автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Жаростойкий бетон на основе алюмомагнийфосфатного связующего и высокоглиноземистых промышленных отходов

На правах рукописи

РГБ ОД

2 8 ноя гш

Абызов Виктор Алексанс - г

ЖАРОСТОЙКИЙ ГАЗОБЕТОН НА ОСНОВЕ АЛЮМОМАГНИЙФОСФАТНОГО СВЯЗУЮЩЕГО И ВЫСОКОГЛИНОЗЕМИСТЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ отходов

Специальность 05.23.05 — "Строительные материалы и изделия"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь - 2000

Работа выполнена в Южно-Уральском государственном университете.

Научный руководитель - д.т.а, профессор БЛ. Трофимов.

Официальные оппоненты: д.т.н. АЛ. Чернов.

К.Т.Н. О.А. Завьялов.

Ведущая организация ЗАО «Союзтеплострой-Челябинск».

Защита состоится «.30» июня 2000 года, в /¿^ часов, на заседайго диссертационного совета К 063.66.12 в Пермском государственном техническо\ университете по адресу. 614600, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29а, ауд. 423

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Пермского государственного технического университета.

Автореферат разослан мая 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат экономических наук,

допент

А.В. Калугин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с интенсификацией производственных процессов и разработкой новых технологий рабочие температуры тепловых агрегатов повышаются, ужесточаются требования к качеству применяемых жаростойких материалов, потерям тепла и расходу топлива. Такая тенденция наблюдается не только в России, где она усугубляется экономическим кризисом, но и за рубежом, поэтому особую актуальность приобретают вопросы разработки новых жаростойких материалов для эффективной высокотемпературной тепловой изоляции. Значительный эффект достигается при замене дорогостоящих штучных легковесных огнеупоров ячеистым жаростойким бетоном. Для его производства не требуется обжиг, возможно изготовление изделий практически любой формы и размеров, повышается уровень механизации работ и сокращаются сроки строительства.

Применение ячеистого жаростойкого бетона позволяет снизить потери тепла в окружающую среду и тем самым — расход топлива. В настоящее время существует несколько его видов на различных вяжущих. Наиболее эффективным является газобетон на основе фосфатных связующих, которые в последнее время находят все большее применение. Материалы на их основе обладают высокой прочностью при сжатии и изгибе, имеют стабильные свойства во всем интервале температур, а рабочая температура может достигать 1800 °С. Широкое применение жаростойкого фосфатного газобетона сдерживается отсутствием доступных высококачественных связующих — обычно использующиеся алюмофосфатная (АФС), хром-фосфатная и алюмохромфосфатная (АХФС) связки дороги и в настоящее время з России не выпускаются, при их производстве необходимы дефицитные хромиты, а более дешевая магнийфосфатная связка (МФС) склонна к старению (кристаллизации) и не может длительно храниться, продукты ее отверждения более легкоплавки.

Таким образом, вопросы расширения сырьевой базы для жаростойкого фосфатного газобетона за счет использования дешевых и доступных промышленных отходов и новых фосфатных связок является весьма актуальными. Одно из воз-

можных направлений снижения себестоимости — повышение качества МФС путем ее модификации введением катионов алюминия. Это позволит увеличить длительность хранения без изменения свойств, а также повысит жаростойкие свойства газобетона на ее основе благодаря присутствию более огнеупорных фосфатов алюминия.

Целью настоящей работы является разработка на основе нового алюмомаг-нийфосфатного связующего (АМФС) и высокоглиноземистых промышленных отходов жаростойкого газобетона, твердеющего без применения термообработки, со средней плотностью 400...1000 кг/м3 и температурой применения 1400... 1600 °С.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка способов получения АМФС на основе ортофосфорной кислоты и компонентов, содержащих соединения алюминия и магния.

2. Исследование основных показателей реакции взаимодействия дисперсного металлического алюминия с АМФС.

3. Исследование фазовых превращений и физико-химических процессов, протекающих при нагревании поризаванных композиций на основе АМФС и дисперсного металлического алюминия.

4. Разработка составов газобетона со средней плотностью 400... 1000 кг/м3 на основе АМФС, шамота и корундовых отходов с добавкой высокоглиноземистых отходов производства синтетического каучука.

