автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Керамические армированные изделия на основе местного сырья

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

Л » ' /

к мло

1 Ц И А Ч Шэ

' ^ ' и • На правах рукописи

КОСАРЕВ АНДРЕЙ ФЕДОРОВИЧ

КЕРАМИЧЕСКИЕ АРМИРОВАННЫЕ ИЗДЕЛИЯ НА ОСНОВЕ МЕСТНОГО СЫРЬЯ 05.23.05 - строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-ПэтерОург - 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени инженерно- строительном институте

Ь

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Б. А. Григорьев

■ ,/ .

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор П. Г. Комохов;

кандидат технических наук, доцент Е Е Инчик

V

Ведуода организация - Акционерное объединение "Лзпромстрой" ' (бывший Главзапстрой)

Зашита диссертации состоится "30 " иидрмя 1993г. в на заседании специализированного Совета К 063.31.02 при

Санкт-Петербургском йнжейерно-строительном институте по адресу: 198005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. (52^ „

С диссертацией южно ознакомиться в библиотеке .института.

Автореферат разослан ля 1993 К

Ученый секретарь специализированного

Совета, кандидат текНкиескйх Йаук,

доцент &Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Керамические материалы отличаются высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, долговечностью. Поэтому несмотря на широкое использование в строительстве железобетонных элементов, мелкоштучные керамические материалы - кирпич и керамические камни составляют значительную долю материалов, используемых в гражданском и промышленном строительстве.

В России и за рубежом ведутся активные работы по изготовлению крупноразмерных керамических изделий. Увеличение размеров керамических материалов позволяет механизировать производство раоот, уменьшить трудозатраты в строительстве, повысить производительность труда

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в области производства крупноразмерных керамических изделий, организация их массового выпуска сопряжена с рядом трудностей. Это прежде всего неравномерные и значительные усадочные деформации изделий при сушке и обжиге. Керамическая шихта, используемая для формования панелей, должна иметь малую формовочную влажность, обеспечивающую снижение воздушной и огневой усадки, повышение прочности свежеотформован-ного и высушенного скрца, обожженного изделия.

' Одним из существенных недостатков керамики как. хрупкого материала и особенно крупноразмерных' керамических изделий является низкая прочность при изгибе, что в свою очередь ограничивает область их применения в строительстве, увеличивает вероятность разрушения при транспортировке, монтаже и эксплуатации. Попытки получения армированных керамических изделий потерпели неудачу из-за интенсивного окалинообразования на поверхности стали в процессе обжига, что исключает достаточно прочное сцепление арматуры и керамики. '

Использование закуумирования при обжиге изделий армированных стальной арматурой позволяет устранить .вышеуказанные недостатки. При этом ожидается повышение стойкости к трещинообразованию,' долговечности, эксплуатационной надежности крупноразмерных керамических армированных .изделий. Появляется новый класс материалов ке-раможелеуоСетон.

Исходя из вышеизложенного тема диссертации, выполненной в развитии работ научного направления кафедры строительных материалов Санкт-Петербургского инженерно-строительного института по разработке технологии крупноразмерных армированных керамических

изделий, является актуальной.

Цель раОоть: Получение крупноразмерных армированных стальной арматурой керамичесгах изделий из рационально подобранных шихт.

Основные задачи:

1. Подбор состава керамических шихт, исследование их формовочных свойств и оптимальных условий виброформования.

2. Изучение сушильных свойств изделий из различных керамических шихт.

3. Исследование влияния давления газовой среды в процессе обжига на формирование основных эксплуатационных свойств армированной керамики.

4. Изучение коррозионной стойкости армированных керамических изделий.

Научная новизна:

Разработана методика подбора состава керамической шихты для вибрационного способа формования крупноразмерных керамических изделий.

Впервые изучено влияние давления газовой среды в процессе обжига на формирование физико-механических свойств армированных керамических изделий. Показано, что существует непосредственная связь между количеством образующейся на поверхности стали окалины и прочностью сцепления арматуры и керамики. Избыточное (обжиг при атмосферном давлении) и недостаточное количество окалины (обжиг при давлении 13,3; 1,33 Па) вызывает уменьшение прочности сцепления арматуры и керамики. Обжиг при остаточном давлении 133 Па обеспечивает образование достаточно плотного, прочного контактного слоя между арматурой и керамикой, который способен препятствовать деформациям; арматуры в. керамике. При этом стальная арматура вводится в изделие до. обжига и после обжига находится в напряженном состоянии..

