廣場(chǎng)用陶瓷磚破壞強(qiáng)度與斷裂模數(shù)檢測(cè)技術(shù)研究

一、檢測(cè)原理

破壞強(qiáng)度與斷裂模數(shù)是評(píng)價(jià)陶瓷磚機(jī)械性能的核心指標(biāo)，其檢測(cè)基于材料力學(xué)中的彎曲強(qiáng)度理論。

1. 破壞強(qiáng)度：指陶瓷磚在三點(diǎn)或四點(diǎn)彎曲載荷作用下，發(fā)生斷裂時(shí)所承受的大力值（單位：牛頓，N）。其原理是將磚體視為簡(jiǎn)支梁，在跨距中心或特定位置施加集中載荷，直至試樣斷裂。通過記錄大載荷F，可直接得到破壞強(qiáng)度值。該指標(biāo)主要反映陶瓷磚抵抗集中載荷破壞的能力。

2. 斷裂模數(shù)：指陶瓷磚在彎曲載荷作用下斷裂時(shí)，其斷面邊緣的大拉伸應(yīng)力（單位：兆帕，MPa）。其計(jì)算基于彈性梁彎曲應(yīng)力公式。對(duì)于矩形截面的試樣，在三點(diǎn)彎曲測(cè)試中，其計(jì)算公式為：

   $$R = \frac{3FL}{2bh^2}$$

   其中：

   • R 為斷裂模數(shù)（MPa）

   • F 為破壞載荷（N）

   • L 為支撐跨距（mm）

   • b 為試樣的寬度（mm）

   • h 為試樣斷裂處的小厚度（mm）

   斷裂模數(shù)消除了試樣尺寸的影響，更科學(xué)地反映了陶瓷磚材料本身的抗彎強(qiáng)度本質(zhì)，是評(píng)價(jià)材料內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

廣場(chǎng)用陶瓷磚的力學(xué)性能檢測(cè)主要分為以下幾類：

1. 基本力學(xué)性能檢測(cè)：

   • 破壞強(qiáng)度：適用于所有厚度≥7.5mm的陶瓷磚，直接測(cè)量其斷裂時(shí)的大力。

   • 斷裂模數(shù)：適用于所有厚度的陶瓷磚，計(jì)算其斷裂時(shí)的大彎曲應(yīng)力。

   • 厚度變異系數(shù)檢測(cè)：在測(cè)量斷裂模數(shù)前，需測(cè)量試樣上多個(gè)點(diǎn)的厚度，計(jì)算其平均值和變異系數(shù)，以評(píng)估磚體的平整度和厚度均勻性，該指標(biāo)直接影響斷裂模數(shù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2. 耐久性與疲勞性能檢測(cè)（相關(guān)項(xiàng)目）：

   • 抗凍性：經(jīng)凍融循環(huán)后，檢測(cè)其破壞強(qiáng)度或斷裂模數(shù)的衰減程度，評(píng)估在寒冷地區(qū)的適用性。

   • 耐磨性：雖然不直接測(cè)試強(qiáng)度，但表面耐磨層厚度和結(jié)構(gòu)會(huì)影響整體的力學(xué)性能。

   • 深磨試驗(yàn)：對(duì)于經(jīng)打磨處理的磚，需在深磨后測(cè)試其斷裂模數(shù)，以評(píng)估加工對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

三、檢測(cè)范圍

廣場(chǎng)用陶瓷磚（通常指吸水率E≤3%的瓷質(zhì)磚）因其使用環(huán)境的特殊性，對(duì)破壞強(qiáng)度和斷裂模數(shù)有更高要求，其檢測(cè)覆蓋以下應(yīng)用領(lǐng)域：

• 室外廣場(chǎng)與步行街：承受行人荷載、小型車輛（如保潔車、自行車）碾壓，要求具有較高的破壞強(qiáng)度和斷裂模數(shù)以防止斷裂。

• 商業(yè)與公共建筑大廳：人流量大，可能伴有重物搬運(yùn)或設(shè)備移動(dòng)，需要良好的抗沖擊和抗彎曲性能。

• 車站、機(jī)場(chǎng)等交通樞紐：持續(xù)承受高密度人流和行李運(yùn)輸設(shè)備的滾動(dòng)載荷，對(duì)疲勞強(qiáng)度和靜態(tài)強(qiáng)度均有高要求。

• 工業(yè)廠房及倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域：需承受叉車等重型設(shè)備的動(dòng)態(tài)載荷及重物靜載，對(duì)破壞強(qiáng)度的要求為嚴(yán)苛。

• 室外停車場(chǎng)：承受汽車輪壓，要求極高的破壞強(qiáng)度和優(yōu)異的抗沖擊性。

具體要求通常體現(xiàn)在不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)不同使用區(qū)域的磚的分類和低強(qiáng)度要求上。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)陶瓷磚破壞強(qiáng)度和斷裂模數(shù)的測(cè)試方法大同小異，但在具體參數(shù)、分級(jí)和要求上存在差異。

核心對(duì)比：

• 一致性：中國(guó)、歐盟與標(biāo)準(zhǔn)在核心測(cè)試原理和方法上高度統(tǒng)一，有利于貿(mào)易。

• 要求差異：美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI A137.1對(duì)用于重型交通（如機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)）的瓷磚，其低斷裂模數(shù)要求通常更為嚴(yán)格。