5. Исследование физико-механических и жаростойких свойств газобетона;

6. Внедрение разработанного газобетона и определение его технико-экономических показателей.

7. Разработка рекомендаций по составам и технологии приготовления АМФС и газобетона на его основе.

Научная новизна работы

— впервые разработаны рецептура и способы получения алюмомагнийфос-фатных связок;

— изучены фазовый состав и превращения, протекающие при нагревании по-ризованных композиций на основе АМФС и дисперсного алюминия;

— исследованы физихо-механическяе и жаростойкие свойства газобетона на основе АМФС, шамота, корундовых отходов и отходов производства синтетического каучука;

— установлены основные закономерности изменения физико-механических свойств газобетона от степени замещения и количества фосфатного связующего, количества дисперсного алюминия;

— на основе полученных математических моделей разработаны оптимальные составы жаростойкого газобетона, не уступающие известным аналогам по физико-механическим и жаростойким свойствам.

Практическое значение работы состоит в том, что разработан жаростойкий газобетон на основе модифицированного ионами алюминия магнийфосфатного связующего с шамотным и корундовым наполнителями со средней плотностью 400...1000 кг/м3 и температурой применения 1400...1600 °С. Газобетон обладает высокими физико-механическими и жаростойкими свойствами, способен заменить в футеровках тепловых агрегатов дорогостоящие шамотные легковесные огнеупоры и жаростойкие бетоны на основе дефицитных технических материалов. Отличительной особенностью фосфатного газобетона является его способность гвердеть в короткие сроки в естественных условиях, без термообработки. Полученный материал отличается низкой стоимостью по сравнению с газобетоном на основе алюмофосфагного связующего.

Разработанные составы газобетона и связок переданы ЗАО "Союзтепл острой — Челябинск" (г. Челябинск) и Башкирскому филиалу ЗАО "Тегшомонтаж" (г. Уфа), где осуществляется производство изделий из жаростойкого фосфатного газобетона для изоляции стекловаренных печей. Экономический эффект за 1999 г. составил 48000 руб. Изделия из жаростойкого газобетона на апюмомагнийфосфагнсм связующем использованы для изоляции стекловаренных печей Салаватского стекольного и Томского радиолампового заводов, Смоленского завода "Стеклотара",

а также при юготовлекии фасонных элементов футеровки котлов ТЭС в г. Челябинске и области.

Разработаны рекомендации по составам, технологии приготовления и применения алюмомагаийфосфатного связующего и фосфатного газобетона на основе данного связующего, шамота, отходов производства электрокорунда и синтетического каучука.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Ш Академических чтениях "Актуальные проблемы строительного материаловедения" (Саранск, 1997); научно-технической конференции по проблемам строительного материаловедения, посвященной памяти проф. Д.И. Чемоданова (Томск, 1998); 50 научно-практической конференции преподавателей и сотрудников ЮУрГУ (Челябинск, 1998); региональной конференции "Проблемы рационального природопользования и устойчивого развития Челябинской области. Проблемы химического загрязнения территорий" (Челябинск, 1999); международной научно-технической конференции "Физико-химия и технология оксидно-силикатных материалов" (Екатеринбург, 2000).

Разработанные материалы были представлены на выставках: Ш уральской межрегиональной выставке "Теплый дом. Энергосбережение в нашей жизни" (Челябинск, 1998); IV международной специализированной выставке "Энергосбережение на промышленных предприятиях". Челябинск, 1999. ■

Автор защищает

—рецептуру и способы получения алюмомагнийфосфатных связок;

—• состав и результаты исследования свойств поризованных жаростойких фосфатных композиций на основе АМФС со степенью замещения 0,25...0,75 и дисперсного металлического алюминия, твердеющих без термообработки;

— составы жаростойкого газобетона на основе АМФС, шамота, корундовых отходов и отходов производства синтетического каучука;

— результаты исследования физико-механических и жаростойких свойств газобетона на основе АМФС, шамота, корундовых отходов и отходов производства синтетического каучука;

— результаты испытания бетонов в промышленных условиях и технико-экономические показатели.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 5 статьи и одном научно-техническом отчете.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов и приложений, содержит 178 страниц машинописного текста, 28 рисунков, 21 таблицу и список литературы из 205 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса. В мировой практике производства огнеупоров систематически повышается доля безобжиговых материалов и, соответственно, снижается доля мелкоштучных огнеупорных изделий.

