Термомеханические свойства жаростойкого бетона на силикат-натриевом композиционном вяжущем

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

УДК 666.974.6

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖАРОСТОЙКОГО БЕТОНА НА СИЛИКАТ-НАТРИЕВОМ КОМПОЗИЦИОННОМ ВЯЖУЩЕМ

© 2012 г. З.А. Мантуров

Дагестанский государственный Dagestan State

технический университет Technical University

В результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований жаростойкого бетона на силикат-натриевом композиционном вяжущем в интервале температур от 20 до 1400 °С получены диаграммы «напряжения - деформации», прочности на сжатие образцов после сушки и предварительно нагретых до 1350 °С, а также модуля упругости и температуры деформации их под нагрузкой 0,2 МПа.

Ключевые слова: жаростойкий бетон; силикат-натриевое композиционное вяжущее; прочность на сжатие; напряжение; деформация.

As a result of complex theoretical and heat-resistant concrete experimental researches on silicate-sodium composition knitting in the interval temperatures from 20 to 1400 °С diagrammes of «voltage-deformation», compressive strength of samples after drying and preliminary heat to 1350 °С, and also a modulus and temperature of their deformation under load 0,2 МПа are gained.

Keywords: refractory concrete; silicate-sodium composite knitting; durability on compression; pressure; deformation.

Жаростойкие бетоны на основе жидкого стекла по сравнению с бетонами на клинкерных вяжущих долговечны, экономичны и обладают лучшими физико-механическими свойствами [1, 2]. Они находят широкое применение при эксплуатации не только в условиях высоких температур, но и в различных агрессивных средах.

Однако жаростойкие бетоны на жидкостекольных связующих содержат большое количество жидкого стекла, что сопряжено также с достаточно высоким содержанием воды в бетонной смеси и необходимостью введения в шихту значительного количества тонкомолотых добавок-отвердителей и огнеупорных добавок.

В этом плане актуальными являются научные исследования, направленные на разработку новых видов жаростойких бетонов с высокими термомеханическими свойствами на безводных силикат-натриевых композициях [3, 4]. Уже накоплен достаточно большой опыт проектирования жаростойких бетонов на силикат-натриевых композициях с температурой службы 1000 - 1600 °С при использовании в качестве заполнителя различных огнеупорных материалов.

Использование вместо жидкого стекла тонкоиз-мельченной силикат-натриевой композиции с последующим ее твердением при низкотемпературной тепловой обработке (90 - 180 °С) позволяет повысить однородность бетонной смеси, улучшить условия формования, снизить количество воды затворения и содержание щелочного компонента (плавня), что обеспечивает также существенное повышение когези-онной прочности вяжущего.

Кроме того, следует отметить, что жаростойкие бетоны на безводных силикатах натрия отличаются от аналогичных по составу штучных огнеупоров меньшим значением модуля упругости и теплового расширения при температурах службы и, как следствие, большей термостойкостью, меньшей примерно на 20 % теплопроводностью, более высокой прочностью конструкций из них [3, 4].

Поэтому в работе объектом дальнейших исследований для выявления термомеханических свойств нами выбран жаростойкий бетон на карборунд-шамот-силикат-натриевом композиционном вяжущем и дегидратированном заполнителе из местных сланцевых глин.

Цель этих исследований - определить зависимость «напряжение - деформация», прочности на сжатие в нагретом состоянии от температуры исследуемого жаростойкого бетона и провести сравнительный анализ результатов с аналогичными по составу штучными огнеупорами, а также проследить, как влияет структурная нестабильность жаростойкого бетона при первом нагреве на его термомеханические свойства.

Определение термомеханических свойств жаростойкого бетона проводилось на образцах-цилиндрах диаметром 25 мм и высотой 65 мм в научно-исследовательской лаборатории Дагестанского государственного технического университета на установке СТС-1500, предназначенной для испытания огнеупорных материалов при высоких температурах.

