杠配合的加压系统具有自锁性，使控制更简便有效；采用了力值传感器，使加荷操作更直观。
附图说明
图1为设备外观结构图
图2为设备内部结构示意图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为图2的 B-B剖视图。
图5为图2的C-C剖视图。
图6为图2的D-D剖视图。
图7为设备剖面图（未包含压头支架）。
图中：1、压头，2、V形凸块，3、吊杆，4、弹簧，5、压头支架，6、柔性层，7、底座，8、燕尾槽，9、固定支架前端，10、固定支架后端，11、下压板，12、前端装样孔，13、后端装样孔，14、挡板，15、上压板，16、螺栓，17、弹簧垫圈，18、手轮，19、紧固螺栓，20、紧固燕尾凸块，21、燕尾凸块，22、试样，23、线性导轨，24、力值传感器，25、加压丝杠，26、丝杠外壳，27、手轮，28、水平加压底座及力值显示屏，29、竖向加压系统，30、试样固定系统，31、水平加荷系统。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明加以说明：
本发明提供了一种可适用于高强度、便于操作、剪切模型符合度更高的抗剪切试验设备，包括竖向加压系统和底座、试样固定系统，水平加荷及力值显示系统三部分。
所述竖向加压系统和底座包含压头、形凸块、吊杆、弹簧、压头支架、柔性层、底座。
所述试样固定系统包含固定支架前端、固定支架后端、下压板、前端装样孔、后端装样孔、挡板、上压板、螺栓、弹簧垫圈、手轮、紧固螺栓、紧固燕尾凸块、燕尾凸块。
其中所述压头一面紧靠固定支架前端，由于部分材质耐火材料加工性不佳，无法保证大面积平整区域，所以为减小压头与试样的接触面积，压头下部非剪切向尺寸收缩，并且压头与试样间设置有柔性层6弥补试样表面平整度微小缺陷；压头宽度大于前端装样孔宽度约10-20mm。
其中所述压头通过V形凸块与压头支架上的V形凹槽紧密配合，由此保证压头只可沿竖直方向运动；V形凸块下方设置有吊杆，通过弹簧与压头支架连接，在无受力情况下压头刀口高于前端装样孔上端，方便装样操作。
其中所述固定系统前端和固定系统后端上分别开后前端装样孔和后端装样孔，通过两个装样孔将试样装入后用挡板、上压板和下压板限制试样的位置。
所述下压板下表面设有燕尾槽凸块与底板上的燕尾槽配合，可通过该机构沿燕尾槽方向调整试样固定系统水平向位置，位置确定后可通过紧固螺栓和紧固燕尾形凸块将整个试样固定系统固定于底板上。该结构可保证试样固定系统前端和压头间的紧密接触，有效降低压头直接施加压力的衰减，更符合试验理论模型，使结果更准确。
具体地，所述挡板高度略低于试样，宽度与固定系统后端相当。
具体地，在调整试样固定系统位置时，所述紧固螺栓和紧固燕尾形凸块处于未锁紧状态，需固定试样固定系统位置时将二者锁紧。
所述水平加荷和力值显示系统包含线性导轨、力值传感器、加压丝杠、丝杠外壳、手轮、水平加压底座及力值显示屏。
其中所述线性导轨可以在传递压力的同时保持滑块部分在竖直方向上的自由运动，该特点可以保证试样与线性导轨有相对运动趋势时不会产生明显的摩擦力，同时作为标准件，线性导轨的摩擦系数资料完备，可以进行更加细致的力学计算。
其中所述加压丝杠前端和后端间有弹簧连接，可通过手轮的转动调整弹簧的形变或更换刚度不同的弹簧，以此提供不同的水平载荷，而且丝杠具有自锁特性，可以保持水平载荷的稳定。通过多组水平载荷下的抗剪切试验结果可以推算出试样的内摩擦角和粘聚力。

Claims (3)

1.一种耐火材料抗剪切测试设备，其特征在于：设备包括试样、压力机、底座和竖向加压系统、试样固定系统、侧向加荷和力值测量系统；
所述试样材质为耐火材料，试样的截面尺寸不小于临界粒度的四倍，试样伸出固定系统部分长度不小于40mm，定型耐火材料以原砖面作为底面进行试验，不定形耐火材料以成型时的侧面作为底面；
所述底座下表面平整，上表面开有燕尾槽凹槽用于调整固定系统水平方向位置，可在试验过程中控制压头直接产生的压力与承载力间的距离，保证试验与理论的符合度，所得数据更为真实；
所述竖向加压系统包括压头支架和压头，压头支架固定于底座上，在未加压时通过吊杆和弹簧确定压头高度，压头和压头支架通过V形槽和压头侧部V形块紧密配合，保证压头运动方向始终保持竖直；
所述压头侧切面呈梯形，压头宽度大于固定支架前端板装样孔10~20mm，保证压头在剪切过程中的位置，在未加压状态下刀口高度高于样品上表面高度，压头与试样间有一小厚度柔性层，用于补偿样品表面平整度；
所述试样固定系统由外壳、上压板、下压板、挡板组成，所述外壳设置于下压板上，外壳前端面及后端面有试验孔，上压板通过螺栓固定于固定系统内部，由手轮、螺纹和弹簧垫圈调整并锁定上下压板间距离，所述下压板下表面设有燕尾凸块与底座连接，后部设有紧固螺栓，所述挡板高度与试样稍低，置于试样和固定支架后端板之间；
所述固定系统下压板与试样间设有一小厚度柔性层，避免二者出现点接触或线接触的现象；
所述固定支架前端板和后端板均开有装样孔，高度、宽度尺寸略大于试样尺寸，前后端板间距离不大于样品长度的3/4，不小于样品长度的1/2。
2.如权利要求1所述的一种耐火材料抗剪切测试设备，其特征在于：所述水平向加荷和力值测量系统由竖直向线性导轨、加压丝杠和力值控制系统组成。
3.利用权利要求1或2所述的一种采用耐火材料抗剪切测试设备进行测试抗剪切强度的试验方法，包括以下步骤：
S1、将试样通过固定支架后端面和前端面的装样孔装入固定系统，将挡板放入外壳与试样间后将试样后端与挡板靠紧，旋转手轮调整上压板位置固定试样位置；
S2、沿燕尾槽推动固定系统，使固定外壳前端面靠紧压头，紧固下压板后部紧固螺栓；
S3、启动侧向加荷系统，通过加压丝杠使线性导轨紧贴试样前端，然后继续调整至所需水平载荷；
S4、启动液压机进行剪切试验，当压力不能继续增加或试样出现明显裂纹时停止试验，然后复位压头位置；
S5、依次松开侧向加荷系统、上压板和挡板，取出试样；
S6、更换试样后按步骤S1固定试样，变更水平向载荷后重复步骤S3、S4和S5，可得到多组包含侧向载荷、应变和抗剪切强度的数据，进而可通过计算得到试样的粘聚力和内摩擦角。
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