Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Краткие сведения из истории создания жаростойких теплоизоляционных материалов 10
1.2. Методы изготовления лёгких и ячеистых жаростойких бетонов, пено- бетнов 17
1.3. Дисперсное армирование бетонов, фибробетоны 21
1.4. Суперпластификаторы, как эффективные водопонижающие добавки.. 26
1.5. Постановка задач исследования 33
Глава 2. Методика исследования и характеристика материала
2.1. Выбор материала 36
2.1.1. Глинозёмистый цемент 36
2.1.2. Добавки 44
2.2. Методы исследования 54
Глава 3. Подбор состава жаростойкого пенобетона, модифицированного суперпластификатором С-3 61
3.1. Влияние расхода компонентов на свойства жаростойкого пенобетона
3.1.1. Исследование влияния концентрации пенообразователя 63
3.1.2. Исследование влияния суперпластификатора С-3 72
Глава 4. Подбор состава жаростойкого фибропенобетона 92
Глава 5. Физико-химические исследования гидратации глинозёмистого цемента 116
5.1. Влияние суперпластификатора С-3 на прочность цементного камня и реологические характеристики цементного теста 116
5.2. Физико-химические исследования процесса гидратации С А, СА2 и глинозёмистого цемента без С-3 118
5.3. Физико-химические исследования глинозёмистого цемента с С-3 125
Глава 6. Исследования физико-механических характеристик жаростойкого фибропенобетона различной средней плотности 130
6.1. Прочность при сжатии до и после нагревания 131
6.2. Усадка жаростойкого фибропенобетона 137
6.3. Температура начала размягчения 139
6.4. Термическая стойкость 140
Общие выводы 143
Библиографический список 146
Приложения 168
- Краткие сведения из истории создания жаростойких теплоизоляционных материалов
- Исследование влияния концентрации пенообразователя
- Физико-химические исследования процесса гидратации С А, СА2 и глинозёмистого цемента без С-3
- Прочность при сжатии до и после нагревания
Введение к работе
Российская Федерация располагает значительными запасами энергетических ресурсов и мощным топливно-энергетическим комплексом, который является базой развития экономики, инструментом проведения внутренней и внешней политики. Однако энергоемкость российской экономики существенно выше соответствующих показателей в других государствах при высоком уровне энергопотребления на человека, производства продукции и предоставления услуг комфорта (тепла, освещенности и др.)- На современном этапе, энергоёмкость России в 2-3 раза превышает удельную энергоёмкость экономики развитых стран. Причинами такого положения, являются сформировавшаяся в течение длительного периода времени структура промышленного производства и нарастающая технологическая отсталость энергоёмких отраслей промышленности. До 25% всей произведенной энергии теряется. Общий объем потерь консервативно оценивается в 350 млн. тонн условного топлива, из которых:
около 60 млн. тонн условного топлива - при производстве электроэнергии;
около 80 млн. тонн условного топлива - при потреблении энергии отраслями промышленности;
около 80 млн. тонн условного топлива - при производстве, передаче и распределении тепловой энергии;
около 130 млн. тонн условного топлива - непроизводительные энергопотери в зданиях [191].
Работа промышленных тепловых агрегатов и печей связана с потерями тепла в окружающую среду, а также значительное количество тепла теряется на аккумуляцию стенами. Эти потери можно намного сократить, если уменьшить теплопроводность ограждающих конструкций причем, тем значительнее, чем выше теплоизоляционные свойства используемых материалов. Тепловая изоляция предназначена для уменьшения потерь тепла в окружающую среду, создания устойчивых условий работы промышленных печей, устранения пожарной
опасности, а также для обеспечения нормальных условий труда [93].
Чаще всего для теплоизоляции применяют дорогостоящие легковесные огнеупоры и штучные изоляционные материалы. Индустриализация монтажных работ при этом затруднена. Их изготавливают путем обжига отформованных изделий, а это требует дополнительных затрат и удлиняет технологический цикл. Предприятия, выпускающие легковесный шамот - основной вид теплоизоляционного материала, не в состоянии покрыть потребность строителей. Поэтому вопрос о производстве новой, более эффективной теплоизоляции является очень острым. К таким материалам относятся жаростойкие легкие и ячеистые бетоны [94].
