автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Износо-термостойкие композиционные материалы на основе щелочных алюмосиликатных вяжущих

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

РГ6 ОД

2 Н (}’:'[ 2Є-23

Гончар Вадим Петрович

УДК 666.96; 666.97

ЗНОСО-ТЕРМОСТІЙКІ КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ НА ОСНОВІ ЛУЖНИХ АЛЮМОСИЛІКАТНИХ В’ЯЖУЧИХ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному науково-дослідному інституті в’яжучих речовин і матеріалів Київського національного університету будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук

Пушкарьова Катерина Костянтинівна,

Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри будівельних матеріалів Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Саницький Мирослав Андрійович,

Державний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри хімічної технології силікатів

- кандидат технічних наук, доцент Дорошенко Юрій Михайлович,

Український транспортний університет,

доцент кафедри дорожньо-будівельних матеріалів та

хімії

Провідна установа - Одеська державна академія будівництва та архітектури, кафедра виробництва будівельних конструкцій, Міністерство освіти і науки України, м. Одеса Захист відбудеться “£7” “ ” 2000р. о /3 год. на засіданні спеціалі-

зованої вченої ради Д 26.056.05 "Підвалини та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби" Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ- 37, Повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ - 37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий “Л.” Щ>мл 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н.

Бродко О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність теми: Аналіз тенденцій розвитку сучасного прикладного матеріалознавства свідчить про збільшення попиту на матеріали поліфункціо-нального призначення, які відрізняються термостійкістю та зносостійкістю, а також характеризуються стабільністю властивостей у широкому інтервалі температур використання. Застосування таких матеріалів для футерування обертових печей, сушильних камер, теплообмінників - тобто, теплових агрегатів, експлуатація яких пов’язана з одночасним впливом змінних температур та абразивної дії матеріалу, що випалюється, - дозволить суттєво підвищити їх продуктивність та ефективність використання, а також буде сприяти збільшенню терміну експлуатації.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до держбюджетної теми міносвіти України 2ДБ-97 "Розробити наукові основи направленого синтезу зносо- та термостійких властивостей у лужних алюмосилікатних системах". У 1997-1999 рр. за наведеною темою здобувай виконував обов’язки відповідального виконавця.

Мета і задачі дослідження. Встановити закономірності формування в лужних алюмосилікатних в’яжучих цеолітоподібних новоутворень з високою термостабільністю (гідросодаліту, морденіту, цеоліту №У), і одержати на їх основі при використанні абразивних наповнювачів та заповнювачів композиційні матеріали, що відрізняються підвищеною зносо- і термостійкістю.

Для досягнення поставленої мети було поставлено такі задачі:

- встановити принципову можливість синтезу лужних алюмосилікатних в’яжучих речовин, придатних для одержання зносо- термостійких матеріалів;

- вивчити закономірності направленого синтезу в системі ШгО-АЬОгБЮг-Н20 цеолітоподібних новоутворень, що характеризуються високою термостабільністю і міцністю в широкому діапазоні температур;

- розробити й оптимізувати склади композиційних матеріалів на основі лужних алюмосилікатних в’яжучих, що відрізняються підвищеною міцністю, жаро- термостійкістю і зносостійкістю;

- дослідити фізико-механічні і спеціальні властивості розроблених матеріалів;

- провести практичне випробування розроблених складів зносо- термостійких матеріалів у промислових умовах і визначити їхню техніко-економічну ефективність.

Об’єктом досліджень е композиційні матеріали на основі лужних алюмосилікатних в’яжучих.

Предмет досліджень — процеси формування штучного каменю з наперед заданими властивостями (зносостійкістю та термостійкістю).

Методи досліджень. Експериментальні дослідження виконано із застосуванням сучасних методів фїзико-хімічного аналізу: диференційно-термічного, рентгенофазового та рентгенометричного локального електроннозондового аналізу, а також електронної мікроскопії. Також використано методики визначення міцносних характеристик штучного каменю, жаростійкості, зносостійкості (стираності) та термостійкості бетону, мікротвердості гідратних новоутворень та структурних елементів контактної зони “в’яжуче - заповнювач”. Розрахунки та оптимізація складів реакційних сумішей проводили за допомогою двофакторного трохрівневого математичного плану експерименту та трифакто-рного плану експерименту неповного третього порядку.

Наукова новизка одержаних результатів:

- • теоретично обгрунтовано та практично підтверджено можливість одержання

в системі КаїО-АЬОз-ЗіОг-НгО композиційних матеріалів поліфункціональ-ного призначення з підвищеними зносо- та термостійкістю за рахунок направленого синтезу в складі продуктів гідратації цеолітоподібних новоутворень типу гідросодаліту, морденіту, цеоліту ЫаУ, які характеризуються підвищеною термостабільністю в інтервалі температур 75-800°С;

— встановлено поля кристалізації та умови синтезу термостабільних цеолітів (гідросодаліту, морденіту, цеоліту ЫаУ) та досліджено процеси їх перекристалізації у діапазоні температур 75-165°С;

— теоретично обгрунтовано і експериментально підтверджено доцільність використання карбіду кремнію як модифікуючої добавки в лужних алюмосилікатних в’яжучих, що дозволяє підвищити стабільність мікроструктури штучного каменю в інтервалі температур 75-800°С за рахунок збільшення відношення оксидів БЮ/А^Оз в складі цеолітоподібних новоутворень, що синтезуються;

з

- розроблено основні принципи композиційної побудови лужних бетонів спеціального призначення, які покладено в основу отримання зносо- та термостійких матеріалів, для яких притаманна стабільність міцносних характеристик в інтервалі температур 75-800°С.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено основи отримання зносо- та термостійких матеріалів на основі лужних в’яжучих систем, модифікованих карбідом кремнію;

- встановлено технологічні параметри синтезу термостабільних цеолітів та закономірності отримання на їх основі матеріалів зі стабільними термомеханічними характеристиками;

- запропоновано склади та вивчено властивості лужних алюмосилікатних в'яжучих та бетонів з підвищеними зносо- та термостійкістю на їх основі.

