Боксит-силикат-натриевое композиционное вяжущее

Вестник ДГТУ. Технические науки. №12, 2007 А-

БОКСИТ-СИЛИКАТ-НАТРИЕВОЕ КОМПОЗИЦИОННОЕ ВЯЖУЩЕЕ Мантуров З.А., Порсуков А.А.

Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала

Как уже отмечалось в работах [1 - 12], совместно измельченные композиции из безводного силиката натрия (силикат-глыбы с кремнеземистым модулем 2,7 - 2,9) и различных огнеупорных веществ при затворении водой, уплотнении и последующей тепловой обработке (сушке) приобретают вяжущие свойства. Прочностные свойства этих композиций зависит от многих условий, варьируя которые можно уверенно управлять первичным структурообразованием этих материалов. Свойства, приобретенные композициями при формовании и последующей низкотемпературной тепловой обработке, могут обеспечить лишь монтажную прочность жаростойкого материала.

С этой целью была проведена серия опытов по определению свойств силикат-натриевых композиций из огнеупорных каркасообразующих материалов - корунда и боксита. При этом исследовались огнеупорные свойства и прочностные характеристики этих вяжущих, а также влияние на эти свойства соотношения компонентов в вяжущей композиции. Полученные результаты приведены в таблице 1. Анализ данных таблицы позволяет заключить, что с повышением процентного содержания огнеупорного каркасообразующего материала прочность композиции снижается, а огнеупорность растет. Кроме того, огнеупорные свойства определяются также и видом каркасообразующего материала.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что, применяя силикат - натриевые композиционные вяжущие на электроплавленном корунде, а также на боксите можно получать изделия с достаточно высокими прочностными показателями после низкотемпературной обработки (сушки при 180-200 °С), а также направленно регулировать огнеупорность жаростойких систем.

Однако решающим фактором, определяющим качество жаростойких вяжущих и материалов на их основе, является поведение композиций при их нагреве до рабочих температур от 200 °С и выше, т.е. процесс структурообразования в жаростойких вяжущих, протекающий по мере увеличения температуры нагрева.

Для определения устойчивости структурообразования необходимо изучить физико-химические процессы происходящие в этих системах, а также изменение их термомеханических свойств во всем диапазоне температур.

Таблица 1

Характеристика жаростойких силикат-натриевых композиционных вяжущих

Вид Состав, % Огнеуп Температура Средняя Проч-ть

силикат-натриевого Огнеупорн ый Силика т - орност ь, °С начала деформации плотность , т/м3 при сжатии после

композицио нного наполнител ь глыба под нагрузкой 0,2 МПа сушки при 200 °С,

вяжущего МПа

95 5 1850 1500 2,36 14,0

Корундовое 90 10 1730 1380 2,25 19,0

80 20 1600 1300 2,20 28,0

95 5 1750 1620 2,00 10

Бокситовое 90 10 1690 1570 1,97 16

80 20 1580 1500 2,06 26

Проведенные нами предварительно физико-химические исследования (дифференциально-термический и рентгеноструктурный анализ) боксит-силикат-натриевого композиционного вяжущего позволила установить возможность получения высокотемпературной модификации глинозема, а также регулирования вяжущих свойств и модификационных превращений гидроксидов алюминия. Эти высокотемпературные модификации глинозема, получаемые при потере воды гидроксидами алюминия, имея рыхлую структуру до температур плавления, с одной стороны благоприятствует увеличению реакционной способности модификации глинозема при взаимодействии с другими минералами, а с другой стороны создают сильные усадки в вяжущем. Эти усадки вяжущего, как известно, образуют большие внутренние напряжения на границах вяжущее - заполнитель.

Следовательно, это композиционное вяжущее хорошо будет работать в сочетании с тонкодисперсным материалом с высоким температурным коэффициентом линейного расширения (например, корунд). Такое композиционное вяжущее (боксит-корунд-силикат-глыба), при соответствующем подборе исходных компонентов может оказаться весьма эффективной связующей для жаростойкого материала.

Поэтому, далее нами была проведена оптимизация состава исследуемого композиционного вяжущего (состоящего из боксита, корунда и силикат-глыбы) на основе математико-статических методов (симплекс-решетчатое планирования эксперимента) с использованием ЭВМ [13 - 15].

Композиции с различными соотношениями силикат-глыбы, боксита и корунда, имели после совместного помола = 2500 см2/г. Образцы-балочки 40х40х160 мм, изготавливали методом вибрирования с пригрузом и высушивали по режиму: подъем температуры до 90 °С - 1 ч; выдержка 3 ч; подъем до 200 °С -2 ч; последующее охлаждение до 20 °С и испытывали их на прочность при сжатии и изгибе после сушки. Кроме того готовили образцы в виде цилиндров диаметром d - 25 мм и высотой Н-65 мм, полученных из масс тех же составов и испытывали их на прочность при сжатии в нагретом состоянии до 1500 °С и одновременно определяли усадку.

