автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Жаростойкие щелочные алюминатные вяжущие и бетоны

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ КИЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СТРОИТЕЛЬСТВ?!

И АРХИТЕКТУРЫ

На правах рукописи

ШАПЕТЬКО Сергей Владимирович ЖАРОСТОЙКИЕ ЩЕЛОЧНЫЕ ШШНАТНЫЕ ВЯОТИЕ И БЕТОНЫ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кшв 1995

!

Диссертация является рукописью Работа выполлена в Киевском государственном техническом

университете строительства и архитектуры

Научный руководитель - академик Академии строительства iкрайни,

доктор технических наук, профессор Кривенко П.В.

Официальные олпсненты - академик Акадеыи.. строительства Украины,

доктор технических наук, профессор Ушеров-Маршак A.B. кандидат технических наук, доцент Па^лаЕСкая А.П.

Ведущая организация - Украинский научно-исследовательский и про-

ектно-конструкторский институт строительных материалов и изделий Защита диссертации состоится 21 февраля 1996 г. . в 13 час. на заседании специализированного совета К 01.18.08 "Строительные материалы и изделия. Основания и фундаменты" Киевского государственного технического университета строительства и архитектуры по адресу: 252Ö37, г. Киев-37, Воздухофлотский проспект, 31.

С диссертацией.можно ознакомиться в библиотеке КГТУСА.

Автореферат разослан 20 января 1996 г. .

Ученый секретарь спеииализированного совета, ..андидат технических наук

Б.А. F-акиа

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для обеспечения надежной и долговечней работы тепловых агрегатов в металлургии, энергетике, промышленности строительных материалов необходимы высококачественные огнеупорные материалы. При возведении защитных монолитных футероЕок в основном используют жаростойкие бетоны на основе алюминатных цементов. Такие бетоны отличаются высокой прочностью и огнеупорностью. Однако, низкая термостойкость и значительное снижение прочности при обжиге (до 307. от исходной) существенно сокращают области применения таких бетонов. Поэтому, одна из наиболее актуальных проблем улучшения качества жаростойких материалов на основе алюминатных вяжущих связана с повышением устойчивости их физико-механических характеристик при воздействии высоких температур.

Целью работы является' разработка физико-химических закономерностей синтеза щелочных алюминатных вяжущих систем и установление обпгих принципов получения на их основе жаростойкого искусственного камня со стабильными термомеханическими характеристиками

Автор защищает:

1. Физико-химические закономерности формирования жаростойкого искусственного камня со стабильными термомеханическими характеристиками в широком интервале температур на базе низкоосновных алюминатов кальция, . натриевого жидкого стекла и модифицирующей хромомагнезиальной добавки.

2. Общие принципы получения жаростойких щелочных алюминатних вяжущих на основе техногенного алюминатного и шпинельсодержащего сырья, натриевого жидкого стекла и результаты'исследования их свойств.

3. Составы и термомеханические характеристики жаростойких бетонов на основе щелочных алюминатных вяжущих.

4. Результаты реализации предложенных технических решений в условиях, действующего производства и их технико-экскомическую эффективность .

■ Научная новизна работы:

- теоретически обоснована и практически подтверждена возможность получения Яи-ростойких щелочных алюминатных. вяжущих и бетонов; • '

- установлено. влияние основности диспе^ной фазы и дисперсионной среды на свойства щелочных алюминатных вялудах систем и определены условия регулирования физико-механкческих характеристик

искусственного камня в широком интервале температур;

- разработаны основные принципы повышения стабильности термомеханических характеристик щелочных алюминатных вяжущих как за счет регулирования состава новообразований при гидратации алюминатов кальция в присутствии натриевых жидких стекол,, так и га счет направленного синтеза термостабильных соединений при высокотемпературном взаимодействии хромомагнезиальной добавки с компонентами вяжущего;

- установлено влияние состава щелочных алюминатных вяжущих на повышение стабильности структуры материала при нагревании и показано, что снижение степени изменения открытой пористости, средней плотности и водопоглощения способствует росту термической стойкости бетонов;

- выявлена тенденция повышения температуры применения разработанных бетонов за счет увеличения силикатного модуля жидкого стекла, количества хромомагнезиальной добавки в вяжущем, а также при изменении вида используемого вяжущего в ряду: шлак производства ферробора - глиноземистый цемент - высокоглиноземистый цемент.