Композиційні матеріали з підвищеними зносо- та термостійкістю використані в промислових умовах при виготовленні в’яжучого для виробництва абразивного інструменту на Запорізькому абразивному комбінаті та при проведенні футерувальних робіт при ремонті обертової печі для випалу каоліну в асоціації "Реконфісс", м. Київ. Використання таких матеріалів дозволяє у 1,5-2 рази підвищити строк служби футеровки в теплових агрегатах, що зменшує час їх простою на ремонті та обсяги капіталовкладень на ремонт. Економічний ефект від впровадження їм5 бетону на основі розробленого в’яжучого становить 1002,6 гривень.

Особистий внесок здобувача полягає в виконанні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів та впровадженні результатів роботи у виробництво. Особистий внесок здобувача в наукові праці:

1. Пушкарьова К.К., Гончар В.П. Поліпшення термомеханічних характеристик жаростійких композитів на основі лужних алюмосилікатних в’яжучих //Будівництво України.- 1998.- №6.- С. 28-31.

Досліджено термомеханічні характеристики жаростійких композитів на основі лужних алюмосилікатних в’яжучих. Встановлено доцільність введення до складу в’яжучого тонкомеленого карбіду кремнію як модифікуючої добавки, що підвищує міцність та залишкову міцність композиту.

2. Пушкарьова К.К., Гончар В.П. Моделювання процесів синтезу цеоліто-подібних новоутворень у лужних алюмосилікатних в’яжучих //Вісник Донбась

} -

кої державної академії будівництва і архітектури.- Макіївка: видавництво Донбаської державної академії будівництва і архітектури.- 2000,- №2(22).- С. 184189.

З використанням математичних методів планування експерименту оптмі-зовано склади реакційних сумішей для виготовлення лужних алюмосилікатних в’яжучих та з допомогою фізико-хімічних методів аналізу досліджено фазовий склад продуктів гідратації штучного каменю.

3. Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Исследование влияния состава щелочных алюмосиликатных связок на фазовый состав продуктов твердения //Науковий вісник будівництва.- Харків: видавничий дім “Ватерпас”.- 2000.- №9.- С. 268276.

Встановлено закономірності синтезу в лужних алюмосилікатних в’яжучих цеолітоподібних новоутворень. Досліджено вплив співвідношення основних структуроутворюючих оксидів та умов тверднення на фазовий склад продуктів гідратації.

4. Пушкарьова К.К., Гончар В.П. Особливості процесів структуроутворення та фізико-механічних властивостей лужних алюмосилікатних композицій, модифікованих карбідом кремнію //Будівництво України,- 2000.- №2.- С. 30-32.

Визначено вплив вмісту оксиду кремнію у складі лужного алюмосилікатного в’яжучого та кількості модифікуючої добавки карбіду кремнію на міцність штучного каменю після термічної обробки в інтервалі температур 75-800°С.

5. Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Моделирование процессов синтеза жаро-и термостойких композиций в системе МагО-АЬОз-БЮг-НгО //Материалы 37 междунар. семинара по моделированию и оптимизации композитов “Моделирование в материаловедении”, МОК’ 37.- Одесса: Астропринт.- 1998.- С. 40-41.

Встановлено можливість використання лужних алюмосилікатних в’яжучих для виготовлення абразивних інструментів. Досліджено властивості розроблених матеріалів.

6. Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Применение математических методов планирования эксперимента для оптимизации микроструктуры щелочных алюмосиликатных вяжущих повышенной износо- и термостойкости //Материалы 38 междунар. семинара по моделированию и оптимизации композитов “Оптимизация в материаловедении”, МОК’ 38.- Одесса: Астропринт.- 1999,- С. 84-86.

З використанням методів математичного планування експерименту розроблено склади лужних алюмосилікатних в’яжучих і досліджено фазовий склад продуктів гідратації та характеристики міцності отриманих матеріалів.

7. Gonchar V.P. The studies on thermo-mechanical characteristics of the alkaline aluminosilicate binders modified by a silicon carbide //Proceed, of the Second Internation. Conf. "Alkaline Cement and Concretes". - Kyiv: ORANTA Ltd. -1999.-P 303-312. •

Визначено вплив фазового складу продуктів тверднення лужного алюмосилікатного в’яжучого на міцносні та термомеханічні характеристики отриманого штучного каменю.

8. Пушкарьова К.К., Гончар В.П. Оптимізація складу зносо- термостійких композицій на основі лужних алюмосилікатних в’яжучих. //Материалы 39 меж-дунар. семинара по моделированию и оптимизации композитов “Рациональный эксперимент в материаловедении”, МОК’ 39, Одесса: Астропринт.- 2000.- С. 70-71.

Розроблено склад та досліджено властивості зносо-термостійкого композиційного матеріалу, в якому як в’яжуче використовується лужне алюмосилікатне в’яжуче, модифіковане карбідом кремнію, а як заповнювач - корунд.

9. Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Получение абразивных инструментов при минимальных энергозатратах //36. допов. третьої наук.-практ. конф. “Енергозбереження в будинках і спорудах”.- Київ: Видавництво Київ- ЗНДІЕП,- 2000.-С. 73-74.

Встановлена можливість та доведена доцільність заміни керамічного зв’язуючого на лужне алюмосилікатне в’яжуче у виробництві абразивних матеріалів.

10. Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Применение геоцементов для производства абразивных инструментов //Материалы 15-й Междунар. науч.-техн. конф. «Прогрессивные технологии в машиностроении».- Одесса - Киев: ATM Украины,- 2000.- С. 203-204.

Досліджено міцносні та експлуатаційні властивості абразивного інструменту, виготовленого за технологією напівсухого пресування з використанням лужного алюмосилікатного в’яжучого.

Апробація результатів дисертації- Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на 57, 58 та 59 науково- практичних конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів і студентів

КНУБА (1997-1999 pp.), 37, 38 та 39 міжнародних семінарах з проблем моделювання та оптимізації композитів (Одеса, ОДАБА, 1998-2000рр.), II Міжнародній конференції “Лужні цементи і бетони” (Київ, ДНДІВМ, 1999р.) 15-й Міжнародній науково-технічній конференції «Прогресивні технології в машинобудуванні» (Одеса, 2000р.), третій науково-практичній конференції “Енергозбереження в будинках і спорудах” (Київ, 2000р.).

Публікації: за темою дисертації опубліковано 10 друкованих робіт, у тому числі 4 публікації - в наукових фахових виданнях, 6 - на міжнародних конференціях та семінарах.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 116 сторінках основної частини, яка складається із вступу, п’яти розділів та висновків і містить 27 таблиць та 31 рисунок. Повний обсяг дисертації становить 134 сторінки і включає, поряд з основною частиною, перелік використаних джерел з 117 найменувань та 3 додатки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність та доцільність роботи, сформульована мета досліджень, наукова новизна, практична значимість та основні задачі, які розв’язані в роботі.

У першому розділі наведено огляд стану проблеми та визначено теоретичні передумови досліджень.

• Сучасний рівень розвитку технологій, пов’язаних з високотемпературними процесами, вимагає розробки жаростійких бетонів, які поєднують високу термостійкість, зносостійкість та міцність в широкому інтервалі температур.

Аналіз теорій термостійкості, (А. Вінкельман, О. Шотт, У. Кінгері, О.П.Х. Хассельман), їх застосування при отриманні жаростійких бетонів (К.Д. Некрасов, К.К. Стрєлов); а також теоретичних розробок в області механіки руйнування композиційних матеріалів (П.Г. Комохов, B.C. Дорофеєв, Т. Фудзії, М. Дза-ко); поліструктурної теорії композиційних будівельних матеріалів (В.М. Вировий, В.П. Соломатов) та даних про взаємозв’язок властивостей цементного каменю з властивостями композиту в цілому (І. М. Грушко, Л.Г. Шпинова) показує, що висунутим вимогам задовольняють композиційні матеріали, структурні елементи яких відповідають нижченаведеним вимогам. Як наповнювач та заповнювач бажано використовувати кристалічні речовини, що характеризуються високими показниками твердості, міцності та термостійкості, а матриця повинна відрізнятися стабільністю міцносних характеристик у широкому інтервалі температур. Цього можна досягти у випадку використання лужних алюмосилі-

катних зв’язуючих, розроблених під керівництвом В.Д. Глуховського, за умов направленого синтезу в складі продуктів тверднення новоутворень заданого складу.

Аналіз теоретичних основ синтезу зносо- та термостійких композицій, інформації в галузі одержання спеціальних матеріалів на основі лужних алюмосилікатних в’яжучих, а також даних про направлене утворення в’яжучих алюмосилікатного складу з високими значеннями міцносних характеристик у широкому діапазоні температур, дозволяє висунути гіпотезу про можливість одержання на основі лужних алюмосилікатних в’яжучих композиційних матеріалів підвищеної зносо- та термостійкості за рахунок регулювання властивостей композиту на всіх ієрархічних рівнях структури. При цьому на мікрорівні регулювання відбувається шляхом формування високоміцної матриці, що включає термостабільні цеолітоподібні новоутворення, а на мезо- і макрорівні - за рахунок формування міцної контактної зони «в’яжуче - заповнювач» при виконанні умови подібності значень коефіцієнта лінійного термічного розширення (а) або добутку модуля пружності (Е) і коефіцієнта лінійного термічного розширення (Е а) матриці, наповнювача і заповнювача.

У другому розділі наведено характеристики сировинних матеріалів, необхідних для виготовлення лужного алюмосилікатного в’яжучого (ЛАСВ) (ТУ У.В.2.7 - 16403272.001-97) та зносо-термостійких композиційних матеріалів.

Як лужний компонент використовували силікат натрію розчинний (ГОСТ 13078) із силікатним модулем Мс= 2.8, густиною р=1400 кг/м5 Київського склотарного заводу і натр їдкий технічний (ГОСТ 2263). Алюмосилікатний компонент представлений метакаоліном, отриманим дегідратацією при 800°С каоліну Просянівського родовища Дніпропетровської області, а тонкомелений наповнювач - карбідом кремнію фракції 35-40мкм (ГОСТ 26327-84).

Для встановлення особливостей фізико-хімічних процесів гідратації і дегідратації лужних алюмосилікатних в’яжучих і вивчення фазового складу новоутворень були проведені дослідження з використанням рентгенофазового, ди-ференційно-термічного аналізів і електронної мікроскопії.

