Содержание к диссертации
Введение
1. Современные представления о состоянии бетонов 8
1.1 Некоторые представления о модифицировании материалов. Определение понятия модификатора бетона. Особенности процесса гидратации и структурообразования цементного камня в присутствии модификаторов 8
1.2 Современное состояние и представление о структурообразовании, свойствах, технологии производства жаростойких бетонов и изделий из них. Свойства и технологии приготовления жаростойких бетонов и изделий из них 13
1.3 Вяжущие вещества, тонкомолотые добавки и пластификаторы для жаростойких бетонов 30
1.4 Жаростойкие бетоны на основе шлаковых заполнителей 35
1.5 Бетоны на заполнителях из боя шамотных огнеупоров 38
1.6 Выводы 39
2. Используемые материалы оборудование и методы исследований 40
2.1 Характеристики материалов 40
2.2 Методы испытаний. Испытания исходных материалов и бетонов. Определение огнеупорности заполнителей и бетонов. Методы рентгенофазового анализа. Методы оптимизации составов и свойств бетонов. Понятие о планировании эксперимента. Основные задачи эксперимента 48
2.3 Выводы 60
3. Подбор составов и технология изготовления жаростойких бетонов ... 61
3.1 Сырьевые материалы для бетонов 61
3.2 Исследование влияния количества и вида наполнителей на огнеупорность вяжущих веществ 66
3.3 Исследование влияния наполнителей на свойства жаростойких бетонов на заполнителях из боя шамотных огнеупоров 69
3.4 Выводы 76
4. Технология изготовления жаростойких бетонов на заполнителях из боя шамотных огнеупоров с высокодисперсными добавками 79
4.1 Требования к вяжущим веществам 79
4.2 Подготовка наполнителей 82
4.3 Подготовка заполнителей 86
4.4 Подготовка арматуры 90
4.5 Подбор составов жаростойких бетонов. Расчет состава жаростойких бетонов по нормативным документам. Определение оптимального состава жаростойкого бетона экспериментальным методом 92
4.5.1 Математическое моделирование и оптимизация влияния многокомпонентного наполнителя на теплостойкость и прочность 96
4.6 Технология приготовления бетонной смеси 99
4.7 Изготовление монолитных конструкций из жаростойкого железобетона методом скользящей опалубки 105
4.8 Твердение жаростойких бетонов на портландцементе 107
4.9 Особенности зимнего бетонирования жаростойкими бетонами 111
4.10 Сушка и первый разогрев жаростойкого бетона 112
4.11 Контроль качества работ 115
4.12 Выводы 116
5. Практическая реализация результатов исследований 118
5.1 Составы жаростойких композиционных материалов 118
5.2 Технология устройства жаростойких конструкционных материалов в шлаковых траншеях ОАО «Новолипецкого МК» 121
5.3 Расчет экономической эффективности 123
5.4 Выводы 124
Основные выводы 126
Список используемых источников 128
- Некоторые представления о модифицировании материалов. Определение понятия модификатора бетона. Особенности процесса гидратации и структурообразования цементного камня в присутствии модификаторов
- Сырьевые материалы для бетонов
- Технология приготовления бетонной смеси
- Составы жаростойких композиционных материалов
Введение к работе
Актуальность работы. Разработка оптимальных составов жаростойких бетонов на цементных вяжущих является актуальной проблемой. На предприятиях металлургической промышленности реконструкции подлежит большое количество тепловых агрегатов. Для этого требуются жаростойкие материалы, которые в больших количествах завозятся из других областей и регионов. С ростом стоимости перевозок встал вопрос о замене части огнеупоров на жаростойкие бетоны с использованием отходов местной промышленности. Возрастающие объемы выплавки черных металлов, особенно сталей специального назначения, в том числе динамной стали, применяемой в производстве легковых автомобилей, требуют внедрения новых видов жаростойких материалов, устойчивых к резким перепадам и длительному воздействию высоких температур.
В настоящее время на металлургических предприятиях страны в шлаковых отвалах находится более 500 миллионов тонн отходов, в том числе и бой огнеупорного кирпича. Площадь, занимаемая этими отходами, составляет десятки тысяч гектаров и ежегодно увеличивается на 100 - 120 га. В связи с этим разработка составов жаростойких бетонов с использованием отходов металлургической промышленности является актуальной задачей. Производство жаростойких бетонов для удовлетворения нужд металлургической промышленности способствует расширению сырьевой базы строительной индустрии, снижению энергозатрат и улучшению экологии окружающей среды.
Цель диссертационной работы - разработка оптимальных составов и технологии изготовления жаростойких бетонов на цементных вяжущих, шлаковых и шамотных заполнителях с высокодисперсными отходами металлургической промышленности.