Практическое значение. Получены жаростойкие бетоны на основе щелочных алюминатных еяжущих и шамотного заполнителя, термостойкость которых составляет 27-69 водных теплосмен. Разработанные составы Сетонов имеют прочность 30-70 МПа, остаточную прочность после обжига при 800°С - 60-80% и по предельной температуре применения относятся к классам И12-И13. <

Реализация работы в промышленности. Разработанные составы жаростойких бетонов были внедрены.в производство при возведении защитной футеровки методических печей цеха ТЛЦ-1 Алчевского металлургического комбината (г. Алчевск, 1993 г.) и при изготовлении защитной футеровки вагонеток туннельных печей цеха ОЦШ на заводе "Керамик" (г.Киев, 1995 г.), что позволило повысить срок службы футеровки в 1.5-3 раза и получить экономический эффект в размере 104 тыс. крб.Св ценах 1393 г.) и 547880 тыс.крб.(в ценах 1995 г.).

По результатам опытно-пр'омыиленного внедрения разработан ТР 164032-21-94 "Технологический р 'ламент производства жаростойких бетонов на основе щелочных цементов, представленных глиноземистым цементом и модифицирующими добаЕкаш",

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференции "Материалы, технология, организация и экономика строительства"' (Новосибирск, 199"

г.), 52-й научно-пракгическсй конференции КИСИ (Киев, 1992 г.), Международном семинаре "Экспериментально-статистическое моделирование в компьютерном материаловедении" (Одесса, 1993 г.), Международном семинаре "Строительные материалы, изделия и конструкции со специальными эксплуатационники свойствами" (Киев, 1993 г.). Международной конференции "Экология промышленного региона" (Донецк, 1993 г.), 1-й Международной конференции "Alkaline Cements and Concretes" (Киев, 1994 г.), VII Международной научно-практической конференции ■ "Прогрессивные технологии и конструкции в строительстве" (Санкт-Петербург, 1995 г.).

Публикации.'По теме работы опубликовано 7 печатных работ.

Объем работы. Диссертацианная работа изложена на 156 страницах машинописного текста и состоит из вступления, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 151 наименования, 6 приложений и содержит 17 таблиц и 35 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время наиболее распространенными и эффективными являются жаростойкие бетоны на основе глиноземистых цементов, а также на жидкостекольных связуюших. Современные представления. о процессах получения таких жаростойких бетонов базируются на теоретических и практических работах ученых известных школ под руководством Некрасова К. Д. , Горлова Ю.П., Кузнецовой Т.В., Плюхи Н.Г., Глуховского В.Д. и др.

Жаростойкие бетоны на основе глиноземистых цементов, отличаются высокой прочностью и огнеупорностью. Однако низкая термостойкость И значительное снижение прочности при обжиге (до ЗОХ от исходной) существенно сокращают области применения таких бетонов. Таким образом, одной из наиболее актуальных проблем улучшения качества жаростойких материалов на основе алюминатных вяжущих является повышение стабильности их физико-механических характеристик при воздействии высоких температур.

Анализ физико-химических закономерностей синтеза жаростойких бетонов с использованием алюминатных вяжуащх, а также работ в области управления структурой и свойствами жаростойкого искусственного камня на основе щелочных вяжущих систем позволяет выдвинуть гипотезу о возможности получения щелочных алюминатных вяжущих и бетонов, отличающихся повышенной стабильностью физико-механичес-

- б -

них характеристик при нагревании в широком интервале температур . за счет снижения интенсивности образования гидроалюминатов кальция при твердении в присутствии соединений щелочных металлов и направленного синтеза терыостабильных огнеупорных соединений при обжиге, обеспечивающих получение структуры материала с ь^шималь-ным изменением пористости при воздействии термических нагрузок.

Для подтверждения предложенной гипотезы необходимо было решить следующие задачи:

- изучить физико-химические закономерности синтеза щелочных алюминатных вяжущих систем с использованием низкоосновных алюминатов кальция, модифицированных добавкой хроыомагнезиальной шпинели;

- установить основные принципы формирования жаростойкого искусственного камня с регулируемыми термомеханическими характеристиками на основе техногенного алюыинатного и шпинельсодержащего сырья, натриевых жидких стекол;

- разработать составы жаростойких бетонов и исследовать .их свойства;

- разработать технологию и нормативно-техническую документацию для производства щелочных жаростойких бетонов;

- произвести реализацию результатов работы в условиях действующего производства и определить технико-экономическую эффективность разработалных бетонов.

При выполнении работы использованы произведенные на Подольском опытном заводе НШДеыента минералы СА и САг. синтезированная нами при 1750°С хромомагнезиадьная.шпинель ЫгО'СггОз и технические- продукты, содержащие эти минералы: глиноземистый цемент Па-шийского цементно-металлургическогэ комбината, высокоглиноземис-тый.цемент "Талюм" Подольского опытного завода НИИПемента, высокоглиноземистый гранулированный шлак производства ферробора Новолипецкого металлургического комбината и тонкомолотая добавка из отработанных хромомагнезиальных огнеупоров Запорожского огнеупорного завода.