Дослідження контактної зони “лужне алюмосилікатне в’яжуче - заповнювач (БіС, АЬОз)” і розподілу хімічних елементів у контактній зоні виконано за

допомогою методу рентгенометричного локального електроннозондового мік-3-3663 '

роаналізу на рентгенівському мікроаналізаторі РЕММА-101А. Мікротвердість новоутворень контактної зони досліджена на мікротвердомірі ПМТ-3.

Для встановлення фізико-механічних та термомеханічних характеристик композицій, що вивчаються, були виготовлені зразки-куби розміром 7x7x7см (методом віброформування згідно з ГОСТ 310. 1-85). Жаростійкість оцінювали за величиною залишкової міцності при стиску зразків після випалу при температурах 200, 400, 600 і 800°С. Термостійкість отриманих композиційних матеріалів визначали за ГОСТ 20910-82. Зносостійкість композиційних матеріалів оцінювали за величиною стираності, яку визначали на приладі ЛКИ-2 за ГОСТ 13087-80.

У третьому розділі встановлено закономірності направленого синтезу у системі №20-А120з-8Ю2-Н20 цеолітоподібних новоутворень, що мають високу термостабільність і міцність у широкому діапазоні температур. Враховуючи відомі дані при існуючий взаємозв’язок властивостей композиційних матеріалів, показник стабільності міцносних характеристик після випалу при різних температурах був прийнятий як критерій, що дозволяє прогнозувати зносо- і термостійкість отриманого каменю, оскільки зносостійкість прямо пропорційна міцності при стиску, а термостійкість обернено пропорційна величині знеміцню-вання матеріалу після випалу при робочій температурі (800°С).

■ 3 метою встановлення закономірностей направленого синтезу термоста-

більних цеолітоподібних новоутворень було досліджено в’яжучі складу (0,6-2,7)№20'АІ20з-(2,4-6,5)ЗІ02-(8,9-1 8,2)Н20, співвідношення основних оксидів в яких вибрано враховуючи відомі дані про умови синтезу цеолітів та особливості процесів гідратації лужних в’яжучих систем. Досліджені системи відрізняються таким вмістом основних структуроутворюючих оксидів у сухому залишку: Иа20 - 10-30%; А1203 - 20-40%, Бі02 - 50-70%.

Для встановлення особливостей фазового складу новоутворень за різних умов твердіння, зразки штучного каменю на основі досліджуваних в’яжучих були пропарені та проавтоклавовані, після чого за допомогою рентгенофазового і диференційно-термічного аналізів визначено фазовий склад продуктів гідратації.

Відповідно до отриманих результатів, можна констатувати, що найбільшу роль в формуванні тих чи інших новоутворень відіграє вміст у реакційній су-

міші оксиду алюмінію. За вмістом А120з досліджувані в’яжучі композиції можна розділити на декілька груп:

-реакційні суміші складу 2.7№20-А120з-3,55і0г 13,7Н20, 0.9Ма2О-А12Оу 6,58і02-16Н20 та 1.8Ма20А120з-5,68і02-18,2Н20, шо містять 20% АІ20з у сухому залишку. Основним мінералом, що утворюється при пропарюванні й авто-клавуванні досліджуваних реакційних сумішей, є анальцим.

-реакційні суміші складу 1,2№20 А120з-3,48Ю213,6Н20, 0.6Ка2О-А12Оу 3,68Ю2'8,9Н20 та 1,Ша2ОАІ20з4,38і02-10,8Н20 із вмістом (25-35%) А1203. У їхньому складі після пропарювання кристалізуються цеоліти ИаУ, Я - синтетичний аналог шабазиту, і Р - аналог жисмондину.

-реакційну суміш складу 0.45Ка20 А120з-2,48І02'10Н20, що містить 40% АЬОз, слід занести до окремої групи, тому що у зв'язку з її низькою реакційною здатністю хімічна взаємодія між компонентами суміші не завершується навіть при автоклавуванні.

Аналіз наведених даних дозволяє встановити, що при автоклавуванні зразків синтезуються новоутворення, представлені більш досконалими кристалами. При цьому у складі новоутворень на основі реакційних сумішей 1,2№20 А120з-3,48і0213,6Н20, 0.6№2ОА12О3-3,65іО2-8,9Н2О та 1,Ша20 А1203-4,ЗЙЮ2-10,8Н20 спостерігається часткова перекристалізація цеоліту ІЧаУ у цеоліти Р і Я.

Таким чином, з точки зору одержання лужних алюмосилікатних в’яжучих із високими міцністю та стабільністю міцності в широкому інтервалі температур, є цікавою область, що обмежена таким співвідношенням оксидів: №20 -(10-25)%; АІ2Оз - (25-35)%; 8І02 - (50-70)%: [(0,6-1,2)№2ОА12Оз-(3,4-4,3)8іО2-(8,9-13,6)Н20]. Склад новоутворень, що синтезуються у цій області після пропарювання представлений цеолітом який при автоклавуванні частково пе-рекристалізовується в цеоліти Р і Я. У даній області найбільшою міцністю відрізняється штучний камінь, отриманий на основі в’яжучих, вміст основних оксидів у яких змінюється у межах: №20 - (10-15)%; А1203 - (25-30)%; 8і02 - (60-65)%. .

Для встановлення кореляції між фазовим складом новоутворень і міцнос-ними і термомеханічними властивостями штучного каменю, а також із метою вибору складу, що- відрізняється максимальною залишковою міцністю і високою стабільністю міцносних характеристик в інтервалі температур 75-800°С,

було досліджено в’яжучі, склад яких розраховано, виходячи з вищевказаного оптимального вмісту основних оксидів, згідно з планом трифакторного експерименту неповного третього порядку типу "склад - властивість". Дані щодо залишкової міцності штучного каменю на основі досліджуваних в’яжучих після випалу при різних температурах представлені на рис. 1.