Систематические исследования жаростойких бетонов в нашей стране впервые были начаты в 1940-х г.г. в ЦНИПСе, в связи с наблюдавшейся в тот момент острой нехваткой огнеупорных материалов.

В развитие основных положений теории и практики применения жаростойких бетонов в нашей стране большой вклад внесли К.Д. Некрасов и его школа в НИ-ИЖБе, группы исследователей в ЦНИИСКе, ВостИО, ВНИПИтеплопроекте, ЛТИ, МХТИ, ИОНХе, УралНИИсгромпроекге, МГСУ, КИСИ и ряде других организаций. Исследованиям области жаростойких бетонов проводят и за рубежом.

Широкое применение в различных отраслях промышленности нашли жаростойкие бетоны на портландцементе, глиноземистом и высокоглиноземистоы цементах, жидком стекле и фосфатных связующих Анализ отечественной н зарубежной литературы показывает, что для получения жаростойких вяжущих и бе-

тонов с высокой прочностью, термостойкостью и температурой применения наиболее целесообразно применение фосфатных связующих.

Одним из наиболее перспективных направлений развития жаростойкого бетона является разработка легких теплоизоляционных бетонов. При этом в значительной степени экономятся материалы, снижается масса и толщина ограждающих конструкций, сокращается расход топлива в тепловых агрегатах и потери тепла в окружающую среду, что особенно актуально в связи с постоянным ростом цен на энергоносители. Эффективной разновидностью легких жаростойких бетонов являются ячеистые. В отличие от легких бетонов, для них не требуются фракционированные огнеупорные пористые заполнители, в этом случае отсутствуют температурные напряжения, возникающие на границе цементного камня и заполнителя, они имеют меньшую материалоемкость и теплопроводность.

В ЦНИИСКе на основе ортофосфорнай кислоты (ОФК), золы-уноса и алюминиевой пудры разработан газозолобетон с плотностью 500 кг/м3 и температурой применения 800 "С. На основе ОФК, алюмохромфосфагного связующего и наполнителя из технического глинозема в ЦНИИСКе были разработаны составы ячеистого бетона со средней плотностью 800...1200 кг/м3 и температурой применения 1500 °С. Необходимость применения двухстадийной термообработки (в формах и после распалубки изделий) является существенным недостатком и ограничивает использование такого материала преимущественно изготовлением малогабаритных изделий.

В УралНИИстромлроекте получен жаростойкий фосфатный газобетон со средней плотностью 400... 1000 kt/mj и температурой применения 1400... 1600 "С/Отличительной особенностью является то, что он твердеет без применения термообработки. Вспучивание и затвердевание бетона осуществляется за счет газ о- и тепловыделения реакции взаимодействия алюминиевой пудры и ортофосфорной кислоты или фосфатных связок (алюмофосфахной, алюмохромфосфатной, магний-фосфатной) со степенями замещения 0,25... 1,0 атома водорода в кислоте.

Однако широкое применение жаростойкого фосфатного газобетона сдерживайся отсутствием доступных высококачественных связующих - обычно исполь-|ующиеся ашомофосфатная и алюмохромфосфатная связки дороги и в настоящее ¡ремя в России не выпускаются, при производстве последней необходимы дефи-штные хромиты, а более дешевая магнийфосфатная связка (МФС) склонна к ста-)ению (кристаллизации) и не может длительно храниться, продукты ее отвержде-шя более легкоплавки

Анализ литературных данных показывает, что наилучшими эксплуатационны-ш свойствами и стабильностью отличаются связующие на основе сложных фос-Ьатов (алюмохромфосфагаое, ашомоборфосфатное и другие). В наибольшей сте-шни повышает их стабильность, и соответственно, стойкость при хранении и шксималъно возможную степень замещения, а также огнеупорность, введите :зтионов А1"'+ и Сг3*. Незначительные примеси поливатентных катионов, которые югут присутствовать в техническом сырье и промышленных отходах, практиче-ки не снижая огнеупорность, также увеличивают стабильность связующих за чет комплексообразования. Применение соединений хрома нежелательно из-за ысокой стоимости и по экологическим соображениям. Кроме того, технология григстовления хромсодержащих фосфатных связующих сложна. Известно, что люмомапшйфосфатные композиции обладают высокими физико-механическими [ жаростойкими свойствами благодаря сочетанию в цементном камне фосфатов люминия и магния. .