Впервые изучена коррозионная стойкость армированных керамических изделий. Установлено, что армированные: керамические изделия, обожженные в, вакууме» имеют удовлетворительную коррозионную стойкость. Обжиг при остаточном; давлении. 133 Па способствует формированию достаточно плотного а бездефектного контактного слоя между арматурой и керамикой, который- препятствует проникновеник агрессивных сред к поверхности стальной, арматуры и замедляет протекание коррозионных процессов:

. - з -

Практическое значение работы:

- подобран состав керамической шихты, состоящей из тонкодисперсного и грубозернистого компонентов, обеспечивающий малую воздушную и огневую усадки, ускорение сушки и обжига. В ка зстве грубозернистого компонента могут использоваться как природное, так и техногенное сырье;

- показано, что наиболее оптимальные параметры вибрационного формования крупноразмерных армированных керамических изделий следующие: амплитуда колебаний О,3-0,4мм; частота колебаний 40-50Гц;

_ 1* тгт т.лтм »»<■»«■»••>«>» •»»«»»•»•Л . »- .........--- .------Н. .. ------------.«- - - -

^ .«V- 4 »44. ^ уК/Ч Ж\ I чч; ч ф оио

никающйх при сушке и обжиге перед укладкой арматуру Необходимо покрывать слоем битумной мастики;■

- показано, что для улучшения физико-механических свойств армированных керамических изделий и повышения их долговечности обжиг необходимо осуществлять при давлении газовой фазы в печи 133 Па.

Апробация работы:

Осноьнне положения и результаты работы доложены и обсуждены на 47, 48, 49 научных конференциях ЛИСЙ (1990, 1991, 1092гг.), на научно-производственном семинаре "Новые технологии и оборудование для изготовления керамических стеновых материалов" (г. Челябинск, 19дог.).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано пять статей и получено положительное решение на выдачу патента.

На'защиту выносятся;

1. Результаты экспериментальных исследований получения армированных керамических^зделий на основе местного сырья.

2. Способ обжига армированных керамических изделий в вакууме.

Объем диссертации. Работа состоит из введения, восьми глав,

выводов, списка литературы, приложения и изложена на 2.45 страницах машинописного текста, включает 32. рисунка и ч° таблиц. Описок литературы состоит из )Ч1 наименований, в том чиеле Л зарубежных. ' .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введений обосновывается актуальность теш диссертации, изложена цель, научная новизна, практической значение и основные

задачи работы, вынесенные на защиту.

В первой глане рассматривается роль стеновых изделий в строительстве, состояние кирпичной промышленности, достоинства и недостатки кирпича как стенового материала, а также развитие производства крупноразмерных керамических изделий в России и за рубежом. ^

Индустриализация жилищного и гражданского строительства, повышение производительности труда, ликвидация тяжелого ручного труда каменщиков выдвигает задачу существенного'увеличения размеров керамических изделий.

Увеличение размеров кирпича лишь на 25X уменьшает:

- количество блоков на 13%;'

- приведенные затраты на 13,5%;

- трудоемкость на 12%;

- энергозатраты при возведении зданий на 10%, при производстве блоков на 7,9%.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в области производства крупноразмерных керамических изделий, организовать их мае совый выпуск не удается. Это объясняется прежде всего неравномерными и значительными усадочными деформациями крупноразмерной керамики при сушке и обжиге. Керамическая масса,, используемая дл« формования керамических панелей, должна иметь низкую формовочнук влажность, обеспечивать малые и равномерные усадочные деформации, а также повышенную прочность свежеотформованного'. и высушенной сырца, обожженного камня.

Начиная с 70-х годов на кафедре "Строительных материалов' Санкт-Петербургского инженерно-строительного института под руководством проф. П. И. Боженова ведутся активные работы по полученю крупноразмерных керамических изделий, отформованных из предвари . тельно подобранной сырьевой смеси рационального зернового соста 'ва. Указанные смеси состоят из грубозернистого компонента с мало межаерновой пустотностыо и глиняного теста. Грубозернистый компо нент сохраняет постоянство объема, создает жесткий."каркас", поз воляет уменьшить формовочную влажность, снизить общую усадку до -3%. ' .

Снижения огневой усадки керамики, как показали работ Д. П. ГЬжнина, В. К Нестеренко, И. Е Тестовой, можно добиться введе нием в керамическую массу вспучивающихся добавок - компенсатора ( усадки-невспученных вермикулита и гидрослюд в количестве оюг дс

- б -

30 процентов (по массе).

Анализ литературных данных показал, что применение вибрации ювытает эффективность формования керамических изделий. Совмеще-ше процессов вибрации И прессования при пластичес! jm способе (юрмования керамических масс, по данный Б. И. Нудельмана, И. п. Пта-данко, R ЕСтеблецова, С. Е Кравченко, позволяет уменьшить неоднородность структуры изделий на 25-30%, увеличить мощность прессования в 1,6 раза, производительность на 10% при понижении формовочной влажности на 2-4%, снизить количество брака на 20-30%, повысить преяил прочности ппи сжатий сыоиа и обозокенных изделий на 40% И 50%, соответственно.

