ЖАРОСТІЙКІ ПІНОБЕТОНИ З ПІДВИЩЕНИМИ ТЕРМОМЕХАНІЧНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну та практичне значення роботи, приведено інформацію щодо структури та обсягу дисертації, публікацій та апробації роботи.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан питання з напрямку теми дисертації, викладено теоретичні передумови досліджень, на основі яких сформульовано наукову гіпотезу роботи. Проаналізовані відомі розробки щодо жаростійких в’яжучих та бетонів. Приведено порівняльну характеристику бетонів на різних видах цементів. Сформульовано теоретичні передумови підвищення термомеханічних властивостей жаростійких цементних в’яжучих та бетонів.

Ніздрюватий бетон є одним з найбільш перспективних теплоізоляційних та  теплоізоляційно-конструкційних матеріалів. Він виготовляється з доступної, недорогої сировини, характеризується достатньо високими фізіко-механічними властивостями, відносно простою та малоенергоємною технологією (Баранов А.Т., Баженов Ю.М., Боженов П.І., Большаков В.І., Вировой В.М., Волженський О.В., Горлов В.П., Горяйнов К.Є., Гоц В.І., Кривенко П.В., Кривицький М.Я., Кудряшов І.Т., Лаповська С.Д., Мєркін А.П., Моргун Л.В., Сажнєв М.П., Сахаров Г.П., Сердюк В.Р., Чернишов Е.М., Чистов Ю.Д., Шахова Л.Д.).

При виробництві жаростійких і вогнетривких бетонів застосовують різні в'яжучі: портландцемент з добавками, глиноземисті цементи, рідкоскляні і фосфатні зв'язки. У порівнянні з щільними бетонами використання рідкоскляних і фосфатних в'яжучих в теплоізоляційно-конструкційних і теплоізоляційних бетонах, особливо ніздрюватих, нераціонально, тому що при цьому витрата затворювача збільшується в 2-3 рази. Це істотно збільшує собівартість футеровок, знижує температуру застосування через значну кількість введених оксидів-плавнів. Застосовувати глиноземисті цементи в футеровках, що працюють при температурах нижче 1200^оС, також економічно недоцільно, тому що значно дешевший портландцемент забезпечує приблизно такі ж властивості бетонів.

Портландцемент без добавок не є жаростійким, тому що утворювані при дегідратації СаО та β-2СаО·SiO₂ руйнують його. Перший за рахунок неминучого утворення гідроксиду кальцію при охолодженні, другий в результаті модифікованого перетворення з β-форми у γ-форму.

Для виготовлення жаростійких бетонів на основі портландцементу, в тому числі ніздрюватих, в якості добавки, що забезпечує жаростійкість портландцементного каменю, рекомендується застосовувати тонкомелений шамот. У шамоті міститься 40-60% кремнеземистого скла (Будніков П.П., Стрєлов К.К.). При температурі 600-800^оС це скло переводить СаО та 2СаО·SiO₂ в стійкий воластоніт - СаО·SiO₂. При цьому в порівнянні з початковою після сушіння при 110^оС бетони зберігають 30-40% міцності.

Зола-виносу - один з основних кремнеземистих компонентів ніздрюватих бетонів, має високу пуцоланову активність (Кривенко П.В., Саницький М.А., Дворкін Л.Й., Волженський А.В., Collepardi M.). Ще більш високою пуцолановою активністю повинен володіти шлак ТЕС, тому що він на відміну від золи є повністю осклованим. Відходи ТЕС від спалювання кам'яного вугілля мають вогнетривкість 1450-1550^оС і рекомендуються для застосування у важких жаростійких бетонах як у якості тонкодисперсної добавки, так і в якості дрібного заповнювача (Нєкрасов К.Д., Тарасова А.П., Дворкін Л.Й., ГОСТ 20955, 20956). Тому в пінобетоні, призначеному для використання при температурі до 1000^оС, замість шамоту раціонально використовувати дешеві золу або шлак ТЕС.