Замена штучной кирпичной огнеупорной кладки блоками из жаростойкого бетона позволяет значительно сократить ручной труд, снизить стоимость, уменьшить продолжительность строительства и ремонта тепловых агрегатов, повысить их надёжность и долговечность. Применение жаростойкого бетона позволяет в три - четыре раза сократить сроки строительства и существенно снизить его стоимость. Целесообразность использования жаростойкого бетона, заключается в возможности изготовления механизированным способом крупных безобжиговых блоков и панелей или создания монолитной футеровки. Ремонт частично изношенной футеровки может производиться без остановки печей на длительное время для полной перекладки. Снижается расход дорогостоящих фасонных изделий и значительно удлиняется срок службы агрегата [93, 94].
Не менее важным фактом является и возможность применения для производства жаростойкого бетона побочных продуктов отраслей промышленности, а также вторичное использование огнеупоров. Это снижает расход дорогостоящих материалов, транспортные расходы и энергозатраты, способствует улучшению экологической обстановки.
Совершенствование технологии возведения тепловых агрегатов путём перехода на блочные сборные конструкции отвечает требованиям ускорения научно-технического прогресса, ускорение темпов строительства в 3 - 4 раза, снижение стоимости на 20 - 40%. При замене фасонных огнеупорных изделий жаростойким бетоном эффект возрастает в 4 - 5 раз.
По данным английской фирмы STIL К0 OFF WELS на ремонт футеровки шахты доменной печи методом торкретирования затрачивают около 400 тонн бетонной массы, а для проведения аналогичного ремонта кирпичной кладкой приходится выламывать около 600 тонн кирпича старой кладки и вновь укладывать около 1000 тонн кирпича. Что касается монтажа, то если трудоемкость кладки 1 м3 кирпича закругленных стен и сводов принять за единицу, то трудоёмкость монтажа 1м бетонных конструкций в 10 - 12 раз меньше [41].
Жаростойкий бетон нашел применение в черной и цветной металлургии, нефтеперерабатывающей, химической, целлюлозно-бумажной и авиационной промышленности, в производстве строительных материалов и в других отраслях народного хозяйства.
Жаростойкий бетон укладывают в фундаменты при сооружении доменных и других промышленных печей. Из него строят печи для сжигания серного колчедана и обжига руд цветных металлов, воздухонагреватели доменных печей, печи нефтеперерабатывающей промышленности, туннельные и кольцевые печи, термические печи и т.д.
Опыт строительства и эксплуатации печей и строительных конструкции из жаростойкого бетона и железобетона показывает, что он является весьма перспективным материалом. Применение его даёт возможность создавать новые, более производительные тепловые агрегаты.
В таких странах как США, Япония, Англия, Франция и др., наиболее широкое применение для изготовления жаростойкого бетона имеют обычный глиноземистый и высокоглиноземистый цементы.
Бетон на алюминатных цементах обладает высокой прочностью, термостойкостью, шлакоустойчивостью, химической стойкостью в восстановительной среде с высоким содержанием СО и Н2. Так, по данным Т.В. Кузнецовой [71] бетоны на особо чистом высокоглинозёмистом цементе и заполнителе из боя высокоглинозёмистого кирпича и электрокорунда имеют остаточную прочность после нагревания до 1300 С соответственно: 25 и 21,Ъ МПа (76 и 80% первоначальной); термическую стойкость 60 и 45 водных теплосмен; что говорит о высоких эксплуатационных качествах этого бетона и возможности его применения в самых различных тепловых агрегатах. В настоящее время жаростойкие бетоны на алюминатных цементах применяют в тепловых агрегатах металлургической промышленности, как в виде монолитного бетона, так и конструкций из сборных элементов.
Монолитные футеровки наиболее часто применяются в нагревательных колодцах и печах с выдвижным подом. Замена огнеупорной кладки жаростойким бетоном при сохранении толщины стен, равной 500 - 600 мм, ведёт к неоправданно большому расходу материала и увеличению массы, в связи с чем, такая замена для больших печей нецелесообразна. Многослойные конструкции экономичней, позволяют снизить толщину стен примерно на 1/3 при значительном уменьшении массы конструкций и соответствующей экономии огнеупоров.
Зарубежный опыт показывает, что применение жаростойкого бетона на высокоалюминатных цементах постоянно расширяется. Обусловлено это, как большим количеством разновидностей цемента, предназначенных для самых различных футеровок сборных и монолитных печей, так и хорошо продуманными проектами печей из жаростойкого бетона, отработанной технологией изготовления сборных элементов, возведения и ремонта печей. Так, например, во Франции получили распространение 6 видов цемента с различными сроками твердения и температурой применения [43,72]. В прокатном производстве это методические печи, печи с выдвижным подом, нагревательные колодцы (крышки и опорный пояс), горелочные камни. Применяют бетоны и в доменном производстве - футеровка кауперов, шахты доменных печей и трубопроводов, в коксохимическом производстве — двери коксовых печей, в электросталеплавильном производстве - для футеровки свода [94].