Возможность вибрационного формования керамических крупноразмерных изделий по традиционной бетонной технологии доказана работами Е Е Пзрегудова,' В. Т. Проюги, Е. Г. Дементьева. При этом способе формования сочетание достоинств бетонной технология и высокой эффективности производства керамических панелей может быть обеспечена при достаточно коротких режимах сушки и обжига

Одним из существенных недостатков, керамики-и особенно крупноразмерных керамических изделий является низкая прочность на растяжение при изгибе. Это значительно ограничивает область их применения в строительстве, • увеличивает вероятность разрушения . при транспортировке и монтаже, снижает безопасность эксплуатации. Попытки получения армированных керамических изделий потерпели неудачу из-за низкой прочности, сцепления арматуры и керамики, вследствие интенсивного окалинообразования на поверхности стали в процессе обладга. '

В работах R А. Преснова. И. И. Метелкина, В. А. Бачина, посвященных теории И практики диффузионной сварки металлов с керамикой и стеклом показано, что существенное влияние на кинетику формирования соединения керамики с металлом оказывает газовая среда. Ими отмечено, что наилучшее соединение достигается в результате'взаимодействия оксидов, специально выращенных на металле, с оксидными системами керамических материалов (SiOa, А1,03). Соединение керамики и металла на воздухе, по данным вышеуказанных авторов, приводит к ис-контролируемому росту слоя оксидов на металлической поверхности и, следовательно, к резкому снижении прочности армированной керамики. Поэтому сварка металлов и керамики произволигоя в вакууме и/к водороде.

Результаты исследований Б. А. Григорьева, П. В. Кук<:ы. RK.fr.»-'

ра-сала, А. П. Васина, С. А. Коротаева и др. показали, что ббжиг керамических изделий в вакууме обеспечивает более быстрое удаление остаточной влаги после сушки, более раннюю дегидратацию глинистых минералов и образование жидкой фазы ( на 50-150*С), что позволяет сократить длительность обжига в 2-8 раз по сравнению с обжигом в обычных условиях. Вакуумный обк^г позволяет расширить цветовую палитру изделий,' повысить морозостойкость и стойкость в агрессивных средах, устранить высолообразование на поверхности керамических изделий в процессе эксплуатации.

Вышеизложенное позволило сформулировать основное направление работы : получение крупноразмерных армированных стальной арматуро керамических изделий, отформованных.из шихт рационального зернового состава методом вибрации, с последующими сушкой и обжигом в вакууме.

Во второй главе дается характеристика применявшихся материалов и методик лабораторных исследований.

В качестве тонкодисперсного компонента использовалась местная кембрийская глина. Кембрийская глина входит в группу полиминеральных каолинит-гидрослюдистых глин. По зерновому составу она относится к среднедисперсному сырью с высоким содержанием глинистой, фракции, по пластичности - к умеренно-пластичным. По огнеупорности глина относится к- легкоплавким, по чувствительности ь сушке - к малочувствительным.

В качестве грубозернистых компонентов применялись природное сырье: кварцевый песок и шеОекь, а также попутные продукты промышленности - металлургические и котельные шлак и золошлаковые смем Подготовка сырьевых материалов и изготовление образцов проводились по общепринятым методикам. Для компоновки керамически: смесей рационального состава и выяснения влияния' отдельных фракций грубойернистого компонента на формирование свойств керамического камня пробы рассеивались на отдельные фракции. Фракционирование аолошлаковых смесей не производилось, так как они имел удовлетворительный гранулометрический состав по пустотности I плотности зер^н. С целью установления оптимальных параметров виб, формования для определения динамической вязкости исследуемых мае< испольаовался вибрационный вискозиметр конструкции П. А. Александ рова и О. Е Кунцевича. ,

Изменения массы в процессе сушки и обжига определилось с по млаью весов с подвешенным к ним исследуемым образцом. с'

Определение теплопроводности материалов проводилось методом цилиндрического зонда, разработанного кафедрой физики СПбИСИ.

Морозостойкость крупноразмерных изделий определялась по ГОСТ 10060-87 "Бетоны. Методы контроля морозостойкости".

В третьей и четвертой главах приведены результаты исследований формовочных и сушильных свойств керамических смесей рационального зернового состава и- образцов, отформованных на их основе.

В результате экспериментов установлено, что динамическая вязкость глиняной суспензии на основе кембрийской глины интенсивно уменьшается и достигает минимальных значений при амплитуде 0,2 -0,4мм и частоте колебаний 30-40ГЦ. Наилучшее уплотнение керамических смесей имеет место при амплитуде 0,4-0,5мм и частоте 40-60 Гц.

Анализ полученных данных показал, что удобоукладываемость керамических масс можно регулировать вязкостью (водоглиняным отношением) и расходом глиняного теста. При одинаковом водоглиняном отношении С В/Г) и объеме глиняной суспензии смеси с меньшей межзерновой пустотностью имеют лучшую удобоукладываемость. Очевидно, что при уменьшении межзерновой пустотности и при одинаковом объеме глиняной суспензии увеличивается толщина обмазки зерен грубозернистого компонента, что приводит к улучшению их скольжения и как следствие к повышению удобоукладываемости.

В результате анализа экспериментальных данных было установлено, что наиболее приемлемыми для производства крупноразмерных керамических изделий являются жесткие сырьевые смеси - Ж=10-60с. При повышении жесткости более 60с формование качественных изделий затруднительно и требует дополнительных мероприятий. Использование пластичных см<зсей приводит к резкому увеличению объема глиняного теста, повышению формовочной влажности массы, низкой прочности сырца и обожженного камня. В ходе экспериментов было выявлено, что наиболее качественные изделия получаются при использовании пригруза ¡2-3 Па и вибрирований в течении 60-100с.