Аналіз отриманих даних свідчить, що найменші коливання залишкової міцності (з максимумом при 450-500°С) характерні для системи, що відрізняється відношенням оксидів ШгО/АЬОз = 0,8 і Н2О/АІ2О3 = 8,7, при відношенні оксидів ЗіОг/АІгОз = 3,0, (рис.1, кр.4); при цьому коливання міцності щодо середнього значення не перевищують 10%. Дана інформація дозволяє виділити в’яжуче на основі реакційної суміші складу 0,8Ка20-АІ20з-3,08і02-8,7Н20, як найбільш перспективне для одержання зносо- термостійких композиційних матеріалів.

Враховуючи кристаллохімічну подібність карбіду кремнію і термостабільних цеолітів, що синтезуються у даній в’яжучій системі, а також відомі дані про позитивний вплив цієї добавки на підвищення міцності штучного каменю, було доцільним використати карбід кремнію для модифікації властивостей лужного алюмосилікатного в’яжучого. З цією метою були виготовлені зразки на основі в’яжучого оптимального складу з добавкою 20, ЗО і 40% карбіду кремнію, і визначено залишкову міцність отриманого штучного каменю після випалу при температурах 200,400, 600 і 800°С.

Аналіз наведених результатів дозволяє відмітити, що оптимальним, з точки зору одержання матеріалу, що характеризується високою міцністю та стабільністю міцносних характеристик у досліджуваному інтервалі температур, є в’яжуче, модифіковане 25-30% добавки карбіду кремнію.

Четвертий розділ присвячений розробці та оптимізації складів зносо-термостійких композиційних матеріалів на основі досліджуваного в’яжучого і вивченню властивостей отриманих матеріалів.

На основі в’яжучого оптимального складу відповідно до плану двофакто-рного трьохрівневого експерименту було розроблено склади дрібнозернистих жаростійких бетонів, в яких як наповнювач був використаний тонкомелений карбід кремнію, а як заповнювач - корунд, мулітокорунд або шамот фракції

180 £160 §140

5 ЮО

сз 03

СО

80

60

40

20

V

* * Г *

•*. \м . х.

Ч: у •"-*Г ї

V--/

2,5

75 200 400 600 800

Температура випалювання, оС

Рис. 1 - Зміна залишкової міцності ііпучно-го каменю в залежності від температури випалювання в’яжучих композицій складів:

1 -1 ,4№2ОА1 АЗЗБіОг- і 6,9Н20;

2 - 0.4№АА1 А-3,6Я0г5,9НА

3 - 0,7КаАА1А-4,5ВіОг10,9Н20;

4-0,8МаАА1А-3,05Ю2-8,7НА

5- 1ШаАА12Оз4Д8і02-10,1Н20;

6 - 0.5№АА1 А-3,48Ю2-8,1НА

7 - 0,7№2ОАЬО33,55іО2-7,9Н2О

0,63 - 2,5 мм. Вміст добавки 8іС у в’яжучому прийнятий з урахуванням результатів раніше проведених досліджень і становить (20-40)%; кількість заповнювача - (40-60)% вибрано виходячи з вимог рухливості бетонної суміші.

На підставі отриманих даних щодо міцності після сушки і залишкової міцності після випалу при 800°С розраховано рівняння регресії і побудовано ізо-параметричні діаграми зміни міцності при стиску і залишкової міцності бетону в залежності від його складу (рис. 2).

Виходячи з аналізу отриманих результатів, можна зазначити, що бетони, які містять як заповнювач корунд, відрізняються підвищеною міцністю при стиску (до 68,5МПа), але недостатньо високою залишковою міцністю (45-47%).

Для бетонів на основі мулітокорундового заповнювача характерна більш висока залишкова міцність (до 99%) при дещо більш низькій міцності після сушки (до 67МПа). Найвищою залишковою міцністю (до 187%) відрізняються жаростійкі бетони, що містять шамотний заповнювач.

Особливості контактної зони були вивчені в системах “лужне алюмосилікатне в’яжуче - 8іС” та “модифіковане лужне алюмосилікатне в’яжуче -корундовий або шамотний заповнювач”. Електронні мікрофотографії досліджуваних структурних елементів, а також криві розподілу хімічних елементів натрію, алюмінію і кремнію подані на рисунку 3.

Аналіз кривих розподілу основних елементів за профілем зразка дозволяє стверджувати, що взаємодія поверхні заповнювача з лужною алюмосилікатною матрицею призводить до виникнення контактної зони шириною 36-48мкм.

Кількість наповнювача (5іС) у складі в'яжучого, %

Рис. 2 Зміна міцності при списку, МПа (а), і залишкової міцності після випалу при 800°С, % (б) композиційних матеріалів на основі в’яжучого складу О,8№і0-А120г3,08і02' 8,7Н20. Заповнювач- корунд(І), мулітокорунд (2), шамот (3).

В контактній зоні синтезуються фази, що відрізняються від новоутворень матриці. Плавна зміна вмісту оксидів кремнію, алюмінію і натрію забезпечує створення міцного контакту між зерном заповнювача та матрицею.