Для достижения намеченной цели поставлены следующие задачи:
изучить физико-механические и химико-минералогические свойства отходов металлургического производства и исследовать их влияние на огнеупорность цементных вяжущих веществ;
разработать составы жаростойких бетонов с тонкомолотыми добавками из отходов металлургической (бой шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров, доменные шлаки, шлаки ферробора и ферротитана) промышленности и выяснить влияние их количества на свойства бетонов;
оптимизировать многокомпонентные составы жаростойких бетонов, используя методы математического планирования экспериментов;
установить причины разрушения жаростойких бетонов шлаковых траншей ДП-7 ОАО «НЛМК» на заполнителях из боя шамотных огнеупоров;
разработать технологию изготовления жаростойких бетонов на основе шамотных огнеупоров и тонкомолотых добавок;
внедрить оптимальные составы жаростойких бетонов на шамотных заполнителях с тонкомолотой добавкой на основе боя шамотных огнеупоров в производство.
Научная новизна работы:
теоретически обосновано и практически подтверждено использование в качестве тонкомолотой добавки из боя шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров в бетонах на шамотных заполнителях;
разработаны структурно-технологические и математические модели прогнозирования свойств жаростойких бетонов на шамотных заполнителях в зависимости от соотношения компонентов;
получены экспериментальные зависимости свойств от составов жаростойких бетонов с помощью математического планирования эксперимента;
установлены и научно обоснованы причины растрескивания литого шлакового щебня в жаростойких бетонах при нагревании до температуры 800С, и бетонов на заполнителях из боя шамотных огнеупоров обожженных при 800 и 1300С с помощью рентгенофазового анализа;
разработаны оптимальные составы и технология изготовления жаростойких бетонов на цементных вяжущих и отходах металлургической промышленности (бой шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров, доменные шлаки, шлаки ферробора и ферротитана).
Практическая значимость работы состоит в использовании отходов металлургической промышленности (бой шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров, доменные шлаки, шлаки ферробора и ферротитана) в составах жаростойких бетонов, что позволило снизить их стоимость и утилизировать отходы. При этом достигнуто улучшение физико-механических свойств бетонов на шамотных заполнителях с тонкомолотой высокодисперсной добавкой из боя шамотных огнеупоров, повышена несущая способность и долговечность конструкций, работающих в условиях длительного воздействия и резких перепадов температур от 800С до 1300С.
Реализация работы. Оптимальные составы жаростойких бетонов внедрены на ООО «СтройТорг» в цехе ЖБИ при изготовлении жаростой-кого бетона. Общий объем внедрения составил 100 м . Экономический эф-
фект за счет снижения стоимости сырьевых материалов составил 7200-8000 руб. на 1 м3 бетонной смеси.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях ЛГТУ (Липецк, 2008-2011г.г.), IV Российской научно-технической конференции с международным участием (Михайловка, 2011г.), V Всеро-сийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (Новосибсирск, 2012г.), II Российской научно-технической интернет-конференции (г. Михайловка, 2012г.), II Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона» (Саратов, 2012г.), семинарах кафедры «Строительные материалы» ЛГТУ (2010-20 ІЗг.г.).
Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 9 научных работ (вклад соискателя- 8,5 с), в том числе 1 работа в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.
На защиту выносятся:
результаты исследования свойств отходов металлургической промышленности (бой шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров, доменные шлаки, шлаки ферробора и ферротитана) и их влияние на огнеупорность цементных вяжущих веществ;
результаты исследования зависимости свойств жаростойких бетонов на шлаковых и шамотных заполнителях от вида и содержания тонкомолотой добавки из боя шамотных огнеупоров, позволившие найти их оптимальный расход в составах этих бетонов;
результаты исследования факторов, влияющих на разрушение жаростойких бетонов с заполнителями из боя шамотных огнеупоров;
оптимальные составы жаростойких композиционных материалов с использованием боя шамотных огнеупоров со следующими физико-механическими характеристиками. Средняя плотность составила 2100 кг/м3; средняя плотность обожженных при 800С составила 2025кг/м3; прочность при сжатии сухих бетонов 45,8 МПа; прочность обожженных при 800С - 31,1 МПа; остаточная прочность 67,9 %; термостойкость 22 водных теплосмены.
Достоверность исследований и выводов по работе обеспечена:
методически обоснованным комплексом исследований с применением стандартных средств измерений и методов исследований;
применением современных математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой результатов;
- опытными испытаниями и их положительными практическими результатами, совпадающими с результатами расчетов и не противоречащими выводам известных положений, сходимостью результатов испытаний других авторов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка используемой литературы и 2 приложений. Она включает 141 страницу, 20 таблиц, 16 иллюстраций, 165 наименования используемой литературы.