В результате изучения сушильных свойств изделий, отформованных из керамических шихт рационального зернового состава было установлено, что величина их воздушной усадки не превышает 1,-бХ, усадочные деформации прекращаются значительно раньше, чем у изделий из заводской шихты. Малые значения коэффициента чувствительности к сушке (по А. Ф. Чижскому), высокая, интенсивность сушки позволили сократить время сушки керамических изделий, по сравнению с

заводской шихтой, в 2-3 раза.

В таблице I приведены характеристики сушильных свойств раз личных керамических масс на основе кембрийской глины.

Сушильные свойства керамических шихт на основе кембрийской'глины

Таблица 1

Состав шихты Формовочная влажность, % Кч Воздушная усадка,% •Рср. кг/м3 Ясж, Ша.

Заводская 21,0 1,14 5,2 1880 2,1

Глина-19% + 81% шлак (фр. 5,0-10 и менее 1,2Бмм) 13,3 0,56 1,55 1810 2,5

Глина:20% + 80% шлак (фр. 2,5-5,0 именее 0,63мм) 13,0 0,73 1,05 2040 2,8

Глина-20% + 80% шлак (фр. 1,25-2,6 именее 0,316) 13,4 0,67 1,26 2090 3,1

Глина-21% + 79% золошла-ковая смесь 12,6 0,7 1,44 2150 3,9

Пятая глава посвящена исследованию влияния давления газов< фазч в процессе обжига на формирование основных физико-механиче< ких свойств армированной керамики.

В результате- исследования изменения массы изделий при обш на воздухе и в вакууме было установлено, что процессы газоввдел ния, связанные с протеканием реакций дегидратации глинистых мин! ралов, декарбонизации И десульфиризации, при обжиге в вакуу происходят более полно и на 50-100 С раньше, чем при атмосферн давлении. Шнижение обвдэго и, следовательно парциального давлен образующихся газов вакуумировздием в процессе обжига, в соответ ■тнии с принципом Ле-Шателье, вызывает смещение равновесия в ст рону образования газообразных веществ, ускоряя протекание выше кгчзанных реакций разложения в сторону образующихся продукт

- 9 - '

реакции и синтеза новых соединений, влияющих на свойства обожженного камня. Анализ распределения температур по сечекию изделий в процессе обжига покааал, что несмотря на несколько больший максимальный температурный перепад Тпов-Тц (в вакууме-90-11., С на воздухе - 85-105"С в зависимости от скорости нагрева) время выравнивания температур при обжиге в вакууме на 30-40 мин меньше. Данное обстоятельство, по-видимому объясняется, как было отмечено, более ранним и полным протеканием эндотермических реакций разложения при обжиге в вакууме.

На основании данных по кинетике потери массы изделий при нагревании, установленных закономерностей изменения температур печи, на поверхности и в центре изделия нагрев изделий осуществлялся по следующему режиму: подъем температуры до 460-500°С со скоростью 2-4 град/мин; от 450-500°С до температуры изотермической выдержки со скоростью 6-8 град/мин.

В таблице 2 приведены, физико-механические характеристики обожженных ■ керамических изделий.

Как видно из данных таблицы ?., прочность при сжатии образцов, обожженных в- вакууме, для всех составов значительно выше, чем обожданных на воздухе. Существенное повышение прочности на сжатие, огневой усадки, плотности изделий при обжиге на воздухе отмечается при 950-980°С. Аналогичные процессы при обжиге в вакууме (133 №1) имеют место, начиная с 900°С. Разница температур, -при которых отмечаются одинаковые свойства изделий, оболркенных в вакууме и на воздухе, составляет 50-75°С. Механическая прочность керамического камня из шихт рационально подобранного зернового состава значительно.выше, чем из заводской шихты.

Результаты испытаний . керамических изделий на морозостойкость свидетельствуют, что класс по морозостойкости керамики,, отформованной из шихт рационального зернового состава и- обожженной в вакууме (133 Па) соответствует гео (потери прочности-4,05%,массы -1,7%), обожженной на воздухе - Г25 (потери прочности - 3,82, массы - 2,43%).

При обжиге армированных керамических изделий.и в керамике и п арматуре протекут различные фиэико-химические процессы, -окэ&Нва-влияние на 1\'ГУироватав контактного слоя крматуроА и

керамикой» из лрочмость их сцепления и.' следовательно, на' конечную прочность армированной керамики.

В результате термодинамического анатоза было установлено» что

бизико-механическйе свойства обожженного черепка

таблица 2'

Состав шйхты Дав^ лёнй< Па _............ ... Тетаература otorä, °С

___________....... 950..................... ................... . ' 980 ......... ......

Л, г/см s Ша усадка, % А г/см5 % Ша усадка, %

возд. общая. ...возд обит

70Йгликн+30^песка ... дт- 10 1,9 13,9 .11,9- .5,4 7,9 1,92 13,8 5,4 8.5

2а%тжт+ё0%штш& фр.- 1 <25=2*5 й mséé 0.3Í5 Ш тзз 2,13 9,3 18,6 1,3 1,95 2» 18 8,8 ЙТ ,2 1,3 2,1

.5 10 2 i 095 12 <5 12,9 t.3 1,65 2,1 12,С 15,9 1,3 1.8.