Аналіз мікротвердості контактної зони показує, що мікротвердість матеріалу на відстані 25-30 мкм від умовної границі зерна поступово знижується від 9000-9500 МПа (зерно заповнювача) до 500-700МПа (матриця). Модифікація в’яжучого 20% карбіду кремнію сприяє підвищенню мікротвердості матриці до значень 1500-1700МПа, а введення 40% наповнювача - до 3500-4000МПа.

без заповнювача

щі

з заповнювачем - корундом з заповнювачем - шамотом ,/•/ ^ >-'*•#' Г. ^ . .

- ', “

. ■ і /ІЦ/ ч,

'\1>- И і «л*

[0ШІ

.

'Л.і&щ

»*.< VI

— РР

-Р ~и

X- ]ри

-Рі

м лі

-А Ч Л

р

200 400 600 800 0 200 400 600 800

Ширина контактної зони, мкм

Рис. З Мікрофотографія поверхні відколу комншиїїійних матеріалів на основі в’яжучого

складу 0,8На20-А12Оз-3,08і02-8,7Н20, модифікованого добавкою 5іС, з різкими заповнювачами (1) та розподіл елементів за профілем зразка (2). (х 285).

На підставі результатів оптимізації на основі в’яжучого складу

0,8Ма2О АІ20гЗ,05і02'8,7Н20, модифікованого добавкою 5іС, було виготовлено жаростійкі бетони, склади та властивості яких подані в таблиці 1.

Аналіз властивостей розроблених складів бетонів дозволяє зробити висновок про перспективність їх використання в промисловості, причому в агрегатах, футеровка яких зазнає значного абразивного впливу, доцільно застосування важкого зносостійкого бетону з корундовим заповнювачем, що відрізняється низькою стираністю; а у випадку, що коли визначальною вимогою до властивостей бетону, що застосовується, є висока термостійкість, доцільно використовувати бетон, отриманий на основі шамоту, тому що останній відрізняється найбільш високими міцносними та термомеханічними характеристиками.

Таблиця 1

Термомеханічні й експлуатаційні характеристики розроблених бетонів

Характеристика складу бетону 1 Границя міцності при стиску, МПа, після випалювання при температурі Середня густина, кг/м3, після випалювання при температурі ”8 и . д н о *в РЗ си X н о Термостійкість, тепло-

Заповнювач ' 1 Кількість заповнювача, % 1 Наповнювач Кількість наповнювача, % Кількість в’яжучого, %

75°С 800°С 75 С 800°С

корунд 60 карбід кремнію іб 24 68,7 32,3 2530 2310 0,25-0,27 25

мулітокорунд 60 карбід кремнію 14 26 60,1 52,3 2330 2040 0,35-0,38 50-60

шамот 60 карбід кремнію 15 25 55,7 115,3 2090 1960 0,41-0,44 75-80

склади порівняння - бетони на рідкому склі

корунд 73 шамот 18 9 44,3 21,1 2700 2570 0,26 18

мулітокорунд 72 шамот 18 10 51,3 40,4 2450 2340 0,41 32

шамот 68 шамот 17 15 48,0 37,4 1910 1830 0,47 40

Порівняння розроблених складів композиційних матеріалів з існуючими аналогами - бетонами на основі відповідних заповнювачів показує, що розроблені бетони на 15-50% більш міцні; на 40-90% більш термостійкі і на 10-15% більш зносостійкі, ніж існуючі жаростійкі бетони.

У п’ятому розділі представлені результати дослідно-промислового впровадження розроблених зносо- термостійких композиційних матеріалів, які були використані при проведенні футерувальних робіт на обертовій печі для випалювання каоліну в асоціації “Реконфісс”, м. Київ. Економічний ефект від впровадження їм3 бетону на основі розробленого в’яжучого замість шамотної цегли становить 1002,6 гривень.

ВИСНОВКИ

1. Вперше встановлено принципову можливість використання лужних алюмосилікатних в’яжучих визначеного складу для одержання зносо- термостійких матеріалів.

2. Вивчено вплив співвідношення оксидів у реакційній суміші на склад гідратних фаз, що формуються. Показано, що збільшення в реакційній суміші відношення оксидів №20/А120з призводить до прискорення взаємодії між компонентами в’яжучого і сприяє синтезу новоутворень, збіднених на кремнезем

(анальцим і цеоліт Р заміщують цеоліт №У). Встановлено наявність тенденції до зміни складу гідратних новоутворень в залежності від відношення оксидів БіОі/ЛІгО] у складі реакційної суміші: зокрема, при збільшенні даного відношення від 2 до 4 спостерігається ускладнення структури алюмосилікатного каркасу гідратних фаз і зниження ступеня закристалізованості новоутворень. Підвищення відношення Н20/АЬ0з викликає зміщення рівноваги у напрямку кристалізації фаз із підвищеним відношенням 8і02/А120з і збільшення розмірів кристалів.

3. З застосуванням математичних методів планування експерименту оп-тимізовано склад лужних алюмосилікатних в’яжучих за критеріями міцності і переважної кристалізації термостабільних цеолітів, що досягається при такому співвідношенні оксидів у реакційній суміші: №20/АІ20з = 0,6-0,75; 8іОг/А12Оз = 3,4-3,7; Н20/А120з = 8-10.

4. Здійснено модифікування реакційної алюмосилікатної суміші карбідом кремнію і показано, що ефективне регулювання міцності при стиску і залишкової міцності штучного каменю після випалу в інтервалі температур 200-800°С можливе при введенні до складу в’яжучого 25-30% карбіду кремнію, причому останній відіграє роль не тільки модифікатора, але і наповнювача, сприяє формуванню структури конгломерату на рівні 40-50мкм.