В качестве щелочного компонента использовали растворы ■ натриевого жидкого стекла с силикатным'модулем Мс-1.0-2.8.

При разработке составов жаростойких бетонов в качестве заполнителя использовали шамот Барановичского заЕода технических -золяторов марки 11ЖМ-10 (максимальный размер фракций - 10мм).

Предварительно, для установления принципиальной возможности

- 7 - -

получения жаростойкого искусственного камня Сыла исследована модельная система "СА - CAz - MgO-СгсОз - NaaO-nSIOs'mHzO", представленная химически чистыми соединениями. В результате проведенных исследований было установлено, что при затворении вяжущих композиций раствором жидкого стекла с силикатным модулем равным 1.0 наибольшей прочностью после пропаривания и сушки" при 100°С (60-80 МПа) и после облита при 800°С (20-SO Ша) отличаются составы с повышенным содержанием минерала САг.

При изучении влияния технологических факторов (силикатного модуля и плотности раствора жидкого стекла, минералогического состава вяжущего, условий твердения) на прочностные характеристики вяжущих композиций изучаемую область составов ограничили вершинам треугольника с содержанием минералов: Yi- 7ZCA + 43%CAz + 50ШСг; V2-10XCA + S0ZCA2; V3-45%CA + 45ХСА2 +, ЮШСг. Исследования проводили по специально синтезированному MTQ-плану, в котором смесевой треугольник перемесился по квадрату, характеризующему изменение модуля жидкого стекла от 1.0 до 2.0 и плотности раствора от 1200 до 1300 кг/м3.

Было установлено, что, независимо от изменения других факторов, повышение плотности раствора жидкого стекла всегда приводит к росту прочности образующегося искусственного камня. Наибольшей прочностью после твердения з течение 7 суток и сушки при 100°С (до 80-100 МПа) отличаются композиции с максимальным содержанием диалюмината кальция САг. затворенные раствором жидкого стекла с Мс-1.0. Повышение содержания в составе вяжущего однокальциевого алюмината СА приводит к изменению условий синтеза прочности камня: наиболее прочный материал образуется при использовании высокомодульных жидких стекол. Введение в состав'вяжущего хромомагне-зиальной шпинели MgO1СГ2О3 в количестве 25-45% способствует повышению остаточной прочности камня после обжига до уровня более 70% от исходной. При поЕыаении силикатного модуля жидкого стекла также наблюдается рост остаточной прочности композиций (до 80-100%).

Прочность аналогичных составов пропаренных при 80*5°С в течение 6 часов на 5-20% ниже прочности композиций, твердевших з естственных условие, однако установленные закономерности в основном сохраняются.

Проведенная математическая обработка результатов экспериментов позволила расположить по степени' значимости исследуемые фактора в следующей' последовательности: силикатный модуль жидкого

стекла > плотность раствора > минералогический состав вяжущего > условия твердения. Таким образом, варьирование параметров жидкого стекла оказывает значительно большее влияние на свойства щелочных апюминатных вяжущих, чем изменение минералогического состава вяжущего и условий твердения.

Общие закономерности, установленные при изучении модельной системы на основе чистых минералов СА, САг и МгО-СггОз, позволили перейти к созданию жаростойких щелочных ашоминатных вяжущих на основе технических продуктов, которые содержат указанные минералы: глиноземистого и высокоглиноземистого цементов, высокоглиноземистого шлака производства ферробора и тонкомолотой добавки из отработанных хромомагнезиальных огнеупоров.

При исследовании тепловыделения высокоглиноземистых вяжущих, затворенных растворами низкомодульных жидких стекол установлено, что индукционный период, характерный для вяжущих, затворенных ео-дой (рис.1, кр. 1 и 4) у щелочных алюшшатных вяжущих практически отсутствует (рис.1, кр.2,3,5) и снижение скорости реакции после первого экзотермического эффекта быстро сменяется наростанием скорости образования гидратных новообразований. Однако, тепловыделение гидратирующейся системы при этом значительно снижается, что свидетельствует об уменьшении общего количества образующихся гидратов.

Такой характер гидратации щелочных апюминатных вяжущих на ранних стадиях приводит к ускорению сроков схватывания, быстрому набору прочности в первые сутки ТБердения и, в дальнейшем, к значительному замедлению скорстти набора прочности по сравнению с аналогичными вяжущими, которые были затворены водой.