Критериями оптимизации для исследуемого композиционного вяжущего являлись: Y1 - прочность при сжатии после сушки (200 °С), МПа; Y2 - остаточная прочность на сжатие при нагреве 1500 °С, %; Y3 - огневая усадка вяжущего. В качестве смесевых факторов были приняты: х1 - расход силикат-глыбы, х2 - боксита и х3 -корунда мелкой фракции (0,08 мм). Исследованию подвергалась не вся область диаграммы «состав-свойство», а ее локальный участок, ограниченный треугольником ABC, выбранный на основании предварительных экспериментов [15]. Границы локального участка определены координатами вершин, содержание компонентов в которых определяется по таблице 2.

Таблица 2

Исследуемая область треугольной диаграммы_

Вершины Силикат-глыба Боксит Корунд

треугольника

А 30 60 10

В 10 80 10

С 10 60 30

В соответствии с выбранным планом (рис. 1) нами поставлены опыты, результаты которых приведены в таблице 3.

Априори известно, что поверхности отклика подобных смесей обычно бывают гладкими и могут быть аппроксимированы полиномами невысоких степеней. Поэтому описание поверхности отклика мы искали вначале в виде полинома второй степени.

Адекватность проверялась по двум проверочным точкам, одна из которых центральная.

Проведенная одновременно с вычислением коэффициентов регрессии с использованием ЭВМ проверка адекватности полученной модели по критерию Стьюдента показала, что модель адекватна и описывает действительные свойства смеси. Полученная нами математическая модель позволила построить диаграммы «состав-свойство» (см. рис. 2-4). Исходя из анализа этих диаграмм нами был выбран состав огнеупорного композиционного вяжущего, обеспечивающий его наилучшие свойства (минимальная огневая усадка при максимальной прочности на сжатие при нагреве 1500°С и достаточно высокой монтажной прочности после- сушки 200°С):

1. тонкомолотая силикат-глыба - 458 кг;

2. тонкомолотый боксит - 1736 кг;

3. белый электроплавленный корунд (0,08 мм) - 616 кг.

3 80% боксита

Рис. 1. Координаты точек плана

Таблица. 3

Матрица планирования и результаты опытов_

Шифр состава Псевдокоординаты Действительные координаты (составы) Параметры оптимизации

Ji J2 J3 Xi Х2 Х3 Ясж после сушки , МПа Остаточная прочность при нагреве 1500 % Огнева я усадка, %

П1 1 0 0 30 60 10 36 30 2

П2 0 1 0 30 80 10 22 25 1.5

Пз 0 0 1 10 60 30 18 35 1,3

П12 0,5 0,5 0 20 70 10 27 40 1,2

П13 0,5 0 0,5 10 70 20 25 45 1,0

П23 0 0,5 0,5 20 60 20 31 48 1,1

П123 0,33 0,33 0,33 16,7 16,7 16,7 29 50 1,0

П(пр) 18 60 22 30 48 0,4

Вестник ДГТУ. Технические науки. №12, 2007 А-

В

18 / / УХ \ 72

/ / \ /\ 70-65 \ \

2^/ У У V \ 68

/\ 65-6/\ /\

2^ 1 \/ уХГ \ 64

ЬС /\0-50/\

А / >70 \/\ ( \/ ^Д/50 \ С

30 % 14 18_22 26 30% корунда

силикат-глыбы ё-°.°8 мм

Рис. 2. Диаграмма зависимости остаточной прочности при сжатии, % от состава

смеси

В

Рис. 3. Диаграмма зависимости прочности при сжатии после сушки, МПа от

состава смеси

Вестник ДГТУ. Технические науки. №12, 2007

А-

В

Рис. 4. Диаграмма зависимости огневой усадки, % от состава смеси

Библиографический список:

1. Тотурбиев Б.Д. Строительные материалы на силикат-натриевых композициях. -М.: Стройиздат, 1988. - 208 с.

2. Тотурбиев Б.Д. и др. Жаростойкие бетоны на основе композиций из природных и техногенных стекол.: Стройиздат, 1986. - 144 с.

3. Тотурбиев Б.Д. Бесцементные жаростойкие бетоны на силикат-натриевых композиционных вяжущих /Бетон и железобетон. -1986. - № 1. -С.35-36.

4. Тотурбиев Б.Д. Бесцементные строительные материалы / Жилищное строительство. -1985. -№ 9. - С..26-27.

10. Тотурбиев Б. Д. Жаростойкие бетоны на силикат-натриевом композиционном вяжущем: Дис. д-ра. техн. наук. -М., 1987. - 421 с.

11. Тотурбиев Б.Д., Мантуров З.А. и др. Местные строительные материалы, получаемые по ресурсосберегающим экологически чистым и наукоемким технологиям//Сб.: Фундаментальные и прикладные вопросы естественных наук/ Материалы выездной сессии Академии естественных наук. -Махачкала, 1994.- С.12-16

12. Тотурбиев Б.Д. Силикат-натриевые композиции для жаростойких бетонов/Бетон и железобетон. -1985. -№ 10. -С.5-7.

13. Вознесенский В.А., Лященко Т.В., Агарков Б.Л. Численные методы решения строительно-технологических задач на ЭВМ.- Киев: Высшая школа, 1989.- 326 с.

14. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях.- М.: Финансы и статистика, 1981.- 263 с.

15. Новые идеи в планировании эксперимента/ Под ред. В.В. Налимова.- М.: Наука, 1969. - 334 с.