5.3 застосуванням електронномікроскопічного і електроннозондового методів аналізу вивчені будова і склад контактної зони «в’яжуче - карбід кремнію» і «в’яжуче - корунд», встановлено розподіл основних елементів (натрію, алюмінію і кремнію) за профілем контактної зони. Показано, що взаємодія матриці та заповнювача в даних системах протікає дуже активно і забезпечує утворення широкої контактної зони (ширина контактної зони між в’яжучим та частинкою карбіду кремнію складає 20-24мкм, а навколо частинки корунду - 24-Збмкм), яка сприяє рівномірному розподілу внутрішніх напружень у тілі матеріалу, і, як наслідок, підвищенню міцності та термостійкості бетону в цілому.

6. З застосуванням основних положень поліструктурної теорії побудови композиційних матеріалів розроблено й оптимізовано склади зносо- термостійких бетонів на основі лужного алюмосилікатного в’яжучого з використанням як наповнювача карбіду кремнію, а як заповнювача - плавленого електрокорунду, мулітокорунду і шамоту.

7. Показано, що отримані склади бетонів на основі лужного алюмосилікатного в’яжучого і шамоту характеризуються високою термостійкістю і стабіль-

ністю міцносних характеристик в інтервалі температур 75-800°С, причому, міцність при стиску після сушки при 75°С складає 55-60МПа. Застосування як жаростійкого заповнювача мулітокорунду дозволяє одержати бетони з підвищеною міцністю (до 65-67МПа) і зниженою стираністю (0,35-0,38 г/см2) в інтервалі температур 75-800°С. Формування макроструктури зносостійкого матеріалу за рахунок використання електрокорунду в кількості 60% зумовлює одержання композиту, що характеризується міцністю при стиску 65-68,5МПа, стираністю 0,25 г/см2 і термостійкістю до 25 теплозмін "800°С - вода".

8. Здійснено промислове випробування запропонованих складів зносо-термостійких бетонів підвищеної термостабільності для виробництва футеровки обертової печі для випалу каоліну в асоціації «Реконфісс», м. Київ. Отриманий матеріал характеризується міцністю при стиску 50-55МПа; залишковою міцністю після випалу при 800°С 65-70МПа; зносостійкістю - 0,35 г/см2; термостійкістю 95 теплозмін «800°С - вода». Термін експлуатації футеровки у 2 рази більше, ніж у футеровки, на основі шамотної цегли, що застосовувалася раніше, отриманий економічний ефект від впровадження їм3 футеровки становить 1002,6 гривень.

Основні положення дисертації викладено в працях

1. Пушкарьова К.К., Гончар В.П. Поліпшення термомеханічних характеристик жаростійких композитів на основі лужних алюмосилікатних в’яжучих //Будівництво України.- 1998.- №6.- С. 28-31.

2. Пушкарьова К.К., Гончар В.П. Моделювання процесів синтезу цеоліто-подібних новоутворень у лужних алюмосилікатних в’яжучих //Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури.- Макіївка: видавництво Донбаської державної академії будівництва і архітектури.- 2000.- №2(22).- С. 184189.

3. Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Исследование влияния состава щелочных алюмосиликатных связок на фазовый состав продуктов твердения //Науковий вісник будівництва,- Харків: видавничий дім “Ватерпас”.- 2000,- №9.- С. 268276.

4. Пушкарьова К.К., Гончар В.П. Особливості процесів структуроутворення та фізико-механічних властивостей лужних алюмосилікатних композицій, модифікованих карбідом кремнію //Будівництво України,- 2000.- №2,- С. 30-32.

5. Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Моделирование процессов синтеза жаро-и термостойких композиций в системе Na20-Al20j-Si02-H20 //Материалы 37 междунар. семинара по моделированию и оптимизации композитов “Моделирование в материаловедении”, МОК’ 37.- Одесса: Астропринт.- 1998.-С. 40-41.

6. Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Применение математических методов планирования эксперимента для оптимизации микроструктуры щелочных алю-мосиликатных вяжущих повышенной износо- и термостойкости. // Материалы 38 междунар. семинара по моделированию и оптимизации композитов “Оптимизация в материаловедении”, МОК’ 38,- Одесса: Астропринт.- 1999.- С. 84-86.

7. Gonchar V.P. The studies on thermo-mechanical characteristics of the alkaline alumino silicate binders modified by a silicon carbide //Proceed, of the Second Intemation. Conf. "Alkaline Cement and Concretes". - Kyiv: ORANTA Ltd. -1999. -P 303-312.

8. Пушкарьова K.K., Гончар В.П. Оптимізація складу зносо- термостійких композицій на основі лужних алюмосилікатних в’яжучих. //Материалы 39 междунар. семинара по моделированию и оптимизации композитов “Рациональный эксперимент в материаловедении”, МОК’ 39, Одесса: Астропринт.- 2000.- С. 70-71.

9. Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Получение абразивных инструментов при минимальных энергозатратах //36. допов. третьої наук.-практ. конф. “Енергозбереження в будинках і спорудах”,- Київ: Видавництво Київ-ЗНДІЕП,- 2000,- С. 73-74.

10. Пушкарева Е.К., Гончар В.П. Применение геоцементов для производства абразивных инструментов //Материалы 15-й Междунар. науч.-техн. конф. «Прогрессивные технологии в машиностроении»,- Одесса - Киев: ATM Украины.- 2000,- С. 203-204.

АНОТАЦІЯ

Гончар В.П. Зносо- термостійкі композиційні матеріали на основі лужних алюмосилікатних в’яжучих. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби,- Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Київ, 2000.