Вагонетки туннельных печей огнеупорного производства в Румынии показывают стойкость бетонной подины в 2 - 3 раза выше, чем у кирпичной
[196,113, 232].
В целом можно сделать вывод, что высокоалюминатные цементы успешно применяются во многих странах. В России также имеются примеры успешного использования бетонов на основе глинозёмистого цемента [44, 47, 71, 116], в том числе и бетонные смеси, разработанные в ГОУВПО «ИГАСУ» для Челябинского металлургического комбината и Карагандинского металлургического комбината, успешно испытанные в производственных условиях [135-137, 140-144].
Можно назвать значительное количество исследований, посвященных разработке легких жаростойких бетонов на основе различных связующих и пористых заполнителей: керамзита, перлита, вермикулита и пр. Однако большинство из них имеют объемную массу и коэффициент теплопроводности выше, чем у эффективных шамотных легковесов ШЛ-0,6 и ШЛ-0,8 или более низкую температуру службы [95-97, 99].
Практика строительства показывает, что ячеистые бетоны (в частности газобетон и пенобетон) экономически значительно белее эффективны, чем легкие бетоны на пористых заполнителях.
Из газобетона и пенобетона изготавливаются крупноразмерные ограждающие конструкции и теплоизоляционные изделия. Хорошо отработанная заводская технология ячеистых бетонов позволяет изготавливать изделия со средней плотностью, от 300 до 1200 кг/м , при прочности от 0,8 до 15 МПа.
Наряду с многочисленными и всесторонними исследованиями, посвященными обычным ячеистым бетонам, до настоящего времени проведено, сравнительно мало работ по жаростойким ячеистым бетонам. Можно назвать жаростойкие пенобетон и газобетон на портландцементе с температурой службы 800С и жаростойкий газобетон на основе растворимого стекла [173], последний из них является наиболее эффективным, он изготавливается на основе нового вида автоклавного вяжущего (силикат - глыбы и нефелинового шлама) и тонкомолотого шамота. Их температура службы 1000 - 1200С, при средней плотности 600-800 кг/м , но они неустойчивы в восстановительной среде с высоким содержанием СО и Н2, и, кроме этого, их изготавливают из многокомпонентных смесей, требующих раздельного помола компонентов, а газобетон подвергают автоклавной обработке, что в совокупности значительно усложняет технологию и требует больших энергозатрат.
Пенобетон, без сомнения, один из самых перспективных и привлекательных строительных материалов. Блоки из ячеистого пенобетона в корне меняют взгляд на строительство: при низкой себестоимости этот экологически чистый материал обладает высокими теплоизоляционными параметрами, низкой плотностью, огнестойкостью и является одним из эффективных материалов, в использовании, которого современное строительство весьма нуждается.
Независимо от принятой технологии, в том числе от условий и режимов твердения, традиционными недостатками ячеистых бетонов остаются низкая сопротивляемость растягивающим напряжениям и повышенная хрупкость, в результате чего изделия приобретают нежелательные сколы и трещины при изготовлении, транспортировании, монтаже и эксплуатации. Неавтоклавные ячеистые бетоны характеризуются к тому же высокой усадкой, что приводит к интенсивному трещинообразованию и даже разрушению изделий. Радикальным способом устранения указанных недостатков является дисперсное армирование ячеистого бетона полимерными волокнами, обеспечивающее существенное улучшение прочностных и деформативных свойств материала, а также повышение эксплуатационной надёжности изделий [119].
Более перспективным представляется применение для дисперсного армирования стеклянного и алюмосиликатного волокон, обладающих достаточно высокой температурой службы.
Но, введение фибры приводит к увеличению водотвердого отношения, что снижает прочность и термостойкость бетона. Способом снижение водотвердого отношения может служить применение пластифицирующих добавок.
Краткие сведения из истории создания жаростойких теплоизоляционных материалов
К числу первых в стране исследований, посвященных разработке жаростойких бетонов, следует отнести работы В.М. Москвина и В.В. Кураева, проведенные в 1933 - 1934 г.г. [103].
