耐火澆注料在初次烘烤使用過程中容易發生爆裂,原因主要有兩種:一種是在受熱過程中,蒸氣在有限的空間內產生蒸汽壓,使得周圍的結構承受應力,這種應力隨著溫度的升高而增大,當耐火材料結構承受的應力超過局部強度,就會發生爆裂;另一種是由於耐火澆注料不同部位存在溫差而在垂直與受熱面方向產生拉應力,拉應力隨著溫差的增大而增大,當耐火材料結構承受的拉應力超過局部抗拉強度,也會發生爆裂。耐火澆注料爆裂機理按爆裂作用力不同可分為蒸汽壓致爆裂機理和熱應力致爆裂機理。
1、蒸氣壓致爆裂機理
Harmarthy和Smith分別於1965年和1978年提出了飽和塞概念,用於分析孔隙壓力誘發的混凝土爆裂。隨著溫度升高,材料內部水分蒸發,蒸氣形成蒸氣壓並在材料內產生壓力梯度,壓力梯度是物質傳輸的動力,蒸氣一部分通過材料中的氣孔和界面通道從加熱面排出;另一部分向混凝土內部移動。由於氣孔還存在液態的水,當熱力學條件滿足時,就會形成一道高水含量的牆,阻礙了蒸氣繼續向內部傳輸,在此就會形成較高的蒸汽壓,如果材料承受的拉力超過局部強度,就會發生爆裂。
黃育飛設計了可以測量出澆注料內部蒸汽壓的裝置,測試得到了高鋁澆注料和含瀝青剛玉澆注料在快速烘烤過程中的試樣內部不同位置蒸汽壓力與溫度及其變化趨勢。高鋁澆注料內部的最大蒸汽壓力大於2.5Mpa,含瀝青剛玉澆注料內部最大蒸汽壓力大於4MPa;出現最大蒸汽壓力值時對應的測試點內部溫度在150℃~220℃間,爐溫在400℃左右;蒸汽壓力曲線呈單陡峰形,在蒸汽壓力到達最大值前約10min,測試點出現明顯吸熱現象。
趙瑾在黃育飛工作的基礎上加以深入研究獲得了較大的試驗進展。在試驗條件下,三種結合體系澆注料受熱時抵抗爆裂的能力依次為:超低水泥結合>M-S-H結合>水合氧化鋁結合;提出了蒸汽壓誘導氣孔破裂致澆注料爆裂機理,蒸氣壓作用於澆注料內部氣孔孔壁上導致氣孔破裂,產生裂紋,裂紋在蒸氣壓作用下失穩擴展,引起突發性的爆裂;蒸汽壓誘導氣孔破裂致爆裂機理可以定量地分析澆注料在烘烤過程中的爆裂現象,也說明澆注料在烘烤過程中發生爆裂存在隨機性。
2、熱應力致爆裂機理
Bazant提出了混凝土爆裂熱應力學說,由於材料加熱面和內部的溫度不同,溫度梯度造成熱膨脹各向異性,受限熱膨脹導致平行於加熱面壓應力的產生,同時在距離受熱面較遠的位置又產生垂直於受熱面方向地應力,升溫速度越快,溫度梯度更加明顯,產生的應力越大,應力超過材料的局部強度時,就會引起爆裂。
朱珠由ANSYS軟體計算分析得到的正方體100mm試樣和正方體150mm試樣最大蒸汽壓力出現時所對應的第一主應力值和高溫抗拉強度值,分析認為熱應力對澆注料在烘烤過程中發生爆裂具有一定的輔助作用。劉巖嘗試將應變片電測法引入試驗中,用來測試試樣在烘烤過程中產生的應力,分析認為利用應變片研究烘烤過程中的內部應力方法還不完全成熟,不能作為定量的分析手段。但是可以定性的研究加熱過程中內應力的變化規律,分析加熱過程可能出現危險點的位置,對耐火澆注料發生爆裂的機理研究以及指導實際澆注料施工中避免爆裂具有重要的指導意義。