Таким образом, анализ литературных данных и результаты поисковых иссле-ований позволили выдвинуть гипотезу о возможности улучшения стабильности 4ФС и повышении максимальной степени замещения введением модифииирую-XIIX добавок, содержащих катионы А13+. Помимо увеличения сроков хранения вязки, материалы на ее основе будут иметь большую температуру эксплуатации о сравнению с композициями на основе МФС, ввиду наличия в продуктах от-ерждения таких огнеупорных соединений, как фосфаты алюминия.

Материалы я методы исследования. В экспериментальной части работы при разработке алюмомагнийфосфатного связующего использовалась 60%-ная термическая ортофосфорная кислота по ГОСТ 10678, оксид магния марки "хч", порошок магнезитовый с содержанием МнР=75% производства АО "Комбинат Магнезит" (г. Сатка). При разработке поризоваиной композиции и подборе составов газобетона применялись алюминиевая пудра марки ПАП-2 по ГОСТ 5494, шамотный порошок и шамот тонкомологгый производства Челябинского металлургического комбината, отходы нормального электрокорунда АО "Челябинский абразивный завод", удовлетворяющие требованиям ГОСТ 20910, и отработанный алюмохромовый катализатор ИМ-2201 ОАО "Каучук" (г. Стерлигамак) по ТУ 38.103544-89. Химический состав и свойства заполнителей приведены в табл. 1,2.

Таблица 1

Химический состав заполнителей

Тонкомолотая добавка Содержание, %

А1203 БЮ2 Сг2СЬ ТЮ2 СаО МбО Ре203 Собщ к2о Ыа20 п.п.п

Шамот ! 39,12 54,82 — 0,98 0,70 0,38 4,00 — — — —

Шлам нормального але-ктрокорунда 89,16 1,96 0,60 .3,29 1,68 0,80 2,51 — — — —

Отработанный катализатор ИМ-2201 71,60 12,03 12,10 —. 0,70 •— и — 0,76 0,32 1,19

Таблица 2

Физико-механические свойства исходных материалов

Материал • Насыпная плотность, кг/м3 Удельная поверхность, см7г Огнеупорность, °С

Шамотный порошок фр. 0...5 мм 1460 — 1670

Шамот тонкомолотый 1300 2500...3000 1670

Шлам нормального электрокорунда 1500 1100 2000

Отработанный катализатор ИМ-2201 1145 2145 1900

При проведении физико-химических исследований применялись дифференциально-термический и рентгенофазовый анализы, ИК-спектроскопил. Плотность, предел прочности при сжатии, усадка, остаточная прочность и термостойкость определялись стандартными методами.

Количество образцов в одной серии устанавливалось таким образом, чтобы внутрисерийный коэффициент вариации не превышал 5 %. Эксперименты проводились с использованием методов математического планирования эксперимента, адекватность полученных на ПЭВМ моделей оценивалась по критерию Фишера

Основные результаты исследований. Связка готовилась последовательным введением расчетных количеств и А1(ОН)з в ОФК при перемешивании. Установлено, что возможны три различных способа приготовления связка По первому способу введение оксида магния обеспечивает разогрев связки до 30... 40 °С, затем добавляется гидроксвд алюминия, взаимодействие с которым протекает без дополнительного нагрева. Во втором случае с целью ускорения процесса связка подогревается после введения А1(ОН)з. Третий способ предусматривает предварительную частичную нейтрализацию ОФК гидроксидом алюминия и последующее введение взаимодействие с которым в этом случае протекает спокойнее, чем с чистой кислотой. Первый способ позволяет при производстве связки отказаться от нагревания, третий — технологичнее, так как взаимодействие протекает менее интенсивно.

С целью получения АМФС, стойкой к старению, исследовалось влияние мольного соотношения между однозамещенными фосфатами алюминия и магния при различных степенях замещения на длительность хранения связки. Установлено, что связки со степенями замещения 0,25...0,5 стабильны при любых соотношениях в течение длительного времени. Однозамещенная связка обладает наибольшей стойкостью при мольном соотношении А1(Н2РО)4: Mg(HJPO)2 не менее 1. В дальнейших исследованиях использовалась связка с соотношением, равным 1. Такая связка сохраняет свойства в течение длительного времени — 4,5 месяцев (чистая МФС стабильна в течение 5 суток, затем начинается ее кристаллизация). Обычно

использующиеся при производстве фосфатного газобетона 0,25 и 0,5-замещенньи связки могут храниться в течение 2 лет и более.

