Прогнозирование свойств композиционных материалов с учетом наноразмера частиц и акцепторных свойств катионов твердых фаз

Проблематика транспортных систем

47

(моделирование трехосных и компрессионных испытаний), так и при сложном напряженном состоянии (моделирование стендовых испытаний).

2. Полученные в результате лабораторных испытаний параметры модели позволяют использовать ее для прогноза развития деформаций зданий и сооружений во времени, что подтверждено сопоставлением результатов расчетов с данными наблюдений за 10 объектами на территории Санкт-Петербурга.

Библиографический список

1. Флорин Б. А. Основы механики грунтов. - М.; Л.: Стройиздат. - Т. 1. - 1959. - 357 с.; Т. 2. - 1961. - 544 с.

2. Вялов С. С. Реологические основы механики грунтов. - М.: Высшая школа, 1978. -

447 с.

3. Тер-Мартиросян З. Г. Реологические параметры грунтов и расчеты оснований сооружений. - М.: Стройиздат 1990. - 200 с.

4. Месчян С. Р. Начальная и длительная прочность глинистых грунтов. - М.: Недра, 1978. - 207 с.

5. Зарецкий Ю. К. Вязкопластичность грунтов и расчеты сооружений. - М.: Стройиз-дат 1988. - 350 с.

6. Шашкин А. Г., Шашкин К. Г. Вязкопластическая модель грунта для численного расчета оснований с учетом фактора времени // Геореконструкция городов. - 2004. - №8.125 с.

УДК 666.974.2:006.354

Л. Л. Масленникова, Абу-Хасан Махмуд

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМ НАНОРАЗМЕРА ЧАСТИЦ

И АКЦЕПТОРНЫХ СВОЙСТВ КАТИОНОВ ТВЕРДЫХ ФАЗ

Проблема получения композиционных материалов тесно связана как с улучшением технологических и эксплуатационных свойств, так и с использованием техногенного сырья, возможности которого в композиционном материаловедении не достаточно исследованы. В работе рассмотрена взаимосвязь эксплуатационных свойств композиционного материала на примере жаростойкого композиционного материала (ЖКМ), природы техногенного сырья и механизма его влияния, что позволило прогнозировать получение ЖКМ нормального твердения, не уступающих по свойствам известным огнеупорным материалам на основе природного сырья.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/2

48

Проблематика транспортных систем

жаростойкий композиционный материал, акцепторные катионы, наноразмер, техногенное сырье, прогнозируемые эксплуатационные свойства.

Введение

Известно, что в композиционных материалах особую роль играет граница раздела фаз, что было убедительно показано в трудах П. П. Будникова, У. Д. Кингери, К. Д. Некрасова, А. П Тарасовой, З. М. Ларионовой и других ученых. В работах научной школы кафедры «Инженерная химия и естествознание» под руководством Л. Б. Сватовской [1], [2] была показана взаимосвязь природы техногенного сырья с эксплуатационными характеристиками композиционных керамических материалов.

В соответствии с современным этапом развития знаний представления композиционного материаловедения целесообразно развить на конструирование безобжиговых жаростойких смесей и материалов, которые отличались бы от огнеупоров тем, что формировались в условиях нормального твердения и имели при этом достаточно высокую температуру эксплуатации. В работе рассматриваются жаростойкие композиции на жидком стекле как имеющие ряд эксплуатационных преимуществ.

1 Прогнозирование свойств ЖКМ с учетом природы используемого техногенного сырья

1.1 Постановка задачи. Классификация техногенного сырья

Реальностью сегодняшнего дня является накопление различного техногенного сырья, учет природы которого при создании жаростойких композиционных материалов мог бы обеспечить одновременно с утилизацией улучшение эксплуатационных свойств материалов. В связи с этим было сделано предположение о том, что для конструирования ЖКМ и прогноза их свойств техногенное сырье может быть классифицировано по признакам, указанным в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1. Взаимосвязь природы техногенного сырья и свойств ЖКМ

Номер признака Классификационный признак техногенного сырья Прогнозируемые ЖКМ и их свойства

I Температура образования твердого техногенного продукта и присутствие в нем акцепторных катионов Конструкционные ЖКМ и смеси нормального твердения с повышенными значениями прочности, температуры эксплуатации и термостойкости

II Реакция среды pH<7

III Наноразмер частиц ЖКМ разной средней плотности с повышенными прочностью и теплозащитными свойствами