Несколько позднее, целым рядом советских ученых: П.П. Будниковым, Д.З. Ильиным [20], Г.М. Рущуком [125], И.Е. Гурвичем [26] и другими были исследованы вопросы влияния высоких температур на цементный камень.
Начало систематических и всесторонних исследований положено в 40-х годах в ЦНИПС. Эти работы, проведенные К.Д. Некрасовым, В.И. Мурашовым, Ф.И. Мельниковым, А.П. Тарасовой, Г.Д. Салмановым, В.В. Колтуновой, Э.Г. Оямаа, B.C. Сасса, М.Г. Масленниковой, А.Е. Федоровым, М.Г. Ячмене- вым, С.К. Лисиенко, И.М. Залесской, Г.Н. Александровой, С.А. Эпштейном и другими, позволили выявить физико-химические процессы, происходящие в цементном камне на основе глиноземистого цемента, портландцемента, жидкого стекла и фосфатных связок, при воздействии высоких температур. Определены основные физико-механические свойства жаростойких бетонов на этих связующих с различными видами тонкомолотых добавок и заполнителей.
В результате были разработаны и внедрены в строительство жаростойкие бетоны на портландцементе [92, 94, 127], глиноземистом и высокоглиноземистом цементах [79, 81, 189], на жидком стекле [77, 98, 129, 151], на алюмофос- фатной связке [5, 128].
Первые теплоизоляционные бетоны, вошедшие в практику строительства в нашей стране, обладали весьма низкими жаростойкими свойствами. Так с 1930 г. стал применяться термоизоляционный пенобетон [178], а в период с 1935 г. по 1939 г. наиболее систематические исследования по разработке технологии получения газобетона были проведены H.A. Поповым [115]. Им получен неавтоклавный газобетон на одном цементе с применением в качестве газооб- разователя алюминиевой пудры. Расход цемента составлял 400-500 кг/м3, но прочность газобетона была низкой (до 0,8 МПа ). Большая усадка вызывала трещины в изделиях. Одновременно И.Т. Кудряшовым был получен ячеистый бетон, обладающий хорошими теплоизоляционными и конструктивными свойствами. Эти теплоизоляционные материалы могли использоваться при обычных и повышенных температурах, не превышающих 300 С, т. к. более высокие температуры при постоянном воздействии приводили к разрушению изделий.
Целенаправленной разработкой жаростойких теплоизоляционных материалов в ЦНИПС начали заниматься с 1947 г. К.Д. Некрасовым и М.Я. Кривицким [64, 65, 96] в 1947-49 гг. производились исследования по жаростойким ячеистым бетонам. Был рекомендован состав неавтоклавного пенобетона, способного выдерживать длительное воздействие температуры до 700 С и имеющего прочность при сжатии 1-1,2 МПа и среднюю плотность 600-800 кг/м3, а также автоклавный пенобетон, имеющий температуру службы до 800 С. При этом введение добавки золы-уноса обеспечивало им жаростойкие свойства. Автоклавный пенобетон со средней плотностью 800 кг/м3 имеет прочность при сжатии 3,6 МПа, а при нагревании до 800С - 2,0 МПа. В дальнейшем В.В. Колтуновой [59, 120] производились исследования по разработке составов легких жаростойких бетонов на жидком стекле и портландцементе с использованием тонкомолотой добавки и заполнителей из топливного шлака. В НИИЖБ М.Г. Масленниковой были разработаны, как легкие теплоизоляционные жаростойкие бетоны со средней плотностью 600 - 1000 кг/м и прочностью при сжатии 1,5 - 7,5 МПа, так и конструктивные со средней плотностью 1000 - 1500 кг/м3 и прочностью при сжатии от 10 до 25 МПа. В качестве вяжущего были применены глиноземистый цемент, портландцемент и жидкое стекло, заполнитель - керамзит, вермикулит или перлит [77, 97, 99]. Бетон с керамзитовым заполнителем на портландцементе может быть применен при температуре службы до 1000 С, а на жидком стекле не выше 800С. Вермикулитобетон на портландцементе рекомендуется до температуры 1200 С, а на жидком стекле до 800 С. Работы по созданию жаростойкого ячеистого бетона на портландцементе были продолжены в НИИЖБ С.