• 細(xì)節(jié)規(guī)定：各標(biāo)準(zhǔn)在試樣的預(yù)處理（如浸泡時(shí)間）、支撐跨距的計(jì)算、橡膠墊的硬度等方面可能存在細(xì)微技術(shù)差異，檢測(cè)時(shí)需嚴(yán)格遵循對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

五、檢測(cè)方法

1. 試樣制備：

   • 選取完整、無(wú)缺陷的磚至少10片（以確保結(jié)果統(tǒng)計(jì)有效性）。

   • 試樣尺寸：通常為整磚。若磚尺寸過大，可用切割機(jī)切割成合適尺寸，但需確保切割邊光滑且不影響測(cè)試區(qū)域。

   • 試樣處理：測(cè)試前需在（110±5）℃的烘箱中干燥至恒重，并在密閉干燥器中冷卻至室溫。對(duì)于吸水率>10%的試樣，測(cè)試前需在水中浸泡24小時(shí)。

2. 測(cè)試步驟（以三點(diǎn)彎曲法為例）：

   • 儀器校準(zhǔn)：確保試驗(yàn)機(jī)力值準(zhǔn)確，支撐輥和加載輥平行、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。

   • 測(cè)量試樣：精確測(cè)量試樣寬度b和測(cè)試點(diǎn)小厚度h。

   • 設(shè)置跨距：根據(jù)公式 $L = (t - h) + 50$ mm 或標(biāo)準(zhǔn)具體規(guī)定設(shè)置支撐跨距，其中t為磚的公稱厚度。確保支撐輥和加載輥與試樣接觸部分包裹標(biāo)準(zhǔn)厚度的橡膠墊。

   • 放置試樣：將試樣釉面或使用面朝上，平穩(wěn)置于支撐輥上，確保試樣中心線與加載輥、支撐輥中心線平行。

   • 施加載荷：以恒定速率（通常為（1±0.2）N/(mm²·s)）施加彎曲載荷，直至試樣斷裂。

   • 記錄數(shù)據(jù)：記錄破壞時(shí)的大載荷F（N）和試樣斷裂位置。

六、檢測(cè)儀器

用于此項(xiàng)檢測(cè)的主要設(shè)備為陶瓷磚抗折試驗(yàn)機(jī)。

1. 主機(jī)框架：采用高剛性門式或龍門式結(jié)構(gòu)，確保測(cè)試過程中極高的穩(wěn)定性與同軸度。

2. 加荷系統(tǒng)：

   • 驅(qū)動(dòng)方式：通常采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、無(wú)沖擊的精確位移和速度控制。

   • 力值傳感器：采用高精度、高穩(wěn)定性的測(cè)力傳感器，量程需覆蓋被測(cè)磚的預(yù)期強(qiáng)度范圍，精度通常優(yōu)于±1%。

3. 彎曲夾具：

   • 支撐輥與加載輥：兩個(gè)平行的支撐輥和一個(gè)位于中間的加載輥，直徑符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。輥?zhàn)討?yīng)能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，以減少摩擦阻力。

   • 橡膠墊層：包裹在輥?zhàn)颖砻妫糜诰鶆蚍植驾d荷并避免應(yīng)力集中，其厚度和硬度有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4. 控制系統(tǒng)與軟件：

   • 能夠精確控制加載速率。

   • 自動(dòng)采集并記錄力-位移曲線。

   • 自動(dòng)計(jì)算破壞強(qiáng)度、斷裂模數(shù)、平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

   • 具備測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢和報(bào)告打印功能。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)處理：

   • 分別計(jì)算10個(gè)有效試樣破壞強(qiáng)度（F）和斷裂模數(shù)（R）的算術(shù)平均值。

   • 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差或變異系數(shù)，以評(píng)估數(shù)據(jù)的離散程度，判斷生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 單值判定：對(duì)于破壞強(qiáng)度，每個(gè)試樣的測(cè)定值不得低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的低值的90%或92%（具體依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)）。

   • 平均值判定：所有試樣破壞強(qiáng)度或斷裂模數(shù)的算術(shù)平均值，不得低于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該類別和尺寸陶瓷磚規(guī)定的低值。

     • 例如，根據(jù)GB/T 4100，對(duì)于厚度≥7.5mm、用于踩踏表面的瓷質(zhì)磚（廣場(chǎng)磚），其破壞強(qiáng)度平均值要求≥1300N（對(duì)于厚度＜7.5mm的磚，則考核斷裂模數(shù)，平均值≥35MPa）；對(duì)于特殊重載場(chǎng)合，要求可能更高（如破壞強(qiáng)度≥6000N）。

     • 美國(guó)ANSI A137.1對(duì)重型商業(yè)用瓷質(zhì)磚的斷裂模數(shù)要求平均值不低于41MPa。

3. 異常結(jié)果分析：

   • 結(jié)果離散大：可能源于磚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻、厚度差異大、存在微裂紋或生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定。

   • 強(qiáng)度值偏低：可能由于原料配方不當(dāng)、成型壓力不足、燒成溫度不夠或保溫時(shí)間不足導(dǎo)致瓷化程度差、孔隙率高。

   • 斷裂位置異常：若斷裂均發(fā)生在非加載點(diǎn)，可能表明磚體存在內(nèi)部缺陷或應(yīng)力集中點(diǎn)。

通過系統(tǒng)的檢測(cè)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)果分析，可以準(zhǔn)確評(píng)估廣場(chǎng)用陶瓷磚的力學(xué)可靠性，為其在特定應(yīng)用場(chǎng)景下的安全使用提供科學(xué)依據(jù)，并指導(dǎo)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化與改進(jìn)。