19%гШш+81% Mata. ' фр.- 2,5-5,0 и tóénee 0,63 йм 133 2,07 10,1 15,6 1,05 1*5 2,065 9,2 17,1 1.05 1,75

s то 2,044 13,4 11 г2 1,05 1,3 2,05 12,9 14,9 1,0В M

21йглиш+79$ золо^ пйа&ЪЬой èWCH 133 ¿И? 9,5 21,0 1*4 2,0 2,22 8,9 23,5 1,4 2,2

ь 10 2,16 13,8 13,4 1,4 1,6 2,1? 12,2 15,5 1,4 1.7

21$ глийы* 79$ ЙЛЙНЙ i тр. 5,0-10,0 Ш я менее t #25 йал 133 1 (85 12,8 14,6 1,5 1,95 1,86 11,3 16,1 1,5 2,06

5 10 1 ¿825 14,6 12,0 1,5 1,75 1,83 13,1 14,4 1,5 1,82

- и -

для всех реакций' окисления железа в интервале температур 20-1000 С и давлений 1,33-10 Па изменение анергии Гиббса отрицательно, что указывает на принципиальную возможность окисления стальной арматуры в процессе обжига.

Однако, оценка изменений энергии Гиббса не дает ответа на весьма важный с практической стороны вопрос - с какой скоростью будет протекать термодинамически возможный процесс окисления железа.

Как показали исследования, на кинетику окисления стали при обжиге существенное влияние оказывают следующие основные факторы : давление газовой фазы в процессе обжига, скорость нагрева, температура, продолжительность изотермической выдержки.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что количество образующейся окалины при обжиге на воадухе приблизительно" в 8-10 раз больше, чем при обжиге в вакууме (133 Па). Понижение давления газовой фазы до 13,3 и 1,33 Па способствует уменьшению количества окалины по сравнению с обжигом при давлении 133 Па в 2-2,5 и 7 раз, соответственно. Исследований влияния глубины вакуумирования менее 1,33 Па «е проводилось, так как дальнейшее снижение давления сопряжено с усложнением конструкций вакуумных печей, вакуумно -откачивающих систем и значительными капитальными вложениями и финансовыми затратами.

Изучение изменения массы стальных образцов в зависимости от скорости нагрева показало, что замедление подъема температуры с 6 -8 град/мин до 2-4 град/мин' приводит к увеличению количества образующейся окалины в 1,5-2,5 раза. При рассмотрении кинетики окисления стали в процессе нагрева отмечаются три характерных участка изменения скорости окислительного процесса железа. Значительное ускорение окалинообразования наблюдается при температурах 550-600"С. Это связано, как показал В. И. Архаров, с появлением в окалине вюстита (РеО). Значения энергии активации процесса окисления после появления в окалине вюстита возрастают почти в два раза, составляя при обжиге на воздухе 50,71 кДж/моль, в вакууме -31,66 кДж/моль. Дальнейшее, более сильное ускорение окисления стали с ростом температуры отмечается >и на воздухе й в вакууме при 800"с, кто связано е магнитным превраданием железа Те-и.^Рву (точка Кюри 770°С). Значения энергии активации при этом возраста-, ют, Достигая в 'вакууме 202,78 кДж/моль, на воздухе - 235,22 кДж/моль. ■ При температуре более 900 С отмечается некоторое замедление процесса окисления, что по-видимому, объясняется появлением

аустенитной структуры стали, которая, как известно, имеет высокук стойкость к окислению. Данное обстоятельство создает благоприятные предпосылки, с точки зрения уменьшения окисления стали пру изотермической выдержке, при обжиге армированных керамических изделий.

Экспериментальные данные зависимости изменения массы стали оз температуры и длительности изотермической выдержки приведены I таблице 3.

Изменение массы стали (г/м ) в зависимости от температуры и длительности изотермической выдержки

- Таблица 3

Температура выдержки, °С . Длительность изотермической выдержки, мин

60 120 180 • 240 300

10* Па ■ 209. 294 359 414.' 461

950 133 Па 18 .25 30' 36 45-'

133 Па 10 13 16 ' . 20 ' 24

1,ЗЗПа 3 4 • 5 7 ' 9

10*Па 245 346 . 424 ' 490 548

980 133 Па 29 38 44 ' • <> 49 ' 53

13,3па - 15 20 . . 23" - . 26 28

1,ЗЗПа 5 7 8 9. 10

.Рассмотрение температурно-временной зависимости окисления с ли Ст. 3 во^дада и в вакууме с учетом физика-химических проце сов. чротекавпде; яри обжиге керамики позволило установить след?

режим обжит армированных керамичрогаг изделий • подъем- те шф;ггуры от 20*6 ®о 600*0 со скорость.« 2 4срч.п/м'.'н, пт ?С0"С дс ■п-мгвратуры иуо^адческой выдержки - со скоростью ^-Оград/мин. Ш рисунке приведены зависимости предельны? га'.'рукмкшш кас

тельных напряжений (N04), между арматурой и керамикой, от температуры, времени изотермической выдержки и давления в печи.