Некоторые представления о модифицировании материалов. Определение понятия модификатора бетона. Особенности процесса гидратации и структурообразования цементного камня в присутствии модификаторов
Для получения бетонов с заданными строительно-техническими свойствами необходимо установление закономерностей в регулировании параметров цементных систем на стадии взаимодействия цемента с водой.
Химические процессы, определяющие эти свойства, обусловлены, в основном, молекулярными силами, действующими на границе раздела фаз. Указанные взаимодействия формируют такие свойства дисперсных систем, как вязкость, пептизация, граничное смазочное действие, коагуляция, структурооб-разование и др.
Рассматриваемая проблема имеет много различных аспектов, необходимых для рассмотрения широкого круга вопросов, связанных с модифицированием цементных систем поверхностно-активными веществами (ПАВ). В основном, это осуществляется адсорбционно-активными олигомерами, сорбирующимися на поверхности твердого тела, электролитами и комплексными модификаторами полифункционального действия на их основе. [18,22,24]
Основываясь на современных представлениях физико-химии поверхностных явлений и теории контактных взаимодействий, можно полагать, что введение ПАВ в цементные системы позволяет улучшить свойства цементного теста, бетонной смеси и бетона. Цементные системы - условное наименование составов, в которые входит цемент. Это цементно-водные суспензии, пасты, бетонные или растворные смеси, цементный камень, строительный раствор, бетон. Наибольший интерес для применения в цементной системе представляют соединения дифильного характера, имеющие гидрофильную "головку" (одну или несколько полярных групп типа -ОН, -СООН, -S03H, -OS03H, -СООМе, -NH2 и т.д.) и гидрофобный "хвост" (как правило, алифатическую цепь, иногда включающую и ароматическую группу). Структура и строение ПАВ определяют процессы их адсорбции (хемосорбции) на межфазных поверхно-стях.[88,128,130]
Адсорбцию неэлектролитов на граничной поверхности раздела "твердое тело-раствор" можно рассматривать, основываясь на двух различных физических моделях. Первая модель предполагает, что адсорбция по существу ограничена монослоем, непосредственно прилегающим к поверхности, а последующие слои фактически представляют собой истинный раствор. При этом силы взаимодействия между молекулами твердого тела и растворенного вещества быстро ослабевают по мере удаления от граничной поверхности. Вторая модель предполагает, что адсорбцией обладает довольно мощный полимолекулярный межфазный слой, находящийся в медленно спадающем потенциальном поле поверхности твердого вещества. С этой точки зрения адсорбция из раствора представляет собой перераспределение вещества между объемной и поверхностной фазами.[128,130]
Выдающиеся учёные В.К.Семенченко и Е.М.Розенберг [118] показали, что образование адсорбционных слоев на поверхности зерен агрегата является важнейшей стадией процесса модификации. Эти слои, препятствуя дальнейшему росту кристаллов, играют такую же роль, как и защитные коллоиды. Действие модификаторов сводится к уменьшению числа зародышей, замедлению их роста и образованию на зернах агрегата адсорбционной (молекулярной) пленки. По мнению В.К. Семенченко и Е.М. Розенберг, модификаторы, являясь поверхностно-активным веществом, образуют, вследствие явления избирательной адсорбции, пленки на гранях кристаллов, вырастающих из раствора, причем, главным образом, на гранях с большой поверхностной активностью. Эти пленки задерживают скорость роста кристаллов, а также влияют на их форму, приближая ее к глобулярной, путем уменьшения скорости роста в каком-либо направлении. Так как скорость роста кристаллов при прочих равных условиях часто пропорциональна поверхностному натяжению, то даже весьма малые добавки веществ, способные изменить поверхностное натяжение, существенно влияют на степень смачивания зерен, характер кристаллизации и свойства новообразований. [118] В последующем изложении под модифицированием подразумевается такое воздействие, при котором существенно изменяется структура и свойства материала путем введения в его состав определенных веществ при практически неизменном количестве основных составляющих. В качестве типичной модели, позволяющей проследить возможности изменения физико-химических свойств тел путем поверхностного химического модифицирования, могут служить пористые сорбенты. Химическое модифицирование поверхности силикагеля и монтмориллонитовых глин приводит к существенному уменьшению способности адсорбировать пары воды, а также некоторых неорганических и органических соединений, что вызвано изменением констант дисперсионного взаимодействия и радиусов Ван-дер-Ваальса поверхностных групп.[15,88,130]
Применительно к цементным системам под модификаторами подразумеваются вещества, улучшающие технологические свойства бетонных (растворных) смесей и строительно-технические свойства бетонов (растворов). Вводимые в незначительных количествах добавки таких веществ, оказывают действие на реологические свойства незатвердевших цементных систем, параметры кристаллизации, влияя на морфологию новообразований (внешний вид фаз, их форму, размер, удельную поверхность), изменяя структуру материала за счет микровоздухо(газо-)вовлечения (выделения). Также это влияет на природу поверхности затвердевшего цементного камня и, тем самым, свойства цементного камня и бетона (прочность, пористость, водонепроницаемость, усадку, трещиностойкость, прочность сцепления с заполнителем).