Установлено, что сроки схватывания вяжущих ускоряются при повышении основности алюминатов кальция и снижении силикатного модуля жидкого стекла.. Так, при затворении высокоглиноземистого цемента (на основе САс) раствором жидкого стекла с Мс-2.3 начало схватывания наступает не ранее чем через 8 часов, при Мс-2.0 -через З ч. 50 мин., при Мс-1.5 - 9 кип.. при Мс-1.0 - 6 мин. Прочность каких вяжущих через 7 суток гардения составляет, соответственно. 3, 21, 29 и 37 Ша, т.е. прочность вяжущих композиций повышается при снижении силикатного модуля жидкого стекла.

Щелочные аламинатные вяжуще- ка основе глиноземистого цемента ?СА с примесью С12Л7) быстро схЕатиБавтся (через 3-5 мин. и менее) и удовлетворительные с технологический точки зрении:. сроки

Рис. 1. Кинетика тепловыделения при гздратают вяжущих композиций на основе алюминатов кальция. Состав композздий: 1,2,3 - 907. СА? + 10% СА; 4,5 - высокоглиногемистый цемент. Затво^итель: 1,4 - вода; 2,5 - жидкое стекло плотностью р-1300 кгЛг и Мс-1.0; 3 - то же, Мс-1.5 Ра"твороЕЯжусее отношение Р/В-0.5; температура - 25°С.

схватывания достигаются при введении в высокомодульные жидкие стекла с Мс-2.0-2.8 доОавки фосфата натрия в количестве 1-5% от массы цемента. Прочность таких вяжущих в суточном возрасте соста-ляет около 40 МПа и в последующие 7 суток твердения изменяется незначительно.

По сравнению с традиционными вяжущими, в продуктах гидратации щелочных алюминатных вяжущих образуется повышенное количество гелевидной фазы состава гиббсита и замедляется образование низкс-основных гидроалюшнатов кальция. Присутствие силикатов натрия создает услоеия для синтеза в продуктах гидратации цеолитоподоб-ных гидроалюмосшшкатов натрия. Такой состав новообразований предопределяет отсутствие спадов прочности при сушке и плавное протекание процессов дегидратации при обжиге без нарушения структуры обжигаемого материала.

Наблюдающийся при сушке рост прочности щелочных алюминатных вяжущих на основе высокоглиноземистого цемента до 70-120 МПа и на основе глиноземистого цемента до 65-75 МПа обусловлен уплотнением структуры и кристаллизацией гиббсита при одновременном снижении интенсивности деструктивных яглений, связанных с конверсией гексагональных гидроалюминатов кальция в кубический СэАНб. Наиболее значительный относительный рост прочности (в % от исхадной прочности) наблюдается при сушке вяжущих, затворенных растворами вы-сокомодульнык жидг-ж стекол (Мс>2.0), в составе которых образование СзАНб.не зафиксировано. Остаточная прочность рассматриваемых вяжущих после обжига также растет с увеличением силикатного модуля жидкого стекла и при модуле больше 2.0 превышает прочность вяжущих после сушки.

При замене до БОмас.Х глиноземистого или Еысокоглиноземисто-го цемента тонкомолотой хромомагнезиальной добавкой прочность щелочных алюминатных вяжущих снижается на 5-20 МПа. Однако, полученные композиции отличаются повышенной стойкостью против воздействия еысоких температур - остаточная прочность после обжига при 800°С составляет 60-100 % от исходной, что значительно Еыше, чем у традиционных алюминатных вяжущих..

По.данным рентгенофазоЕого анализа при температурах выше 500 - 1000°С происходит взаимодействие силикатов натрия с алюминатами кальция.с образованием геленита, а также проходят реакции ••ежду алюминатной составляющей цемента и магнезиальной составляющей хромомагнезиальной добавки- с образованием алюмомагнезиальной

шпинели MgO'AlnOa. Такие изменения минералогического состава способствуют повышению стабильности прочностных характеристик щелоч-' ных алшинатных вяжущих при нагревании.

Особенностью химико-минералогического состава высокоглиноземистого шлака производства ферробора является повышенное содержание оксида бора (до 10Х) и наличие в его составе алююборатов кальция 2Са0-Вг0з'А.1г0з и о-Сай^ВгОз'AI2O3, которые образуются при замене части AI2O3 на В2О3 в структуре моноалюмината кальция. При затворении тонкомолотого шлака водой в продуктах гидратации образуются гадробораты кальция типа в-Са(НгВ0з)2'4Н20, однако при этом композиции не схватываются и.не твердеют. При использовании в качестве затворителя натриевых жидких стекол значительно снижается степень гидратации шлака и образуются натрий-кальциевые гидробораты типа улексита НаСаВгОэ'вНгО. что сопровождается затвердеванием вяжущей композиции.