2006/2

Proceedings of Petersburg Transport University

49

Проблематика транспортных систем

1.2 Выбор техногенного сырья

В качестве объектов исследования по всем трем признакам было выбрано техногенное сырье, предполагаемый механизм влияния которого на жаростойкую композиционную смесь (ЖКС) представлен в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2. Выбранное техногенное сырье и предполагаемый механизм влияния

Номер признака и параметры Техногенное сырье Источник образования Предполагаемый механизм действия на ЖКС или ЖКМ

I tобр 800 1800 °С Катионы акцепторы: Mg2+, Ca2+, Al3+, Cr3+, Fe и др. Периклазохромит, ошлакованный шамот, кирпичная крошка, череповецкий шлак, нефелиновый шлам, зола от сжигания осадка сточных вод Бой огнеупоров, керамического кирпича, побочные продукты металлургических производств, осадок при очистке сточных вод Возникновение донорно-акцепторных связей по границам раздела фаз и формирование контактных зон по схеме: Меп+П+ H SiO4-^= Меп+-3 H4SiO4

и Реакция среды рН < 7 Кислые стоки Побочный продукт металлообработки и галь- Сдвиг равновесия

ванических производств а) [SiO4]2- + 4H2O^ • H4SiO4 + 4OH" (2) б) OH-+H+=H2O

III Гидроксиды тяже- Гальваношлам от галь- Комплексный меха-

Размер 1-100 нм лых металлов и ваноработ и осадок от низм, включая схемы

алюминия очистки природных вод

2 Получение конструкционных жаростойких композиционных материалов

2.1 Учет акцепторных свойств катионов техногенного сырья

При разработке конструкционного ЖКМ учитывалась возможность техногенных фаз быть акцепторами (твердыми кислотами), поскольку они содержат фазы с катионами кальция, магния, алюминия и др., обладающими акцепторными свойствами. Эти свойства обусловливают донорно-акцепторное взаимодействие в композиционной смеси, что должно приводить к сдвигу равновесия по схеме (1) из таблицы 2, и это подтверждают данные микрокалориметрических исследований, представленные на рисунке.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/2

50

Проблематика транспортных систем

Тепловыделение вяжущей системы на основе жидкого стекла с периклазохромитовой пылью

Однако общее тепловыделение 1,97 Дж/г недостаточно для обеспечения необходимых сроков схватывания смеси, поэтому для дальнейшей активации процесса твердения в состав была введена отработанная соляная кислота с ионами железа и хрома, что позволило сместить равновесие процесса гидролиза силиката натрия в сторону продуктов реакции (табл. 2, схема (2)).

2.2 Получение тяжелого жаростойкого бетона

На основании данных исследований был предложен состав ЖКМ на жидко-стекольном вяжущем и периклазохромитовом техногенном сырье с температурой применения до 1400 °С и исследованы его свойства (табл. 3).

2006/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем 51

ТАБЛИЦА 3. Физико-механические свойства тяжелого ЖКМ

Массовый состав, % Прочность на сжатие, МПа /% Температура 4%-ной деформации под нагрузкой 0,2 МПа, °С /% Термостойкость, воздушные теплосмены, Т2 /%

Контрольный (на основе шамота и отвердителя -феррохромового шлака) 29,0/100 1100/100 15/100

Жидкое стекло 19,5 Периклазохромитовый порошок 65,5 Периклазохромитовая пыль 9,5 Кислые стоки из ванн травления 5,5 32,0/110 1400/127 20/133

2.3 Получение легкого жаростойкого бетона

Важной проблемой при подборе состава жаростойкого бетона для футеровки обжиговых вагонеток в кирпичном производстве является снижение себестоимости при обеспечении необходимого уровня прочности и термостойкости. Для решения задачи оптимизации состава жаростойкого бетона на ООО «Ломоносовский кирпичный завод» был применен математический метод регрессионного анализа с тремя переменными и условием минимизации содержания жидкостекольного вяжущего. Для увеличения прочности межфазных контактов, термостойкости, подвижности смеси и уменьшения расхода жидкого стекла в состав ЖКМ была введена добавка АЛ-1 на основе осадка очистных сооружений со станции водоподготовки, содержащая коллоидный Al(OH)3. Физико-механические характеристики оптимального состава по сравнению с заводским представлены в таблице 4.