Проектирование конструкций тепловых агрегатов из жаростойких бетонов сопровождается определенными трудностями, связанными с необходимостью

разработки точных методов расчета напряженно-деформированного состояния футеровки. Это предусматривает комплексное изучение термомеханических процессов в жаростойком бетоне при различных режимах работы тепловых агрегатов для обоснованного назначения коэффициентов запаса прочности и термической стойкости, а также определения оптимальной формы и размеров блоков [1 - 4].

В связи с этим большой интерес представляет определение прочности жаростойких бетонов в нагретом состоянии при различных температурах. Однако сложность такого испытания до последнего времени заставляла отдавать предпочтение определению температур деформации при постоянной нагрузке (0,2 МПа). В настоящее время разработаны методики и установки для высокотемпературных испытаний огнеупорных материалов, позволяющие в различных средах проводить комплексное изучение напряженно-деформированного состояния с максимальным приближением к условиям эксплуатации [1 - 4].

В результате проведенных нами комплексных исследований построены кривые зависимости «напряжение - деформация» и прочности на сжатие в зависимости от температуры нагрева в интервале от 20 до 1400 °С для образцов шамотного огнеупора, а также исследуемого жаростойкого бетона после сушки и предварительного нагрева до 1350 °С, которые приведены на рисунке.

Кривые зависимости прочности от температуры (рисунок г) свидетельствуют о том, что прочность исследуемого жаростойкого бетона после сушки и предварительно нагретого до 1350 °С возрастает с увеличением температуры испытания вплоть до 800 °С.

Прочность жаростойкого бетона, предварительно нагретого до 1350 °С, больше прочности шамотного огнеупора и необожженного бетона в интервале температур 400 - 800 °С. После 800 °С прочность всех испытуемых образцов уменьшается достаточно резко до 1200 °С и плавно после этой температуры.

35

30

й С

sP с й д

25

20

15

10

Жаростойкий бетон после сушки

800

20 1000

1200

1400 оС 1

0,1 0,2 Деформация, %

я я

N

SP

с й Д

Жаростойкий бетон после обжига

35

30

25

20

15

10

/ 800

J f 1000 '

1 t /

1 / Zj j 1200

\jА "•^1400 оС

1

WT 1

0,1

Деформация, б

0,2

Шамотный огнеупор

25

20

я

115

о

О S X

110 SP

я

д

20

800 1000

1 200оС

0,1

Деформация,

0,2

40

30

I 20

о я

о

SP

д

10

1

2

3

200 400 600

800 1000 1200 1400 Температура, оС

в г

Зависимость напряжений сжатия от деформаций и прочности на сжатие при различных температурах нагрева: 1 - шамотный огнеупор; 2 - жаростойкий бетон после сушки; 3 - жаростойкий бетон после обжига при 1350 °С

5

5

0

0

а

5

0

0

Повышение прочности необожженного бетона с увеличением температуры до 800 °С, как известно [3, 4], объясняется уплотнением геля кремниевой кислоты. Уменьшение же прочности жаростойкого бетона как после сушки, так и после предварительного нагрева до 1350 °С при температурах выше 800 °С (рисунок г) объясняется увеличением содержания жидкой фазы в бетоне. А замедление скорости падения прочности при температурах выше 1200 °С связано с кристаллизацией кристобалита и соответствующим уменьшением жидкой фазы.

В исследуемом жаростойком бетоне в составе силиката натрия содержится щелочной компонент №20, который, как известно [3, 4], тормозит кристаллизацию кристобалита вплоть до температуры 1200 °С. Поэтому прочность бетона довольно интенсивно уменьшается до 1200 °С, а далее это уменьшение идет медленнее вследствие кристаллизации кристобалита.

Прочность предварительно обожженного жаростойкого бетона в интервале температур 20 - 800 °С несколько возрастает, затем падает более резко, чем у обжигового огнеупора (рисунок г), а при 1350 °С она близка к значению прочности обжигового огнеупора и существенно превышает прочность жаростойкого бетона после сушки. Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что при первом нагреве до высоких температур в исследуемом бетоне (предварительно необожженном) происходит уменьшение содержания стеклофазы за счет перехода части аморфного кремнезема в тридимит и кристобалит. Этим можно объяснить более высокую прочность предварительно обожженного бетона, испытанного при температуре 20 °С по сравнению с бетоном после сушки без предварительного обжига.