При твердении в естественных 'условиях полученный искусственный камень характеризуется низкой суточной прочностью (3-5 МПа) и медленным ее ростом во времени. Благоприятные условия для синтеза прочных жаростойких композиций на основе шлака производства фер-робора и жидких стекол создаются при -'тепловлажностной обработке вяжущих. В остальном протекание процессов схватывания, твердения и изменения прочности при нагревании таких вяжушда, в основном,■ подчиняются закономерностям, установленным при изучении щелочных' атоминатных вяжущих на основе глиноземистого цемента.

Прочность искусственного камня на основе шлака производства ферробора и высокомодульньк жидких стекол (Мс-2.0-2.8) с добавкой 1.52 фосфата натрия после ТВО составляет 20-40 МПа, после сушки при 100°С - 30-50 Ша, после обжига при 800°С - 45-75 МПа. При за-менене до 50Х ферроборного шлака юнкомолотой хромомагнезиальной добавкой прочностные характеристики вяжущих сохраняются в указанных пределах. При нагревании взаимодействие магнезиальной составляющей добавки и алюминатной составляющей шлака с образованием алюмомагнезиадьной шпинели MgO'Al203 начинается уже при 500°С и сопровождается значительным упрочнением вяжущей композиции, .

Анализ процессов формирования жаростойких щелочных агоминат-ных вяжушда показывает, что повышение стабильности их гермомеха-нических характеристик-возможно как за счет регулирования состава новообразований при гидратации алюминатов кальция в присутствии натриевых жидких стекол, так и за счет направленного синтеза тер-

мостабильных соединений при высокотемпературном взаимодействии хромомагнезиальной добавки с компонентами вяжущего.

С использованием закономерностей, установленных при изучении • щелочных алюминатных вяжущих разработаны составы и исследованы свойства жаростойких бетонов на основе высокоглинозем^стого и глиноземистого цементов, шлака производства ферробора, хромомагнезиальной добавки, натриевых жидких стекол и шамотного заполни-' теля.

Полученные бетоны, при сопоставимой с традиционными бетонами начальной прочности, отличаются ростом прочности при сушке и плавным разупрочнением при нагревании. Остаточная прочность таких бетонов после обжига в 1.6 - 2 раза выше,' чем у традиционных составов.

Установлено, что исходная открытая пористость изучаемых жаростойких бетон!. . не зависит от Евда затворителя (вода, жидкое стекло) и количества хромомагнезиальной добавки в вяжущем. Однако, при нагревании наибольшее повышение пористости, а следовательно, и разрушение структуры обжигаемого материала, наблюдается у бетонов, затворенных водой (рис. 2, кр.. 1 и 5).

. При затворении бетонной смеси раствором жидкого стекла и . введении в состав вяжущего 10-50% хромомагнезиальной добавки наблюдается существенное повышение устойчивости пористой структуры жаростойкого бетола к воздействию повышенных температур (рис. 2, кр. 2-4,6-8,10,11).

Жаростойкие Сетоны на основе щелочных алюминатных вяжущих ' имеют значительно большую термостойкость, чем традиционные бетоны (табл. 1).- Сопоставление величины термостойкости разработанных бетонов й кинетики изменения их открытой пористости при нагревании позволяет сделать вывод о том, что наиболее долговечными в условиях воздействия циклических термических нагрузок являются бетоны, пористая структура которых цри нагревании претерпевает наименьшие изменения. Повышение термостойкости разработанных бетонов связано со снижением интенсивности деструктивных процессов при ' перекристаллизации и дегидратации гидроалюминатов кальция, а так-ле с формированием е продуктах обжига термостабильных гнеупорных соединений. Это достигается при повышении силикатного модуля жидкого стекла и увеличении количества хромомагнезиальной добавки, а также при изменении вида вяжущего в ряду: высокоглиноземистый цемент < глиноземистый цемент '<• ■ шлак производства ферробора.