Для разработки поргоованной алюмомагнийфосфатной композиции исследо вались основные показатели реакции взаимодействия дисперсного алюминия i АМФС со степенями замещения 0Д5... 1,0. Установлено, что максимальная тем пература саморазогрева композиции составляет 170... 180 °С, минимальное врем; начала интенсивного взаимодействия составляет 2 мин. 10 сек. С увеличение», степени замещения связки снижается температура и увеличивается время начал, интенсивного взаимодействия АМФС с алюминием. При введении 3 % и боле< алюминиевой пудры образуется твердая пористая масса с размером пор 1 ...6 мм Таким образом, 0,25, 0,5 л 0,75-замещенные связки обеспечивают достаточны! для затвердевания саморазогрев композиции.

Соотношением исходных компонентов и степенью замещения АМФС можно i широких пределах регулировать время начала взаимодействия связующего < алюминиевой пудрой, температуру саморазогрева и интенсивность вспучивания.

Физико-химическими методами исследования затвердевшей алюмомагнийфосфатной композиций установлено, что после твердения они состоят из аморфных гидрофосфатов аномалия и магния и непрореагировавших частиц алюминия Конечными продуктами термических превращений при нагревании до 1400 °С являются огнеупорные соединения: AlPO* (кристобалитового и тридимитового типов), корунд и Mg3(P04)2- Последнее соединение плавится при 1357 °С, однакс наличие незначительных количеств жидкой фазы ускоряет раннее спекание бетона, что повышает его прочность. Приведенные исследования показывают, чтс превращения АМФС, отвержденного дисперсным алюминием, происходящие пр» его нагревании до 1400 °С, можно описать следующей схемой:

А1РОч *пН20 (аморфные) + Mg(H2P04)2*2H20 (аморфный) + А1

4-200°С

А1РОд (кварцевого типа) + AIPO4 (тридимитового типа) +

+ Mg(H2P04>2 (аморфный) + AI" 4-550 °C

AIPO4 (кварцевого типа) + Mg(P03)2 (аморфный) + AI

4-700 °C

AIPO4 (кварцевого типа) + Mg(PC>3)2 (аморфный) + AIP + AI 4-1000 °C

А!РОд (тридимитового типа) + Mg(P03)2 + а-Л1203 4-1400 °C ,

AIPO4 (тридимитового типа) + А1Р04 (кристобалигового типа) + + Mg3(P04)2+ а-А]20з.

При подборе составов жаростойкого фосфатного газобетона исследовалось влияние степени замещения связующего, Ж/Г отношения и количества дисперсного алюминия. Граничными условиями были приняты:

—твердение в течение 10... 30 мин без внешней термообработки;

— температура применения газобетона свыше 1300 °С при средней плотности 400... 1000 кг/м3;

— компоненты сырьевой смеси должны быть доступны и недефицитны.

В качестве заполнителей использовались шамотный порошок и шамот тонкомолотый, отходы нормального электрокорунда и отработанный алюмохромовый катализатор ИМ-2201.

С использованием методов математического планирования эксперимента были рассчитаны регрессионные зависимости, описывающие влияние Ж/Т отношения и количества дисперсного алюминия на среднюю плотность и прочность при сжатии газобетона Сопоставление полученных зависимостей позволило выбрать оптимальные составы, характеризующиеся наибольшей прочностью при сжатии при заданных уровнях плотности. В результате проведенных исследований разработаны составы газобетона со средней плотностью 400 и 600 кг/м3 (что соответствует маркам D400 и D600 по ГОСТ 20910) и порпзованного газобетона с плотностью 800 и 1000 кг/м3 (марка D800 и DI000), затвердевающего без термообработки, на

основе АМФС и шамоте с добавкой 20 % отработанного катализатора ИМ-2201 При использовании в качестве заполнителей отходов нормального электрокорун да с добавкой отработанного катализатора получен газобетон с плотностьк 600...900 кг/м3 (маркиВ600... 0900).