ТАБЛИЦА 4. Физико-механические характеристики жаростойкого бетона

Массовый состав жаростойкого бетона, % Прочность на сжатие, МПа/% Термостойкость, воздушные теплосмены, Т2/% Теплопроводность 1, Вт/(м-К)/%

Заводской Жидкое стекло 26,7 Нефелиновый шлам 4,3 Цемент 14 Заполнитель 55 5,1/100 10/100 0,25/100

Оптимальный Жидкое стекло 24,26 Нефелиновый шлам 22,92 Добавка АЛ-1 2,08 Заполнитель 49,26 7,4/145 30/300 0,19/76

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/2

52

Проблематика транспортных систем

Таким образом, в результате оптимизации состава улучшились прочностные и теплотехнические свойства бетона, а срок службы по термостойкости был увеличен в три раза.

3 Получение жаростойкого композиционного пеноматериала,

кладочных и теплоизоляционных сухих смесей с учетом признаков пригодности техногенного сырья

3.1 Получение жаростойкого пенобетона

Для получения жаростойкого пенобетона, как наиболее перспективного и экономичного композиционного материала с высокими теплозащитными свойствами, было выбрано техногенное сырье в соответствии с I и III признаками (табл. 1). Было установлено, что в качестве пенообразователя для жаростойкого композиционного пеноматериала может быть использован синтетический пенообразователь Centripor SK 120, а для выбора стабилизатора было изучено влияние природы различных техногенных веществ, содержащих наночастицы, на свойства пены. При выборе стабилизатора, кроме размера частиц, учитывалась и природа катиона с учетом того, что наиболее сильные по акцепторным свойствам катионы должны приводить к наилучшей стабилизации пены.

Известно, что наиболее высокими акцепторными свойствами обладает катион алюминия (6,01 эВ), поэтому более устойчивую пену должны давать техногенные продукты именно с этим катионом.

Свойства жаростойкого пенобетона плотностью 700 кг/м , полученного на пене, стабилизированной Al-содержащим техногенным продуктом, показаны в таблице 5.

ТАБЛИЦА 5. Свойства жаростойкого композиционного пенобетона

Стабилизатор Прочность пенобетона, МПа/%

Монтажная, в возрасте 3 суток после сушки

При изгибе При сжатии При изгибе При сжатии

Раствор пенообразователя без стабилизатора (контрольный образец) 0,43/100 1,32/100 1,4/100 3,7/100

Коллоидная добавка А1-1 с жидким стеклом, 1:1 1,4/193 1,48/112 3,9/278 4,0/108

3.2 Сухая жаростойкая композиционная смесь с температурой применения до 1200 °С

С целью снижения теплопроводности и получения многофункциональной жаростойкой сухой теплоизоляционной смеси с использованием предложенных признаков пригодности техногенного сырья были разработаны композиционные составы с повышенной адгезией на основе жидкого стекла для термоизоляции тепловых агрегатов и кладочных работ в печестроении. Физико-

2006/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

53

механические характеристики композиционных смесей представлены в таблице 6.

ТАБЛИЦА 6. Физико-механические характеристики теплоизоляционных и кладочных сухих смесей на жидком стекле

Массовый состав сухих смесей, % Марка по прочности на сжатие (после обжига) Марка по подвижности растворной смеси Теплопро- водность Вт/(м-К) Огнеупор- ность ПК, °С

Череповецкий шлак 55 Нефелиновый шлам 5 Жидкое стекло 25 Кембрийская глина 10 Добавка АЛ-1 5 М100 Пк3 0,15 ПК105

Череповецкий шлак 67 Нефелиновый шлам 13 Жидкое стекло 20 М200 Пк3 0,23 ПК110

Следует отметить, что отходы жаростойкого бетона и смесей можно использовать во вторичных и последующих циклах утилизации путем введения их в жаростойкие составы в виде заполнителей.

Заключение

Определены признаки пригодности техногенного сырья для получения ЖКМ различного назначения и прогноза их основных свойств - повышения те-плозащитности, прочности и температуры эксплуатации. Эти признаки основаны на учете температур образования техногенного вещества и его воздействии на процессы твердения жидкостекольной жаростойкой композиции, на содержании в техногенном сырье наночастиц, влияющих на межфазный контакт, и на смещении ионных равновесий в жаростойкой жидкостекольной композиционной смеси техногенными фазами.

Библиографический список

1. Термодинамические и электронные аспекты свойств композиционных материалов для строительства и экозащиты / Л. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, Л. Л. Масленникова и др. - СПб.: Стройиздат, 2003.

2. Сватовская Л. Б. Инженерная химия. Ч. 1 // СПб.: ПГУПС, 1995.

УДК 625.06.07

В. А. Илюнин

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/2