Т^Ж 4

i 1

i z рМГМт 'tSHIi'-ieCítiie "¿w-SJ-CTipíICTIiitil JttíIJCw^CIIKCÍ'O w j'TCHSi K& OCKC¿>£ -SwIiO M í IK3.THLT\ ЕЯЖУЕШМ •

X С Г! .f С : ¿LT* H в с I * Т^ КОИ ZCCliLfCí II ШЗшС'ТКСГ'С £ ÜTI С'ЛК И Тс -

» ' t •* 1 ( СЭсДйЯЛ П. Тс'г.Ш-^—Т.'; • ••с. »»"" ic'pmo ~

l __ 1 -—1 - л с " г." , ,'d лллксгс ДсрС зрмации.°С упор- стой-

1 1 от массы стекла* ность. кость,

1

i вялушего 100°С еоо°с 100°С 1100°С начало 4% 40% °с ЦИКЛОВ

1 - — 0 вода 50.3 33.3 2030 i960 - . 1380 1430 >1600 15 '

2!гл!:ноге .SO 1.0 81.3 58.7 2150 2080 1100 1320 1340 1450 27

г(кксткй SO 1.5 78.9 45.4 2130 2110 изо 1330 1350 1470 35

4 j цемент ЕС - 2.0 55.1 35.3 2140 2130 1170 1360 1350 1500 42

i 5! О вода 25.9 10.3 2090 1990 - 1250 1350 1500 12

в|Глкксзе 10 • 2.8 70.8 28.6 2110 2070 1180 1230 1240 1350 46

7|мистый so 2.3 79.3 31.1 2140 2130 1190 1240 1250 1400 60

3|цемент 50 2.8 72.3 34.8 2160 2140 1140 1250 1260 1430 57

9! 70 2.8. 49.1 ¿Д. б - 1160 1270 1270 1450 -

i -Ю'-Херро- . SO 2.0 ■ м с оп «J. < 2110 fin« q •1 Л £Г\ a «vw * ооп 1250 1350 45

1 t i «¡"»mil "Л | -----'- 30 , 2.3 30.5 2090 2170 uso -1 О Л 1250 _ 1400 69

1

" - Г.ЛОГНОСТ1 pacTsc-pa .такого стекла p-isoo ¡;г/ъг'.

Р,%

ы.,%

4Д0

И.С 10,0

/ 1 и

к /]

т,-с

Р.Х «.о Н5 15,0

11,5 Ю.О

\

;

100 350 .600 <50 1100

т:с

Р,% щ

в —

-«и. -II- «ч

1 у

100 150 600 »да ИОО

т:с

а

г к. £

I/ ж м-

т. г

лЩШ

ш

ал

/ V

/ г

Н» 550 600 »50 ЦМ)

т,'с

юо ъео (90 «90 1100

■ 5 •

Рг.с.- ь. Влияние температуры обжига на пористость (а) и относительное изменение пористости (б)-жасостсйких бетонов на основе шелочяых алюминатных ваетцих. ' ■

Составы еяжуспх представлены в таблице 1.- .

Необходимо отметить, чгс применение жидкого стекла в качестве затворителя жаростойких Сетонов на основе алюминатных вяжущих приводит к некоторому снижению их огнеупорности и температуры деформации под нагрузкой (табл. 1). Установлено, что эти характеристики определяются, в основном, видом используемых вяжущих материалов. По максимальной температуре применения жаростойкие щелочные ашоминатные Сетоны на основе глиноземистого цемента и шлака производства ферробора относятся к классу И12, а на основе высокоглиноземистого цемента - к классу И13.

Наибольшей прочностью после сушки (56-81 МПа) и после обжига при 800°С (35-58 МПа) отличаются щелочные алюминатные бетоны на основе высокоглиноземистого цемента, в зависимости от величины силикатного модуля жидкого стекла температура деформации под нагрузкой изменяется от 1320 до 1360°С, огнеупорность - от 1450 до .1500°С, термостойкость - от 27 до 42 водньк теплосмен.

Жаростойкие щелочные бетоны на основе глиноземистого цемента в зависимости от количества хромомагнезиальной добавки имеют прочность 49-79 МПа и остаточную прочность после обжига 28-34 МПа. Температура 42-ой деформации составляет 1230-1£70°С, огнеупорность 1350-1450°С, термостойкость 40-60 теплосмен.

При использовании в качестве вяжущего шлака производства ферробора прочность бетонов после сушки составляет 30-40 МПа, а после обжига - 27-30 МПа,. термостойкость 45-69 теплосмен. Температура деформации и огнеупорность, таких бетонов несколько ниже чем у бетонов на основе алюминатных цементов и составляет, соответственно, 1230-1240°С и 1350-1400°С.

Разработанные составы жаростойких Сетонов были внедрены в производство при возведении защитной футеровки методических печей цеха ТЛЦ-1 Алчевского металлургического комбината (г. Алчевск, 1993 г.) и при изготовлении защитной футеровки вагонеток туннельных печей цеха ОЦНП на заводе "Керамик" (г.Киев, 1995 г.), что позволило повысить срок службы футеровки в 1.5-3 раза и получить экономический эффект в размере 104.5 тыс. крб. (в ценах 1993 г.) и 547880 тыс.крб. (в ценах 1995 г.).