Зависимость предельных разрушающих касательных напряжений между арматурой и керамикой 0/сч) от продолжительности изотермической выдержки

Обозначено: I. Давление 133 Па; 2, Давление 13^3 На;

3. Давление 1,33 Па; 4. Давление 10 Па

---- _ Тобж = 980°0}

---- _ _ _ _ Тобж =-950°0.

Как видно из графиков, наибольшая прочность сцепления арматуры и керамики в исследуемых диапазонах времени, температуры изотермической выдержки и давления в печи наблюдается"при 980 С и времени выдержки 180-240 мин при остаточном давлении- в печи 133 Па.

По мере увеличения длительности изотермической выдержки отмечается плавное уменьшение прочности сцепления арматуры и керамики. При снижении остаточного давления до 13,3 Па значения предельных касательных напряжений уменьшаются до 6,2 Па при выдержке 180-240 мин. На рисунке достаточно четко видно, что величина Ысц по мере увеличения выдержки плавно возрастает, достигая своего максимума по-видимому в области более длительного времени изотер-

мической выдержи - более б часов. При давлении в печи 1,33 Па характер изменения значений прочности сцепления арматуры и керамики аналогичный, но кривая имеет более пологий наклон и меньшие значения N04.

Рассмотренный характер изменения №ц для температуры выдержки 980°С аналогичен и для других температур. Отличие заключается лиш в том, что при уменьшении температуры изотермической выдержки значения предельных касательных напряжений несколько уменьшаются и достигают своего максимума в области более длительного времени выдержки. Прочность сцепления арматуры и керамики при 980°С достигает больших значений, чем при 950°С и тем более 930°С.

В таблице 4 .приведены значения предела прочности при изгибе керамических образцов армированных арматурной сталью А-1 (Ст. 3) Значения предела прочности при изгибе армированной керамики в зависимости от давления газовой фазы и времени изотермической выдержки

Таблица 4

Давление газовой среды Па Предел прочности при изгибе, МПа

Время изотермической выдержки, мин.

120 ' 180 ; 240 300

ю*. 5,1 4,4. 4,3 4,4

133 9,3 10,9 п% ' 10,1

13,3 8,3 6,6 . 9,2 9,4

1,33 6,0 6,2 6,3 6,55-'

диаметром 6 мм, обожженных при 980°С при разной продолжительное изотермической выдержи.

. Данные.. приведенные 'в таблице 4 подтверждают вывод о том, чт етитенсивног формирование контактного слоя медпу арматурой и керэ мнкой протйка^т при давлении газовой среды в печи 133 Пл. Г?г >т<>м давлении протекание всех физико-химически* процессов «а л с •1К"(<хност« сташ! и в керамическом черепке спочобгтку&т активно»

химическому взаимодействию оксидов железа (особенно ГеО) и керамики ( А1203;5Ю2 и др.) с образованием легкоплавких эвтектик, увеличивающих количество жидкой фазы благодаря которой наблюдается значительное уплотнение контактного слоя, повышается прочность сцепления арматуры и керамики, улучшается их совместная работа при приложении нагрузок.

При этом давлении обеспечивается такое парциальное давление кислорода, при котором в окалине появляется достаточное количество. оксидов железа для химического взаимодействия с керамическим черепком и залечивания имеющихся дефектов в его поровой структу-

»-«Л Пли ПШЛ1/ Т-"»г> НАШЩ П^шлплЛ Л»\Л»" • МЛ »»«»ЛЛШПЛ ЛИЦО ППп Пй^о Г1Л

-видимому, соответствует такому количеству окислов, которое внедряется в поры керамики, не вызывая при этом существенных объемных напряжений, как в случае окисления арматуры керамических образцов, обожженных при атмосферном давлении. При окислении на воздухе образуется слой окалины по массе превосходящей примерно в 10 раз слой окалины, формирующийся при давлении 133 Па. По-видимому, при обжиге на воздухе слой окалины при недостаточном количестве жидкой фазы не успевает проникать в керамику и постепенно накапливается в промежуточном слое медцу керамикой и стальной арматурой, Учитывая фактор накопления окалины и то, что ее объем примерно в 2 раза больше объема исходного металла в контактном слое между арматурой и керамикой возникают напряжения, которые разрушают керамический черепок. . Поэтому на некоторых образцах, обожженных на воздухе, либо появляются радиальные трещины, либо нарушается сплошность контактного слой и прочность сцепления арматуры и керамики значительно снижается. •

При остаточном давлении в печи 13,3 и 1,33 Па парциальное давление кислорода понижается, что значительно уменьшает окисление металла. В данном случае, недостаточное количество окислов железа не обеспечивает залечивания дефектов и пор керамики, наблюдается небольшое внедрение оксидов в тело керамики и поэтому контактный слой не имеет прочной и непрерывной структуры.

Шэстая глава посвящена исследованию коррозионных свойств армированных керамических изделий.

При эксплуатации изделий армированной керамики большое эначе- . ние имеет их долговечность. Долговечность армированных керамических изделий может быть гарантирована, если керамика, арматура и армированная керамическая конструкция в целом обладают доетаточ-

ной коррозионной стойкостью.