Основными целями введения модификаторов в цементные системы являются:
- снижение вязкости цементно-водных суспензий для улучшения технологических свойств бетонных смесей;
- изменение структуры сформированного цементного камня и бетона с целью увеличения их прочности и стойкости к многократным физическим воздействиям;
- регулирование скорости процессов гидратации цементов и твердения бетонов.
Химические явления, предопределяющие твердение вяжущих веществ, возникают на исходной поверхности твёрдых частиц и затем продолжаются на поверхности раздела фаз в объёме гидратирующейся системы.[22,26,51,57]
Существенное влияние на когезионное взаимодействие и последующее структурообразование цементных систем определяет характер модифицирования продуктов гидратации цементных частиц.[10,12,67,69,71]
Введение в систему ПАВ затрудняет образование фазовых контактов между кристаллами, что связано с появлением на поверхности тел (в результате адсорбции) двухмерных структур, состоящих из дифильных молекул ПАВ, ориентированных полярными группами к гидрофильным поверхностям.
Наблюдаемый эффект уменьшения прочности контактов между частицами цемента в присутствии ПАВ дифильного строения обусловлен, в основном, слоем, непосредственно связанным с гидратирующейся поверхностью. Прочностные характеристики адсорбционных слоев дифильного строения на твёрдых поверхностях, обнаруживаемые при граничном трении, зависят как от характера полярной группы, так и от длины и разветвлённости углеводородной цепи. Например, антифрикционное действие адсорбционных слоев усиливается в гомологическом ряду от низшего гомолога к высшему, в результате усиления взаимодействия углеводородных «хвостов» при увеличении числа метиленовых звеньев углеводородной цепи в ряду ПАВ с различными функциональными группами при повышении энергии адсорбционной связи полярной группы с гидрофильной поверхностью.[130,146]
Без разрушения поверхностного слоя ПАВ при определённых предельных напряжениях, невозможно когезионное сцепление кристаллов, т.е. образование фазовых контактов гидратирующейся цементной системы. Изменяя дисперсность кристаллов - зародышей, посредством адсорбционного модифицирования, прекращения дальнейшего их роста, блокировки адсорбционными слоями, а также изменений условий дальнейшего роста кристаллов и обрастания каркаса, можно управлять стадией возникновения и ра-зития новой фазы в индукционный период структурообразования, а значит и прочностью индукционных структур, т.е. подойти к решению основной проблемы технологии бетона - получению материалов с заданной структурой и свойствами.
Сырьевые материалы для бетонов
Подбор составов жаростойких бетонов для подпорных стен шлаковых траншей ДП-7 ОАО «НЛМК» на основе отходов местной промышленности осуществлялся нами не только по результатам математического планирования эксперимента, но и в соответствии с требованиями нормативных документов на жаростойкие бетоны [47,121,63], а также экспериментальными методами с последующей проверкой свойств и корректировкой составов.
Вяжущие вещества, применяемые для жаростойких бетонов на основе отходов металлургического производства, удовлетворяли требованиям действующих нормативных документов [38,39]. В бетонах на шлакопемзових заполнителях с температурой применения до 1300С использовался портландцемент ГГЦ 400 Д 0, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 10178-85 [38]. Производителями этого цемента являются ОАО «Липецкцемент» и ОАО «Осколцемент». Но для связывания свободной извести, выделяющейся при гидратации клинкерных минералов в составы жаростойких бетонов на основе этого вяжущего необходимо вводить тонкомолотые добавки (наполнители) из материалов заполнителей!.