По результатам исследований термомеханических свойств жаростойкого бетона нами определялись также значения статического модуля упругости. Модуль упругости определялся по программе «нагруже-ние - разгружение» при ступенчатом изотермическом нагреве одного и того же образца [3, 4]. При 1200 °С модуль упругости огнеупора оказался меньше, чем у предварительно нагретого бетона, который в свою очередь меньше, чем у необожженного бетона.

Модуль упругости предварительно нагретого жаростойкого бетона по сравнению со значениями этого показателя для огнеупора не менялся вплоть до 800 °С, а для необожженного бетона наблюдалось некоторое его увеличение. При первом нагреве изменение модуля упругости возможно из-за протекания химических реакций в бетоне, а при повторном это изменение объясняется различием степени кристаллизации стек-лофазы и вида модификаций.

Следует отметить, что термомеханическим показателем, который остается до сегодняшнего дня одним

из основных критериев для определения максимальной температуры применения, как огнеупоров, так и жаростойких бетонов (класс бетона), является деформация под нагрузкой при высоких температурах. Поскольку большинство огнеупорных материалов в конструкциях тепловых агрегатов работают под нагрузкой, не превышающей 0,2 МПа, для образцов жаростойкого бетона при испытаниях нами принималась такая нагрузка.

Известно, что у шамотных огнеупорных материалов при повышении температуры непрерывно увеличивается количество жидкой фазы и ее вязкость вследствие растворения в ней кремнезема и глинозема. Поэтому температурный интервал их деформации значительно выше 200 °С и имеет плавный характер. Образцы в большинстве случаев не разрушаются и приобретают бочковидную форму.

Существенное влияние на температуру деформации под нагрузкой 0,2 МПа образцов из исследуемого жаростойкого бетона оказывает количество вяжущего в бетоне. С увеличением содержания вяжущего более 30 % снижается как температура начала деформации, так и температурный интервал деформации [3, 4]. Последнее свидетельствует о том, что с ростом количества вяжущего растет в бетоне и содержание компонента с невысокой температурой плавления, которое приводит к увеличению количества жидкой фазы по границам зерен и способствует разрушению образца. А жаростойкий бетон, содержащий менее 20 % вяжущего, характеризовался несовершенством структуры и пониженной прочностью.

Таким образом, в результате проведенных нами комплексных теоретических и экспериментальных исследований выявлена высокая эффективность по термомеханическим показателям исследуемого жаростойкого бетона на безводных силикатах натрия по сравнению с аналогичными по составу штучными огнеупорами.

Следует также отметить, что исследуемый в данной работе жаростойкий бетон прошел опытно-промышленную проверку при футеровке экспериментального участка вращающейся печи для обжига керамзита. При этом выявлена эксплуатационная стойкость изделий из этого бетона.

Литература

1. Тарасова А.П. Жаростойкие вяжущие на жидком стекле и бетоны на их основе. М., 1982. 133 с.

2. Новое в технологии жаростойких бетонов / под ред. К.Д. Некрасова. М., 1981. 110 с.

3. Жаростойкий бетон на основе композиций из природных и техногенных стекол / Ю.П. Горлов, А.П. Меркин, М.И. Зейфман, Б.Д. Тотурбиев. М., 1986. 144 с.

4. Тотурбиев Б.Д. Строительные материалы на основе силикат-натриевых композиций. М., 1988. 208 с.

Поступила в редакцию 17 апреля 2012 г.

Мантуров Загир Абдулнасирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Материаловедение и технология конструкционных материалов», Дагестанский государственный технический университет. E-mail: Zagir9@mail.ru Manturov Zagir Abdulnasirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «materials technology and technology of constructional materials», Dagestan State Technical University. E-mail: Zagir9@mail.ru_