Известно, что керамика имеет хорошую коррозионную стойкость к кислотам, удовлетворительную к прлочам. Керамические иаделия из шихт рационального зернового состава имеют достаточно высокую марку по морозостойкости Р50.

Коррозионную стойкость арматурной стали марки Ст. 3 определяли при полном и периодическом погружении в растворы электролитов. Пе риодическое смачивание армированной керамики осуществлялось по режиму: четверо суток в растворе электролита, одни сутки на воздухе. В качестве растворов электролитов были выбраны : 0,1» р-р 4,50^, 3% р-р МаС1, 5Х р-рМа^БО^и водопроводная вода. Длительность испытаний составляла 200 суток. По окончании испытаний образцы армированной керамики извлекались из растворов электролито! и после суточной выдержки в комнатных условиях проводились испытания на прочность сцепления арматуры и керамики. Затем осуществлялся визуальный осмотр состояния арматуры и удаление продукте) коррозии. После снятия продуктов коррозии определялись .потери массы стальных образцов, скорость коррозии (СК), наибольшая глубина повреждений (Б). Результаты испытаний в условиях периодичее кого смачивания поведены в таблице 5.

Результаты коррозионных испытаний

■ Таблица 5.

Наименование раствора электролита Обжиг в вакууме ,(133 Па) Обжиг на воздухе

Э; мм СК, мм/год Нсц, шц/х ММ СК, мм/гбд Нсц, МПэД

0,1н р-р Нг5 0„ менее 0,1 0,044 7,2/89 0,5-06. 0,59'' 1,9/76

3% р-р НаС1 менее 0,1 0,03 7,6/93 0,4-ОБ 0,5?, 2,1/83

к р-р менее 0,1 0,032 7,^92 0,5 0,54. 21-2/35

водолров. вода- №Н9в 0,1 .0,015. 7,7/95 0,2 0,32 я, я/ж

Примечание: в числителе приведены аиачепия предельных кас;

Телг,ннх напряжений мсязду армчтурой и-керамикой

- 17 -

после коррозионных испытаний, в знаменателе - то самое в % от значений предельных касательных напряжений до испытаний.

Из таблицы видно, что скорость корроаии арматуры, извлеченной из керамики, обожженной в вакууме, не превышает 0,044мм/год, что более чем в 10. раз меньше, чем после обжига на воздухе. После удаления продуктов корроаии поверхность стержней была несколько шероховатой, в отдельных местах отмечались точечные язвенные поражения, глубина которых не превышала 0,1 мм. Шюшддь чистой по-

С. Н. Алексееву) не.превышал 1,94. Максимальное снижение прочности сцепления арматуры и керамики составило 11%.

Таким образом, в результате анализа экспериментальных данных можно констатировать', что обжиг армированной керамики в вакууме (133Па) обеспечивает удовлетворительную коррозионную стойкость арматуры, что объясняется формированием качественно иного, чем при обжиге на воздухе, более плотного,, бездефектного контактного слоя, предохраняющего сталь от проникновения агрессивных сред, что замедляет протекание процессов коррозии.

В седьмой и восьмой главах представлены результаты выпуска опытной партии армированных керамических изделий и оценка экономической эффективности их производства.

В качестве армированных керамических изделий была выбрана перемычка для оконных и дверных проемов марки 1ПБ-10-1 по ГОСТ 94884 размерами 1030x120хб5мм. При изготовлении керамических перемычек использовалась смесь следующего состава: глина кембрийская -20%, ,шлак ваграночный завода "ЛентруС'лит" (фракции 2,5-5,Омм и менее 0,63мм) - 80%. Формовочная влажность смеси - 13,8%. Для армирования использовалась стальная арматура класса А-1 марки Ст. 3. Перемычку армировали 4 стержнями диаметром 6мм. Арматура предварительно покрытая битумной мастикой,- укладывалась в форму, фиксировалась при помощи торцевых отверстий в форме. Затем производилась укладка в форму керамической смесч и формование изделия на виброплощадке (амплитуда 0,35-0,4мм, частота 40-50ГЦ) с приг-рузом 2-2,5Па. в течении 100с.

После формования и распалубки изделия на поддоне загружались в электрическую) печь, в которой осуществлялась сушка. Продолжительность сушки, (до влажности 1,5-2%) составляла 3-4 часа

Обжиг изделий проводился в вакуумной электрической печи при

остаточном давлении 133Па. Продолжительность обжига - 10 часов.

Всего было изготовлено 24 керамических армированных перемыч ки. Изделия обжигали по 6 штук за одну загрузку при температура 930° и 980° С.

В таблице 6 приведены результаты испытаний обожженных издели

<1мзико-механические характеристики обожженных изделий

Таблица. 6

Температура обжига," С Усадка, X $ , кг/м3 Водопоглощение , 7. Рсж , МПа .

огневая ОбВДЗЯ

930 0,4 1,55 2055 10,8 15,1.