К. Лисиенко. Для придания жаростойких свойств в состав вводили тонкомолотые добавки шамота, гранулированного шлака, золы-уноса и пр. Прочность жаростойкого газобетона с добавкой шамота после автоклавной обработки - 4 МПа, при средней плотности 600 кг/м3. В Иркутском филиале Гипронефтемаш Ю. К. Карпюком [50] начиная с 1960 г. проводятся исследования по разработке составов теплоизоляционных жаростойких бетонов с применением в качестве заполнителей местных материалов: вспученного перлита и газогенераторных шлаков. В качестве вяжущих применены портландцемент, глиноземистый цемент и жидкое стекло с крем- нефтористым натрием, в качестве тонкомолотой добавки - зола-уноса. На портландцементе получены составы жаростойкого перлитобетона со средней плотностью в пределах 800 - 1100 кг/м и прочностью при сжатии 5-7 МПа. Отрицательными свойствами перлитобетона на портландцементе являются значительное снижение прочности после нагревания и низкая термическая стойкость. При нагревании перлитобетона прочность его падает во всем интервале температур и особенно после 800 С, при этом на образцах появляется много трещин. Испытание различных составов перлитобетона на глиноземистом цементе показало, что данный бетон независимо от расхода цемента имеет низкую остаточную прочность после нагревания при 800С, порядка 0,2-2 МПа при средней плотности 500 - 900 кг/м , вследствие значительного снижения прочности глиноземистого цемента в этом интервале температур. Перлитобетон на жидком стекле имеет прочность при сжатии в высушен ном состоянии 5-10 МПа при средней плотности в пределах 700 - 900 кг/м . Остаточная прочность после нагревания при 700 С не опускается ниже 60% от первоначальной, при нагревании выше 800С прочность начинает заметно снижаться и наблюдается оплавление образцов. По сравнению с составами на портландцементе перлитобетон на жидком стекле имеет преимущество - полное отсутствие трещин после нагревания. Для тепловой изоляции печей гомогенизации на Куйбышевском металлургическом заводе им. В.И. Ленина был применен керамзитоперлитобетон. В качестве крупного заполнителя использован керамзит со средней плотностью 230 кг/м3, а в качестве мелкого заполнителя использован перлитовый песок со средней плотностью 67 кг/м3. Теплоизоляционный жаростойкий керамзитоперлитобетон, разработанный в институте НИИкерамзит Я.Д. Коростышевским, по своим теплофизиче- ским свойствам не уступает перлитобетону, и в тоже время достигается значительный экономический эффект [62].
Исследование влияния концентрации пенообразователя
В жилищном строительстве используют трёхслойные стеновые панели, размером 3,7 х 1,9 м и толщиной 150 мм, наружные слои которых выполнены из фибробетона, такие панели отличаются высокой трещиностойкостью. Применение фибробетона для аэродромных покрытий позволяет вдвое уменьшить толщину по сравнению с толщиной покрытия из обычного бетона. Полагают, что в будущем фибробетон найдёт применение при устройстве полов промышленных зданий, в сейсмическом строительстве, на ракетных полигонах.
Прочностные и деформативные свойства фибробетона при многократно повторных нагрузках, что также происходит и при знакопеременных температурных деформациях, при испытаниях на термическую стойкость, рассматриваются в статье Г.Е. Лагутина [74].
Усталостные испытания фибробетона на базе (1+5) 105 циклов повторения нагрузки с целью изучения влияния длины, диаметра, процентного содержания отрезков (параметров арматуры) проводились на образцах размерами 7 х 7 х 28 см, исследование зависимости относительного предела выносливости проводились на образцах размерами 10 х 10 х 40 см на базе 1-7 млн циклов нагружения.
Установлено, что при армировании песчаного бетона проволокой, диаметром 0,3-Ю,4 мм, длиной 20-К30 мм при содержании 1-К2 %, повышение абсолютного предела выносливости фибробетона составляет 12-45 %, а число выдержанных циклов до разрушения - 30- 40 %.
При ремонте различных сооружений дисперсно армированный набрызг- бетон может найти широкое применение. Это очень перспективное направление может быть использовано и для ремонта различных нагревательных печей, которые в настоящее время повсеместно ремонтируют методом, как холодного, так и горячего (факельного) торкретирования, однако до настоящего времени применяются для этой цели обычные жаростойкие бетоны и набивные огнеупорные массы без дисперсного армирования.
При торкретировании отрезки дисперсной арматуры подают в бетонную смесь непосредственно перед её нанесением. При введении в бетонную смесь, например, отрезков стальной проволоки, по данным авторов, его прочность на сжатие увеличивается на 10-20 %, прочность на растяжение - на 30 %, предельные деформации при разрушении в 10 раз. Повышается трещиностойкость бетона, разрушение бетона перестаёт быть хрупким [228].