По результатам 'опытно-промышленного внедрения разработан ТР 164032-21-94 "Технологический регламент производства жаростойких бетонов на основе щелочных цементов, представленных глиноземистым цементом и модифицирующими добавками".

- 16 -

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Изучены процессы формирования жаростойкого искусственного камня на основе щелочных апюминатных вяжущих систем и разработаны составы материалов со стабильными прочностными характеристиками в широком интервале температур. Показано, что прочность каоя определяется как основностью алюминатов кальция, так и параметрами жидкого стекла. По степени влияния на прочность исследуемые факторы можно расположить в следующей последовательности: силикатный модуль жидкого стекла > плотность раствора > минералогический состав вяжущего > условия твердения.

2. Установлено, что наиболее прочный искусственный камень синтезируется при затворенш вяжущих с повышенным содержание минерала САг (высокоглиноземистый цемент) растворами низкомодульных жидких стекол <Мс-1.0-1.5). При этом в продуктах гидратации содержится повышен..->е количество.гелевидной фазы состава гиббсита, замедляется скорость образования 1идроалюминатов кальция и создаются условия для синтеза цеолитоподобных гидроалюмосиликатов кальция. Такой состав новообразований предопределяет отсутствие спадов . прочности при сушке и плавное протекание процессов дегидратации при обжиге бег нарушения структуры обжигаемого вяжущего.

Использование глиноземсодержащих вяжущих на основе однокаль-циевого алюмината и ашомоборатов кальция (глиноземистый цемент, шлак производства ;ерроборг) приводит к изменению условий синтеза прочности камня: наиболее прочный материал образуется при использовании растворимых силикатов натрия с Мс-2.0-2.8.

3. Показано, что снижение силикатного модуля жидкого стекла и повышение плотности раствора способствует увеличению степени гидратации щелочных апюминатных вяжущих. Это является причиной развития деструктивных процессов в структуре камня при обжиге. Использование Еысокомодульных жидких стекол способствует повышению устойчивости структуры искусственного камня к воздействию повышенных температур.

4. Показано, что вводимая в состав Еяжущего тонкомолотая хромомагнезиальная добавка, не изменяя состав продуктов гидрата-ц,л, Еыполняет роль активных центров кристаллизации нох образований. При нагревании до' 1000°С и выше происходит взаимодействие апюминатных составляющих Еяжущего с магнезиальными составляющими "сбавки с образованием ашомомзгнезиальной шпинели МдО*А1г0з, что сопровождается замедлением падения прочности при обжиге.

5. Осуществлен подбор составов и исследованы специальные свойства жаростойких бетонов классов И12-И13 на основе щелочных алюминатных вяжущих и корректирующей хромомагнезиальной добавки. Установлено, что при введении в состав алюминатных щелочных ея-жущих шпинельсодержащей добагки в количестве 10 - 50 мас.% возможно получение бетонов, прочность которых достигает 60-70 МПа,

. остаточная прочность после обжига при 800-1000°С достигает 60-80Х. Температура деформации под нагрузкой таких материалов составляет' 1200-1400°С, термостойкость - от 27 до 69 теплосмен.

6. Установлена зависимость между термостойкостью и степенью изменения открытой пористости жаростойких бетонов на основе щелочных алюминатных вяжущих при нагревании. Повышение термической стойкости бетонов наблюдается при увеличении силикатного модуля жидкого стекла с 1.0 до 2.8 и возрастании количества хромомагнезиальной добавки в вяжущем до 302, а также при изменении видА вяжущего в ряду: высокоглиноземистый цемент < глиноземистый цемент < шлак производства ферробора.

7. Показано, что 01 неупорность и температура деформации под нагрузкой разработанных бетонов определяются в основном видом используемого вяжущего. Вместе с тем, повышение силикатного модуля жидкого стекла до 2.0 и увеличение до 702 содержания Еысокоогнеу-пораой хромомагнезиальной добавки в вяжущем способствует улучшению термомеханических характеристик бетонсз при одновременной экономии дефицитного и дорогостоящего вяжущего.

3. Осуществлено опытно-промышленное опробование предложенных составов жаростойких бетонов при возведении защитной футеровки методических печей цеха ГЛЦ-1 Алчегского металлургического комбината (г. Алчевск, 1993 г.) и при изготовлении защитной футеровки .вагонеток туннельных печей цеха 0Щ1 на ваводе "Керамик" (г.Киёв, 1995 г.), что позволило повысить срок службы футеровки в 1.5-3 раза и получить экономический эффект в размере 104.5 тыс. крб. (в ценач 1993 г.) и 547880 тыс.крб. (в ценах 1995 г.).