В роботі теоретично обгрунтована та практично підтверджена можливість одержання в системі Na20-Al203-Si02-H20 композиційних матеріалів поліфун-кціонального призначення з підвищеними зносо- та термостійкістю. Встановлено поля кристалізації і визначено умови синтезу термостабільних цеолітів (гідросодаліту, морденіту, цеоліту NaY) та досліджено процеси їх перекристалізації в діапазоні температур 75-165°С. Розроблено основні принципи композиційної побудови лужних бетонів спеціального'призначення, що покладені в основу отримання знос о- та термостійких матеріалів, які характеризуються стабільністю міцносних характеристик в інтервалі температур 75-800°С (міцність при стиску композиційного матеріалу на шамотному заповнювачі становить 55-бОМПа, стираність - 0,44г/см2, термостійкість - 75-80 теплозмін «800°С - вода»).

Ключові слова: лужне алюмосилікатне в’яжуче, термостабільні цеоліто-подібні новоутворення, зносостійкість, термостійкість.

АННОТАЦИЯ

Гончар В.П. Износо- термостойкие композиционные материалы на основе щелочных алюмосиликатных вяжущих.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия.- Киевский национальный университет строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Киев, 2000.

Разработаны составы и экологически чистая и низкоэнергоемкая технология получения износо-термостойких композиционных материалов, которые могут быть использованы для изготовления абразивных инструментов и фугеро-вок тепловых агрегатов, испытывающих в процессе работы истирающее воздействие абразивных частиц и переменных термических нагрузок.

С применением математических методов планирования эксперимента оптимизирован состав щелочных алюмосиликатных вяжущих по критериям прочности и преимущественной кристаллизации термостабильных цеолитов, что достигается при следующем соотношении оксидов в реакционной смеси: Na20/Al203 = 0,6-0,75; Si02/Al203 = 3,4-3,7; Н20/А1203 = 8-10.

Осуществлено модифицирование реакционной алюмосиликатной смеси карбидом кремния и показано, что эффективное регулирование прочности при сжатии и остаточной прочности искусственного камня после обжига в интервале температур 200-800"С достигается при введении в состав вяжущего 25-30%

карбида кремния, причем последний играет роль не только модификатора, но и наполнителя, формируя структуру конгломерата на уровне 40-50мкм.

С применением электронномикроскопического и электроннозондового методов анализа изучено строение и состав контактной зоны «вяжущее - карбид кремния» и «вяжущее - корунд», установлено распределение основных элементов (натрия, алюминия и кремния) по ее ширине. Показано, что ширина контактной зоны вяжущего вокруг частицы карбида кремния составляет 2024мкм, а вокруг частицы корунда - 24-3 бмкм.

Разработаны и оптимизированы составы износо- термостойких бетонов на основе щелочного алюмосиликатного вяжущего с использованием в качестве наполнителя карбида кремния, а в качестве заполнителя - плавленного электрокорунда, муллитокорунда и шамота. Показано, что подобранные составы бетонов на основе щелочного алюмосиликатного вяжущего и шамота характеризуются высокой термостойкостью и стабильностью прочностных характеристик в интервале температур 75-800°С (прочность при сжатии - 55-60МПа). Применение в качестве жаростойкого заполнителя муллитокорунда позволяет получить бетоны с повышенной прочностью (до 65-67МПа) и пониженной истираемостью (0,35-0,38 г/см2). Формирование макроструктуры износостойкого материала за счет введения электрокорунда в количестве 60% предопределяет получение композита, характеризующегося прочностью при сжатии 6568,5МПа, истираемостью 0,25г/см2 и термостойкостью до 25 теплосмен "800°С

- вода".

Осуществлено промышленное опробование предложенных составов износо- термостойких бетонов для производства футеровки вращающейся печи для обжига каолина в ассоциации «Реконфисс», г. Киев. Полученный материал характеризуется прочностью при сжатии 50-55МПа; остаточной прочностью после обжига при 800°С 65-70МПа; износостойкостью - 0,35г/см2; термостойкостью 95 теплосмен «800°С - вода». Экономический эффект, полученный за счет снижения себестоимости композиционного материала по сравнению с шамотным кирпичом и увеличения срока эксплуатации футеровки, составил 12031,2 грн.

Ключевые слова: щелочное алюмосиликатное вяжущее, термостабильные цеолитоподобные новообразования, износостойкость, термостойкость.

ANNOTATION

Gonchar V.P. Abrasive and thermorésistant composite materials based on alkaline aluminosilikate binders.- Manuscript.

Dissertation research for obtaining a scientific degree of candidate of technical sciences in speciality 05.23.05 - building materials and articles.- Kyiv National University of Construction and Architecture, Ministry of education and science, Kyiv, 2000. •

The possibility of producing polyfunctional composite materials, which characterised high abrasive- and thetmoresistant, is theoretically substantiated and practically confirmed. These materials may be made in a system Na20-Al203-Si02-H20 by directional synthesis in composition of hydration products of zeolite-like new formation with high thermostability. The fields of crystallisation are established, the requirements for synthesis of thermostable zeolites (hydrosodalite, mordenite, NaY-zeolite) are determined and the processes of their crystalline modification in temperature interval 75-165°C are investigated. The basic principles of composition build-up of alkaline concrete with special properties are designed. The proposed composite materials are characterised by: compressive strength - 55-60MPa, abradability - 0,25 - 0,44 g per sq cm, thermoresistance - 75-80 cycles “800°C - water”.

Keywords: alkaline aluminosilicate binder, thermostable zeolite-like new formation, abrasive resistance, thermoresistance.