Для разработанных составов газобетона определялись физико-механические 1 жаростойкие свойства. Исследование изменения прочности при сжатии жаростойкого газобетона на корундовом заполнителе с добавкой отработанного ката лизатора (при средней плотности 600 и 800 кг/м3) показало, что после сушки ош возрастает до 1,5...2,65 МПа (исходная 1,2...2,4 МПа) и при последующем нагревании в интервале температур 200... 1000 сС меняется незначительно (рис.1, табл.3).

Рис. 1. Изменение прочности при сжатии, величины температурной усадки и средней плотности при нагревании газобетона на основе корундовых отходов: 1 - при средней плотности 600 кг/м3; 2 - при средней плотности 800 кг/м3

При нагревании до 1200, 1400 и 1600 "С прочность несколько понижается. Огсут-явие прироста прочности можно объяснить тем, что спекание начинается при бо-гее высоких температурах. В целом остаточная прочность соответствует фосфат-дому газобетону на алюмофосфатной связке и аналогичных заполнителях. Термостойкость повышается по мере увеличения средней плотности бетона и в зависимости от величины последней составляет 10...30 воздушных теплосмен (табл. 3). Наибольшая достигнутая термостойкость (при плотности 900 кг/м3) — 30 тепло-мен — превышает максимальную марку по термостойкости (Т225), установлен-туго для ячеистых бетонов по ГОСТ 20910,

Таблица 3

Свойства газобетонов на корундовом заполнителе

№ пУп Характеристика Состав

1 2 3 4 5 6

1 Плотность после сушки, кг/м3 600 700 700 800 800 900

2 Предел прочности при скатай через 4 часа после изготовления, МПа 1,21 1,87 1,41 2,42 1,72 1,81

3 Предел прочности при сжатии после сушки, МПа 1,52 2,18 1,62 2,65 1,80 2,01

4 Предел прочности после нагрева до предельной температуры применения, МПа 1Д7 1,98 1,59 2,12 1,50 1,93

5 Температурная усадка при предельной температуре применения, % -0,70 -0,76 -0,77 -0,80 -0,82 -0,71

б Остаточная прочность при 800 °С, % 100 99 101 100 100 102

7 Термостойкость при 800 "С, воздушные теплосмены 10 23 21 30 30 30

8 Огнеупорность, °С 1770 1770 1770 1770 1770 1770

9 Коэффициент линейного термического расширения в интервале от 20 до1000 "С, град" ЧО"* 7,3 7,56 7,61 7,86 7,84 7,89

10 Коэффициент теплопроводности при 20 °С, Вт/м-К 0,22 0,24 0,24 0,29 0,29 0,36

И Предельная температура применения, °С 1500 1600 1600 1600 160011600 1

Для уточнения процессов, протекающих в корундовом газобетоне при нагре-

вании, были проведе^ны дополнительные физико-химические исследования. Состав исходной композиции представлен заполнителем и аморфными фосфатами. При нагревай;ш происходит кристаллизация фосфатов магния и алюминия. Установлено, что при 700 °С, то есть раньше, чем в композициях без заполнителя, происходит образование метафосфата магния. Нагрев до 1000 °С обнаружил раннее образование ортофосфата алюминия кристобалитового типа, по-видимому, под влиянием заполнителя. Максимальная температура применения, назначенная по величине 2 % усадки и с учетом данных об эксплуатации ячеистого бетона на основе АФС и аналогичных заполнителей, составляет 1500 °С для марки D600 и 1600 °С для марок по плотностиD700...D900.

Исследование кинетики изменения прочности шамотного газобетона на основе АМФС показало значительный прирост прочности после сушки — 2,5... 5,2 МПа и при 200 °С — дальнейшее повышение до 2,9...6,8 МПа (рис.2). При последующем нагреве до 400, 600 и 800 "С прочность меняется незначительно, нагрев до 1000 °С и 1200 °С показал некоторое ее снижение (табл. 4).