9. По результатам исследования для Ватутинского государственного огнеупорного комбината разработан и. утЕержден "Технологический регламент производства жаростойких бетонов на основе щелочных цементов, представленных глиноземистым цементом и модифицирующими добавками". .

Основные положения диссертации изложены в таких работах: . 1. Крнвенко II. В., Пушкарева Е. К., Шапетько С. В. Огнеупор-

Hue щэлочно-щелочноземельные вяжущие // Материалы, технология, организация и экономика строительства: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Новосибирск, 1992. - С. 14-15.

2. Пушкарзва Е.К., Шапетько C.B. Оптимизация составов огнеупорных вяжущих в системе "СаО-А1еОз - СаО'2А1гОз -MgO1СгсОз

- щелочной компонент" //' Тез. докл. 53-й науч.-техн. конф. КИСИ -киев: КИСИ. - 1992. - С. 25..

3. ПушкареваЕ.К., Шапетько C.B. Оптимизация составов жаростойких Еяжушда в системе "CaO-AI2O3 -СаО-2А1£Оз -MgCrСгеОз - щелочной компонент" //.Экспериментально-статистическое моделирование в компьютерном материаловедении: Тез. докл. международного семинара - Киев: Общество "Знание" Украины. - 1993. - С. 21-22

4. Кривекко П.В., Пушкарева Е.К., Шапетько C.B. Жаростойкие ¡делочно-щелочноземельные композиционные материалы, модифицированные добаЕкамк шпинели MgO1СгеОз // Строительные материалы, изделия и конструкции со специальными эксплуатационными свойствами: Тез. дскл. республиканского семинара. - Киев: Общество "Знание" Украины. - 1993. - С. 8 - 9.

5. Shapetko S.V. Studies on hydration processes and structure formation in system "CA - САг - МдО'СггОэ - NagO-nSiOü'inHsO"// AlKaline Cements and Concretes: Proc. . 1st Int. Conf. - Kiev. -19S4. - V. 1. - P. 493 - 504.

6. ПушкареваЕ.К., Шапетько C.B., Мирошниченко A.B. Жаростойкие бетоны на основе шлаков производства ферробора // "Экология промышленного региона": Тез. докл. конф. - Донецк: SKOTEX. -1993. - С. 28 - 29.

7. Кривенко П.В., ПушкареваЕ.К., Шапетько C.B. Жаростойкие щелочные элхзминагные Еяжущие и бетоны // "ПрогрессиЕМле технологии к конструкции в строительстве": Тез. докл. VII Междукар. науч.-практ. ,конф. - Санкт-Петербург, 1995. - С. £4.

АННОТАЦИЯ

Шапетько C.B. Жаростойкие щелочные ашоминатнке вяжущие я батоны.

Диссертация, на.соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности G5..23.05 - Строительные материалы и изделия. Киеьский государственный технический университет строительства л архитектуры, Киев, 1S96. ' •

Б работе теоретически обоснована 'и .практически подтвержееяа

возможность получения жаростойких щелочных алшияатных вяжущих и бетонов, установлено влияние основности дисперсной фазы и дисперсионной среды на свойства щелочьлх алюминатных вяжущих систем и определены условия повышения стабильности физико-механических характеристик искусственного камня при нагревании в широком интервале температур. Разработаны составы жаростойких бетонов классов И12-И13, термостойкость которых составляет 27-69 водных теплос-мен. Результаты работы реализованы в условиях действующего производства.

• Ключевые слова: щелочные алюминатные вяжущие, жидкое стекло, жаростойкие бетоны, стабильность термомеханических характеристик.

Shapetko S.V. Heat-Resistant Alkaline Alumínate Binders and Concretes

Ph.D.Research Work Speciality No.05.23.05 "Building Materials and Products". Kiev State Technical University of Construction and Architecture, Kiev, 1996.

It has been substantiated in theory and practice that it is possible to produce heat-resistant alkaline alumínate binders and concretes.

It has been established the Influence of the basicity of dispersed (solid) phase and dispersion (liquid) medium on the properties of alkaline alumínate binding systems. The conditions for better stability of physical-mechanical characteristics of an artificial stone, on being heated, have been determined.

The compositions of heat-resistant concretes which can be used up' to 1200-1. Э 0 С have been elaborated. Their heat resistance is 27-69 cycles of alternate heating and water cooling. The Industrial implementation of the investigation results has been accomplished. •

K?y words: alkaline alumínate binders, soluble glass, • heat-resistant concretes, stability of thermal-mechanical characteristics.