980 0,8 1,9 . 2090 9.1 18,0

Часть армированных керамических перемычек была уложена i

уровне земли и зацементирована строительным раствором на объега

для долговременных полевых испытаний на долговечность. Часть ке{

мичееких перемычек было использовано для определения несущей спс

собности армированной кёрамики. Результаты испытаний показали, чч

линейный участок изменения вёличины прогиба от изгибающего моме!

(упругие деформации) сохраняется до-прогиба 0,36см, что соответ<

твует 70% величины разрушающей нагрузки. Это возможно только

том случае, когда арматура находится в напряженном состоянии. Д.

о

допустимого прогиба равного f=?0,32cM распределенная 'нагрузка coi тавила 150кг/м. По ГОСТ 948-84 для перемычки 1ПБ10-1. нормативна распределенная нагрузка равна ЮОкг/и, что в 1,5 раза меньше пол: ченных результатов.'

Таким образом, коэффициент запаса, полученный в реаул^а-'испытания армированной керамической перемычки, из .условия' допу тыго прогиба 0,32см, равен 1,5.

Оценка экономической эффективности производства армированы керамических изделий проводилась в сравнении е производством к рамического кирпича и сРоринх железобетонных изделий по натурчл ным показателям - энергпчмкугти » м^тамоежут

I? результат«» сокрошения процессов сушки .и' оС\*яга армировали к---ррл1П1П! уде.чьймй расход энергии .чт их .произволе?'¡с на 07% мень

jm керамического кирпича. Несмотря на несколько большую металло-¿коеть по сравнению с керамическим кирпичом С на 36%), суммарное тхение себестоимости ( по совокупности энерго- и металлоемкости) зхнологии армированных керамических изделий составляет 28Z. цельный расход энергии и металлоемкость производства армирован-эй керамики и сборных железобетонных, изделий практически одина-эвы.

Дополнительное снижение себестоимости армированных керамичес-их изделий можно ожидать за счет уменьшения затрат на сырье и ешения проблемы утилизации попутных продуктов промышленности природоохранный эффект;. Указанны« фск^тиры а приведением аплмпоа кономической эффективности не учитывались.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Получены армированные керамические изделия.

2. Разработана методика подбора .состава керамических шихт рименительно к вибрационному, способу формования. Показано, что добоукладываемость керамических масс следует прогнозировать в . ависимости от вязкости и толшины пленки глиняной суспензии на юверхности зерен грубозернистого компонента. Вибрационное формо-1ание керамических изделий необходимо осуществлять при амплитуде

), 3-0,5мм и частоте колебаний 40-б0Гц.

3. Изучено влияние состава керамических масс на сушильные :во..етва изделий. Показано,' что использование керамических масс >ационального зернового состава позволяет устранить неравномер-юсть усадки й снизить ее величину, /уменьшить чувствительность к :ушке.

4. Показано, что для улучшения физико-механических свойств армированной керамики обжиг необходимо осуществлять при давлении L33IIa. При . этом давлении процессы дегидратации и спекания протекают интенсивнее и при более низких . температурах.' Установлено, сто максимальная величина предельных касательных напряжений между арматурой и керамикой, предел прочности при изгибе отмечаются при эбжиге в вакууме (133 Па).

5. Изучена корроаионная стойкость изделий армированной керамики. Показано,что обжиг при давлении 133 Па обеспечивает формирование качественного иного, чем обжиг на воздухе, плотного, бездефектного контактного слоя между арматурой и керамикой, кото-

рый затрудняет проникновение агрессивных сред и замедляет - протекание процесса коррозии арматуры.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Коррозионная стойкость арматурной стали для крупноразмерных керамических изделий/ Б. А. Григорьев, А. Ф. Носарев// Строительные материалы из попутных продуктов промышленности. -Л., 1990. -с. 17-22.

2. Армированные крупноразмерные керамические изделия, полученные обжигом в вакууме./Б. А. Григорьев, А. П. Васин, А. Ф. Косарев// Материалы конф. "Качество и надежность строительных материалов и конструкций в сейсмостойком строительстве", Батуми. ,2-6 мая 1990. - с. 56-57.

3. Крупноразмерные керамические изделия на основе попутных продуктов промышленности для сельского хозяйства/ Б. А. Григорьев, А. П. Васин, А. Ф. Носарев, К а Гришин//Тр. Всесоюзной научно-технической конф. "Использование вторичных ресурсов и местных материалов в .сельском строительстве". Челябинск.,1991

4. Получение и свойства дисперсно-армированной керамики на основе попутных продуктов промышленности/Б. А. Григорьев,' А. П. Васин, А. Ф. Носарев, Л. Е Игнатьев//Тр. Всесоюзной конф. "Физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии. Часть2. "Химия и технология силикатных материалов". Белгород., 1991.-е. 12а

5. Перспективная технология строительной керамики /Л. И. Боже-нов, Б. А. Григорьев, А. П. Васин, А. Ф. Носарев, ; Л. Е Игнатьев//Тр. Межреспубликанского семинара "Новые строительные композиты ■ из природных и техногенных продуктов". Калининград-Юрмала,1991,-с. 71 -72. ' '

6. Получено положительное решение на выдачу патента по заявке N0 4793071 от 02.01.90 г.