При 1400 "С возрастает усадка, прочность повышается в среднем на 20 %, что объясняется началом спекания. Больший прирост прочности при нагревании по сравнению с газобетоном на корунде объясняется большей активностью заполнителя. Установлено, что поризованный газобетон имеет меньшую огневую усадку, что объясняется положительным влиянием крупного заполнителя — шамота фракции 0...5 мм. Прочность поризованного шамотного бетона практически не меняется в интервале температур 200... 1400 °С, что также объясняется влиянием крупного заполнителя. Термостойкость значительно выше, чем у корундового бетона— 10...12 воздушных теплосмен у газобетона (то есть марка Т210), 30 и 100 теплосмен у поршованного (см. табл. 4), что значительно превосходит наибольшее значение термостойкости, установленное для ячеистых бетонов. Установлено, что температура применения газобетона составляет 1400 °С и поризованного шамотного бетона — 1500 °С. По данным показателям материал превосходит газобетон на основе шамота и МФС я соответствует газобетону на АФС.

О 200 ■ 400 600 800 1000 1200 1400

Температура, °С

Рис.2. Изменение прочности при сжатии, температурной усадки и средней плотности при нагревании газобетона на основе шамота с добавкой отходов нефтехимии: 1 — при средней плотности 400 кг/м3; 2 — при средней плотности 600 кг/м3; 5 — при средней плотности 800 кг/м3; 4 — при средней плотности 1000 кг/м3

Из разработанного жаростойкого газобетона на основе нового — алюмомаг-(шйфосфатного связующего изготовлены изделия для изоляции стекловаренных печей ОАО "САЛАВАТСТЕКЛО", Томского электролампового завода, а также цля обмуровки низа верхних барабанов котлов ДЕ и ДКРВ при проведении ремонтных работ на ТЭС г. Челябинска и области. Экономический .эффект от замены алюмохромфосфатной связки разработанной АМФС на 1 м* газобетона со-

ставляег 3486 руб. Фактический эффект в 1999 г. ло ЗАО "СОЮЗТЕПЛОСТРОР составил 48000 руб

Таблица

Свойства газобетона на шамотном заполнителе

№ п/п Характеристика Состав

1 2 3 4

1 Плотность после сушки, кг/м3 400 600 800 1000

2 Предел прочности при сжатии через 4 часа после изготовления, МПа 1,2 2,2 2,6 4,0

3 Предел прочности при сжатии после сушки, МПа 2,5 3,0 3,3 5,2

4 Предел прочности после нагрева до предельной температуры применения, МПа 3,4 3,5 1,9 4,5

5 Температурная усадка при максимальной температуре службы, % ->0,50 -0,65 -0,30 -0,75

6 Остаточная прочность при 800 °С, % 120 107 70 123

7 Термостойкость при 800 "С, воздушные теплосмены 10 12 30 100

8 Огнеупорность, °С 1600 1600 1600 1600

9 Коэффициент линейного термического расширения в интервале от 20 до1000 °С, град"1-10"6 7,21 7,38 7,87 6,12

10 Коэффициент теплопроводности при 20 °С, Вт/м-К 0,09 0,14 0,16 0,25

11 Предельная температура применения, °С 1400 1400 1500 1500

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований на основе алюмомагнийфосфатн» го связующего, шамота и корунда с добавкой отходов нефтехимии разработа ны составы и технология изготовления жаростойкого газобетона со средне! платностью 400.. ЛООО кг/м3 и температурой применения 1400... 1600 °С.

2. Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность улучшения свойств магнийфосфатного связующего за счет введения катионов алюминия. Разработан новый вид связующего — алюмомагнийфосфатное, отличающее-

I от МФС большей стойкостью к хранению и меньшей стоимостью по сравне-июсАФСиАХФС.

3. Установлено, что наибольшей стойкостью к старению, вероятно, благодаря омплексообразованию, обладают алюмомагнийфосфатные связки с мольным со-гношением А1{Н2Р04>3. Г^СНгРО^ не менее 1.

4. Предложены 3 способа получения алюмоматнийфосфатного связующего азличного состава, позволяющие значительно уменьшить затраты на нагрев вязки и упростить ее приготовление за счет энергии, выделяющейся при нейтра-изации ОФК соединениями алюминия и магния.

5. Разработаны поризованные алюмомагнийфосфатные композиции, вспучи-ающиеся и затвердевающие без термообработки за счет газ о- и тепловыделения ри прохождении реакции между связующим и алюминиевой пудрой.