Недоліком бетонів на основі глиноземистого цементу є зниження міцності при температурах вище 30^оС внаслідок перекристалізації основного продукту твердіння - СaO∙Al₂O₃∙10Н₂О в 3СaO∙Al₂O₃∙6Н₂О. Зменшення вмісту Са(ОН)₂ в рідкій фазі каменю цементу при введенні, наприклад золи ТЕС, стабілізує СaO∙Al₂O₃∙10Н₂О, і спаду міцності каменю не відбувається (Kobayashi М.). Аналогічний вплив надає добавка Al(OН)₃ (Кузнєцова Т.В., Talaber I.). Тому можна було припустити, що добавки тонкомелених шамоту і технічного глинозему стабілізують СaO∙Al₂O₃∙10Н₂О, що дозволяє запобігти спаду міцності пінобетону на основі глиноземистого цементу після сушіння. Крім того, аналіз системи СaO-Al₂O₃-SiO₂ показує, що введення шамоту практично не знизить температуру плавлення, а значить і вогнетривкість глиноземистого цементу, добавка ж глинозему повинна її підвищити. Останнє повинно спостерігатися і при використанні глинозему в суміші з високоглиноземистим цементом. Крім того, тонкодисперсні добавки до усіх цементів через обмежену активність будуть зберігати функції наповнювача, що має знизити вогневу усадку бетонів.

Таким чином, основна наукова гіпотеза досліджень наступна: використання добавок дисперсних золошлакових відходів до портландцементу, шамоту та глинозему до глиноземистих цементів стабілізує структуру матриці пінобетонів при твердінні та випалі, підвищить їх міцність, а добавка глинозему - вогнетривкість; дисперсні добавки, а ще більш керамзитовий або перлітовий піски знизять повітряну та вогневу усадки, це підвищить граничну температуру застосування та довговічність жаростійких і вогнетривких пінобетонів.

У другому розділі наведено властивості вихідних матеріалів, викладено методи досліджень.

В якості вихідних компонентів в дослідженнях застосовувалися: портландцемент ПЦ І-500, глиноземистий і високоглиноземний цементи марок 500, зола-виносу з повним проходом через сито 0,08 мм і мелений шлак (Зуївська ТЕС, Донецька обл.), шамот марки ШКН-2 (ТУУ 322-7-00190503-083-97); глинозем технічний марки Г -00 (ГОСТ 6912), піноутворювач ПО-6, керамзит і перліт фракції 0-5 мм з середньою насипною густиною відповідно 400 і 75 кг/м³.

Шамот (ШКН-2), технічний глинозем і шлак ТЕС розмелювали в лабораторному кульовому млині до тонкості помелу, відповідної проходу через сито 0,08 мм 90-95% матеріалів за ДСТУ Б В.2.7–185:2009.

Хімічний склад матеріалів визначався за методиками ДСТУ Б В.2.7–202:2009.

Механічні випробування в'яжучих виконувались на зразках 2х2х2 см, виготовлених з тіста нормальної густоти (ДСТУ Б В.2.7–185:2009), а пінобетонів - на зразках-кубах з ребром 7 см згідно ДСТУ Б В.2.7–215:2009. При виготовленні пінобетонів різної середньої щільності текучість сумішей по Суттарду приймалася відповідно до рекомендацій СН 277-80.

В'яжучі та бетони тверднули за нормальних умов і при пропарюванні за режимом 2,5 +8 +3 години при температурі 90 ± 2°С.

Усадка вивчалась на зразках 4х4х16 см з корундовими реперами. Середня щільність і відкрита пористість визначалися за ДСТУ Б В.2.7–170:2008.

Перед нагріванням вище 110°С зразки висушувались в сушильній шафі до постійної маси при температурі 105-110°С. Нагрівання зразків проводилось зі швидкістю 200 ± 20°С/годину і витримкою при контрольних температурах протягом чотирьох годин.

Оптимізацію багатофакторних моделей проводили відповідно до методів математичного планування та статистичного аналізу.

Диференціальний термічний аналіз виконували на дериватографі Q – 1500 (Угорщина) за методикою А.Г. Берга. Запис інфрачервоних спектрограм здійснювався на спектрофотометрі IR-75 Specord в області 400-4000 см^-1.

Мінералогічний склад композицій досліджувався рентгенофазовим методом на установці УРС-50 ІМ в монохроматичному Cu К_a  випромінювачі.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень фізико-механічних властивостей каменю в'яжучих при твердінні і нагріванні.

Введення золошлакових відходів в межах 20-60% від маси суміші з портландцементом знижує міцність цементного каменю прямо пропорційно кількості добавок (рис. 1). Проте шлак ТЕС проявляє більшу активність по відношенню до цементу. При однаковому вмісті шлаку і золи активність в’яжучих з шлаком на 15-30% вище.

Після прогрівання при 800^оС міцність зразків цементного каменю із золою-виносу і шлаком ТЭС вирівнюється, тобто для жаростійких композицій більш доцільне застосування золи-виносу, оскільки вона не вимагає помелу.