В Великобритании [195] при реконструкции одной из пристаней на Темзе был использован портландцемент, армированный щелочестойким волокном. Отрезки пучков стеклоровинга имели длину 25 мм, что обеспечивало хорошую прочность материала на срез, скручивание и сжатие. Использовали также волокно «Kevlar 49», которое укладывали непрерывно в одном направлении, благодаря чему достигалась высокая прочность материала на растяжение и продольный изгиб. Были применены ребристые панели размерами 3,25 х 0,6 м и толщиной 8 мм при высоте рёбер 158 мм. Масса одной панели составила всего 35 кг. Панели использовали в качестве несъёмной опалубки для железобетонных конструкций пристани. Благодаря хорошему сопротивлению материала панелей раскрытию трещин и его высокой прочности на удар стержневая арматура пристани не нуждалась в защитном слое бетона. По сравнению с более традиционным вариантом такое решение позволило на 60 % уменьшить стоимость всех работ по реконструкции пристани. Стеклоцементные панели как несъёмная опалубка для возведения крупных монолитных сооружений оказались весьма эффективным материалом.
Результаты исследований свойств дисперсно армированного стеклянным щелочестойким волокном бетона, способы производства изделий, к которым относятся методы набрызга (торкретирования), литья, экструзии, центрифугирования, прессования представлены в публикации «Glassfibre reinforced cement composites» [203]. По условиям надёжности конструкций подобраны составы материала с расчётным напряжением на изгиб до 6,0 МПа, на растяжение - до 3,0 МПа. Средняя плотность материала после сушки при содержании волокон 5% (по массе) и песка 25 % - 1700-1900 кг/м , усадка зависит от содержания песка и колеблется в пределах 0,06 - 0,15 %.
В Исследовательском институте строительной техники (Индия, город Мадрасе) [225] проводятся широкие исследования бетона, армированного волокнистыми материалами. Рассматривались механизм нарушения сцепления и выдёргивания волокнистой арматуры из бетона, а также главные факторы, влияющие на это. Выявлена функциональная зависимость между напряжением в бетоне и силами сцепления волокна с цементным камнем.
Выявлено, что оказывают влияние следующие факторы: доля волокон в объёме армированного бетона, напряжение сцепления арматуры с бетоном, диаметр волокон. Отсутствие проскальзывания волокна в бетоне зависит и от его длины. Если длина волокна меньше «критической длины», волокно при трещинообразовании в бетоне выдёргивается, а если больше - волокно разрывается.
Исследования показали, что во избежание нарушения сцепления арматуры с бетоном в начале трещинообразования модуль упругости волокна должен быть больше модуля упругости бетона.
Значительное повышение прочности армированного бетона достигается при применении графитового волокна, а также при применении, например, отрезков проволоки периодического профиля с загнутыми концами, подвергнутых специальной термической обработке (нагрев до красного каления и охлаждение на воздухе). Считают, что одним из главных факторов, влияющих на состояние сцепления арматуры с бетоном, является качественный показатель арматуры, равный отношению длины волокна к диаметру.
Обзор, краткое описание и оценка существующих теорий и методов расчёта фибробетона [193] свидетельствует о том, что в большинстве случаев исходным параметром для расчёта является расстояние между отрезками армирующих волокон. Установлено, что зависимость между моментом образования трещин в фибробетоне и расстоянием между волокнами, обычно рассматривается при армировании бетона длинными волокнами, ориентированными в направлении действия напряжений и не приемлема при армировании бетона беспорядочно расположенными короткими волокнами. Приведённые уравнения для определения прочности фибробетона на растяжение и изгиб были использованы для прогнозирования напряжений при образовании трещин и предельных напряжений при растяжении и изгибе. Результаты расчёта сопоставляли с опытными данными. Для фибробетона, армированного отрезками волокон длинной менее «критической величины», теоретическая предельная прочность на растяжение и изгиб меньше экспериментальных данных. Это лишний раз свидетельствует о том, что наиболее достоверными являются результаты испытаний образцов материала, подвергнутые математико-статистической обработке, позволяющие получить характеристики физико-механических свойств разрабатываемого нового материала.
Физико-химические исследования процесса гидратации С А, СА2 и глинозёмистого цемента без С-3
По показателю сопротивления разрушающим воздействиям фибробетон может в 15-20 раз превосходить бетон. Это обеспечивает ему высокую технико-экономическую эффективность при применении в строительных конструкциях и при их ремонте.