6. Установлено, что время начала интенсивного взаимодействия алюмомаг-ийфосфатного связующего с дисперсным алюминием и температуру смеси мож-о регулировать соотношением компонентов и степенью замещения связующего.

7. Физико-химическими исследованиями установлено, что в процессе нагрева-ия разработанных поризованных композиций каких-либо деструктивных явле-ий не наблюдается. Конечными продуктами после нагревания до 1400 °С являйся стабильные огнеупорные соединения — а-А120з, А1РОд кристобалитового и

РИДИМИТОВОГО ТИПОВ И М§(Р04>2.

8. Установлено, что основные физико-механические свойства газобетона мож-о регулировать степенью, замещения связующего, Ж/Т отношением и количест-ом дисперсного алюминия. Рассчитаны регрессионные зависимости, количест-енно описывающие влияние Ж/Т отношения и количества дисперсного алюми-ия на среднюю плотность и прочность при сжатии газобетона. Установленные зкономерности позволяют получать жаростойкий газобетон с заданными свойст-ами.

9. С использованием полученных зависимостей на основе АМФС, шамота и шама нормального корунда с добавкой алюмохромовых отходов нефтехимии

разработаны состаЬы жаростойкого газобетона со средней плотность«: 400...1000 кг/м3.

10. Установлено, что разработанные бетоны, в зависимости от состава и плотности через 4 часа после затвердевания имеют прочность:

-шамотные 1,2—4,0 МПа;

-корундовые 1,2... 2,<4 МПа.

После сушки прочность возрастает и незначительно снижается при нагреваю« до температуры применения.

11. Термостойкость газобетона на основе корунда в зависимости от плотносп составляет 10...30 воздушных теплосмен, на основе шамота — 10... 100.

13. Установлено, что основными конечными фазами после нагревания корундового газобетона до 1400 °С являются а-А120з, AIPO4 кристобалитового типа которые формируются при меньших (чем в поризованных композициях) температурах под влиянием заполнителя.

14. На основании выполненных исследований назначены следующие максимальные температуры применения: для шамотного газобетона —- 1400... 1500 °С. для корундового— 1500...1600 °С.

15. Разработаны рекомендации по технологии приготовления АМФС и жаростойкого газобетона ца ее основе.

16. Изделия из разработанного фосфатного газобетона использованы в качестве элементов -тепловой изоляции стекловаренных печей и котлов ТЭС. Экономический эффект в 1999 г. от замены алюмомагнийфосфатной связкой АХФСпри производстве изделий для тепловой изоляции стекловаренной печи ОАО "САЛАВАТСТЕКЛО" и обмуровки котлов ТЭС г. Челябинска составил 48 000 руб:

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Трофимов Б.Я., Абызов В.А. Жаростойкий газобетон на алюмофосфатном и лкшокальцийфосфатном связующих // Актуальные проблемы строительного ма-ериаловедения: Сб. тр. Всерос. научн.-техн. конф. —Томск: ТГАСУ, 1998. — :. 96-97.

2. Трофимов Б.Я., Абызов В.А. Разработка фосфатного связующего для жаро-гойкого газобетона // Строительство и образование: Сб. науч. тр. — Екатерин-ург: УГТУ, 1998. —С. 181-185

3. Абызов В.А., Трофимов Б.Я. Эффективные теплоизоляционные жаростой-ие материалы на основе промышленных отходов // Проблемы хишгческого за-рязнения территорий Челябинской области: Сб. науч. статей. — Челябинск: Гос. ом. охраны окружающей среды Челябинской области, 1999. — С. 20-21.

4. Получение экспериментально-теоретических зависимостей свойств строи-гльных конгломератов: Отчет о НИР: ВНТИЦентр. Руководитель Трофимов Б.Я. - № ГР 01.980006116, Инв. № 02990003667. - Челябинск, 1999. - 37 с.

5. Абызов В.А., Трофимов Б.Я. Разработка фосфатного связующего для жаро-гойкого газобетона // Вестник УГГУ:-№ 1. Физико-химия и технология оксидно-иликагных материалов: Сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. — Екатеринбург: ТТУ, 2000. — С. 105-107.

6. Абызов В. А., Трофимов Б.Я. Жаростойкий фосфатный газобетон // Строи-гльство и образование: Сб. науч. тр. — Екатеринбург, УГТУ, 2000. — Вып. 3. — :. 112-114.