В нашем случае, важнейшей характеристикой фибробетона является его прочность. Она важна как прямая характеристика материала, так и косвенная, отражающая его сопротивления другим воздействиям, например температурным деформациям при попеременном нагревании до высоких температур и охлаждении во время испытаний жаростойкого бетона на термическую стойкость, что определяет, в конечном счете, долговечность, как обжиговых огнеупоров, так и жаростойких бетонов и набивных масс.
Влияние дисперсного армирования на прочность и долговечность ячеистого фибробетона изучено до настоящего времени недостаточно. Все исследования проведены в основном для газо- и пенобетонов, дисперсно армированных синтетическими высоко- и низкомодульными волокнами, асбестом или стекловолокном, предназначенных для эксплуатации в обычных строительных конструкциях, не подвергающихся воздействию высоких температур. Однако и эти исследования позволяют сделать анализ влияния дисперсного армирования как на физико-механические свойства ячеистых бетонов, так и на технологические факторы приготовления ячеистого бетона: принципы формирования структуры ячеистого бетона, агрегативную устойчивость пенобетонных смесей и др.
Научные исследования в данном направлении стимулирует объективная необходимость энергосбережения, что повышает интерес учёных и строителей практиков к закономерностям формирования оптимальных структур ячеистых бетонов в зависимости от технологических и рецептурных особенностей.
В результате экспериментально-технологических исследований и опытно-промышленных работ, проведённых в СПбГАСУ, установлено, что введение полимерных волокон в пенобетонные смеси позволяет в 2 - 2,5 раза увеличить прочность при изгибе, до 1,5 раз - прочность при сжатии [119]. Фибровое армирование полностью исключает появление и развитие усадочных трещин в процессе твердения и последующей эксплуатации материала. Разработанный авторами дисперсноармированный сланцезольный пенобетон не уменьшает прочность при изгибе даже после 100 циклов попеременного увлажнения и высушивания, вызывающего значительные знакопеременные деформации. В отсутствии дисперсной арматуры образцы разрушались после 6-7 циклов попеременного увлажнения и высушивания.
В работе [107] показана высокая эффективность микроармирования теплоизоляционных изделий на основе жидкого стекла и силикат-глыбы минеральными волокнами - минеральной ватой и базальтовым волокном. Установлено, что введение 10 % коротких волокон минеральной ваты и базальтового волокна увеличивает прочность при сжатии в 2,4 раза и при изгибе в 3 раза.
Улучшение эксплуатационных свойств неавтоклавных ячеистых бетонов путём дисперсного армирования синтетическими волокнами показано в работе А.Ю. Богатиной [18].
Влияние дисперсного армирования на агрегативную устойчивость пено- бетонных смесей таково, что дисперсная арматура оказывает положительное влияние на макроструктуру пенобетонных смесей [88]. Установлено, что дисперсная арматура является эффективным инструментом управления свойствами пенобетонных смесей, увеличивает их пластическую прочность, которая в основном зависит от количества фибры в составе смеси и водоцементного отношения.
Из анализа свойств фибробетонов плотных и ячеистых следует, что неавтоклавные пенобетоны как дисперсно армированные, так и без добавки волокна применяются преимущественно для изготовления элементов стенового ограждения. Пенобетоны дисперсно армированные обладают меньшей усадочной де- формативностью и большей прочностью на растяжение и изгиб.
В работах посвящённых процессам структурообразования дисперсно армированных пенобетонных смесей, установлено, что именно волокна обеспечивают повышение их устойчивости на ранних стадиях твердения и, как следствие, способствуют комплексному улучшению физических и механических свойств затвердевшего пенобетона.
Для решения поставленной задачи - получения дисперсно армированного жаростойкого пенобетона, предназначенного для эксплуатации в условиях вы соких температур, было решено опробовать щелочестойкое стекловолокно и муллитокремнезёмистую вату.
Чтобы определить перспективность использования стекловолокна в жаростойком пенобетоне были испытаны составы, содержащие глинозёмистый цемент, тонкомолотый шамот, суперпластификатор С-3, пенообразователь и волокно, длиной 15 и 30 мм, для сравнения влияния длины волокна на свойства пенобетона.
Прочность при сжатии до и после нагревания
Согласно литературных данных [71] при температуре 22 - 30С в присутствии воды, САНю постепенно переходит в двухкалыдиевый гидроалюминат С2АН8, выделяющийся в виде пластинчатых кристаллов гексагональной формы. Поэтому следовало ожидать в образцах наличие С2АН8. Данные рентгенофазо- вого анализа не позволяют однозначно зафиксировать линии данного гидратно- го соединения. Однако на дериватограммах присутствуют эндотермические эффекты при 125 и 250 С, которые можно отнести к С2АН8 [71]. Потери массы для контрольного состава и составов с добавкой С-3 0,75 и 1,25 % составляют 19,2; 17,3 и 20,7 %, соответственно. Очевидно, суперпластификатор С-3 не оказывает существенного влияния на степень гидратации клинкерных минералов. Дериватограммы всех составов имеют сходный характер. Однако для состава, содержащего 1,25 % С-3 характерно отсутствие эндоэффекта при 250 С, что, по-видимому, связано с выгоранием органического пластификатора. Полученные данные позволяют предположить, что введение суперпластификатора С-3 к цементу предотвращает или тормозит процесс превращения САН)0 в гидроалюминат С2АН8, а затем в СзАНб- Это вполне коррелирует с прочностными показателями жаростойкого фибропенобетона.
Кроме описанных выше результатов физико-химического исследования образцов нормального твердения, в работе проведён рентгенофазовый анализ контрольных образцов и с добавкой 1,5 % суперпластификатора С-3, подвергнутых нагреванию при 800 С. Одно из наиболее резких отличий рентгенограмм контрольного состава и с добавкой суперпластификатора, заключается в значительном (почти в два раза) увеличении интенсивности рефлекса 3,74 А, который не удалось идентифицировать. Увеличение интенсивности данного рефлекса происходит при одновременном уменьшении интенсивности другого рефлекса 2,85 А.
Прочность при сжатии образцов с добавкой суперпластификатора С-3 выше на 25 - 30 % прочности контрольных. Проведённые исследования позволяют сделать следующие выводы: 1. Добавка суперпластификатора С-3 повышает прочность при сжатии цементного камня, как после нормального твердения и тепловой обработки, так и после воздействия высоких температур. 2. Максимальный прирост прочности 30 - 35 % достигается при введении оптимальной дозировки С-3 1,25 - 1,5 % от массы цемента. 3. Имеет место значительное повышение подвижности цементного теста, достигающее 170 % (расплыв увеличивается от 10 до 17 см). 4. Проведён рентгенофазовый и дериватографический анализы посредством которых исследован характер фазовых и термических превращений гидратированных чистых клинкерных минералов СА, СА2 И глинозёмистого цемента, результаты которых были использованы в дальнейшем для расшифровки результатов физико- химических процессов гидратации глинозёмистого цемента. 5. С целью выявления происходящих процессов при гидратации глинозёмистого цемента в присутствии суперпластификатора С-3 проведены рентгенофазовый и дериватографический анализы глинозёмистого цемента с различной дозировкой суперпластификатора С-3 (0,75 и 1,25 %), который выявил изменение фазового состава в зависимости от дозировки добавки, в сравнении с чистым глинозёмистым цементом. 6. Полученные данные позволяют сделать выводы, что добавка С-3 к цементу предотвращает или тормозит процесс превращения САНю в гидроалюминат С2АН8, а затем в СзАН6, чем и объясняются улучшенные прочностные показатели. 7. Термические превращения глинозёмистого цементного камня с дозировкой суперпластификатора С-3 от 1,25 % до 1,5 % характеризуются дегидратацией гидроалюминатов с образованием моноалюмината кальция. Изменение фазового состава и структуры цементного камня при твердении обусловливает повышение остаточной прочности и после нагревания на 30 - 40 %. В предыдущих разделах были получены математические модели зависимостей свойств жаростойкого фибропенобетона от различных рецептурных факторов. Для правильного решения вопросов, связанных с применением как теплоизоляционных, так и теплоизоляционно-конструктивных вариантов жаростойких фибропенобетонов, различных по своим функциональным характеристикам, способных исполнять роль не только теплоизоляции, но и работать в несущих конструкциях печей, рабочем слое кладки печей. Были изучены основные физико-механические и огневые характеристики, определяющие возможность их использования в конкретных эксплуатационных условиях, все испытания проводили по ГОСТ 20910-90: - прочность бетона после твердения и сушки и остаточную прочность после нагревания; - среднюю плотность до и после нагревания; - относительные остаточные деформации (усадку) после обжига; - термическую стойкость; - температуру деформации под нагрузкой.