Высокоглиноземистый цемент имел также марку по прочности 500 по ГОСТ 969-91 [39] и использовался в жаростойких бетонах с температурой службы до 1400С и выше. Химический состав этого цемента, как и остальные компоненты этих бетонов, представлен в таблице 3.1, а минералогический - в таблице 3.2. Химический состав высокоглиноземистого цемента, как видно из таблицы 3.1 включает, в основном, оксиды глинозема и кальция. Доменные шлаки по химическому составу ближе к составу портландцемента, а шлаки ферробора и ферротитана - к высокоглиноземистому цементу. Поэтому применение этих материалов в составах жаростойких бетонов наиболее эффективно именно в таких сочетаниях, хотя возможны и другие варианты. В качестве наполнителя в бетоны на шамотных заполнителях целесообразно вводить тонкомолотый бой шамотных огнеупоров, так как они имеют одинаковый коэффициент термического расширения (к.т.р.), что не приводит к образованию в бетоне микротрещин из-за термических напряжений при нагреве и охлаждении.
В качестве исходного сырья для заполнителей жаростойких бетонов, используемых для железобетонных конструкций подпорных стен шлаковых траншей, нами были выбраны: бой шамотных огнеупоров, подвергнутых тщательному визуальному отбору для удаления металлических и шлаковых включений, доменный шлак, а также шлаки ферросплавного производства ОАО «НЛМК»: ферробора и ферротитана. Кроме минералов, указанных в таблице 3.2, в шлаках ферробора присутствуют: пироборат магния Mg2B203 и данбурит -CaO-2Si02-B203. Они снижают огнеупорность этого шлака до 1450С, по сравнению с шлаками ферротитана, имеющими огнеупорность 1500"С [3].
Из таблиц 3.1 и 3.2 видно, что шлаки ферробора и ферротитана ближе по химико-минералогическому составу к глиноземистому цементу, поэтому их целесообразно применять в жаростойких бетонах па этом вяжущем.
Но с учетом высокой стоимости глиноземистых цементов, для шлаковых траншей обычно используют жаростойкие бетоны на портландцементе. При этом, учитывают, что слой шлака, образующийся на стенах шлаковых траншей создает дополнительную теплоизоляцию для конструкций подпорных стен, поэтому фактически температура службы бетона этих стен не превышает 1200С
Кроме того, шлаки ферробора и ферротитана выпускаются в небольших объемах, так как сплавы ферробора и ферротитана изготовляются только по заявкам металлургов. Поэтому эти шлаки в настоящее время не имеют большого промышленного значения. Тем не менее, они были исследованы нами и показали хорошие результаты по огнеупорности и термостойкости.
По данным [38,63], эти шлаки целесообразно применять в качестве наполнителей в жаростойких бетонах и в качестве одного из компонентов в составах жаростойких вяжущих веществ. При этом остаточная прочность жаростойкого вяжущего на жидком стекле с тонкомолотыми шлаками ферробора и ферроти-тана, взятых в соотношении 1:1, после обжига при 800С составляет85-87%, а после обжига при 1200С - 73-75 % [63].
По данным [38], жаростойкие бетоны даже на заполнителях из боя шамотных и высокоглиноземистых огнеупорв с наполнителями из доменного шлака и шлака ферробора имеют кислотостойкость к 5%-ной серной кислоте от 94,7 до 98,8%, в то время как бетоны на заполнителях из литого шлакового щебня и граншлака без наполнителя ферробора имеют кислотостойкость к той же кислоте 78,6 %.
Следовательно, жаростойкие бетоны с добавками шлаков ферробора и ферротитана имеют повышенную стойкость к действию агрессивных вод. А вода, которой поливают расплавы доменных шлаков в шлаковых траншеях становится агрессивной из-за содержания в ней сульфатных соединений, образующихся при растворении шлаков в горячей воде.
Поскольку температура сливаемого в шлаковые траншеи расплава шлаков, как было нами установлено с помощью оптического пирометра ОППИР, составляет 1300С, исходные материалы для жаростойких бетонов выбирались с условием, что их огнеупорность должна быть не ниже 1400С.
Ранее нами было установлено, что огнеупорность боя шамотных огнеупоров составляет 1500С. Следовательно, эти материалы также могут использоваться в составах жаростойких бетонов и в качестве заполнителей, и в качестве тонкомолотых добавок.
Как видно из таблиц 3.1 и 3.2, эти материалы по химико-минералогическому составу ближе к портландцементу, поэтому их следует использовать в качестве заполнителей и наполнителей в составах жаростойких бетонов на портландцементе.
Технология приготовления бетонной смеси
Для обеспечения точности соотношения компонентов в составе бетонной смеси для жаростойких конструкций, дозировка его компонентов должна быть весовая, а не объемная. Объемная дозировка допускается только для воды, у которой, как известно плотность равна 1000 кг/м \ Весовые дозаторы должны иметь точность дозировки не более ±0,2 кг. По нормативному документу [127], при весовом дозировании материалов на 1 замес отклонения дозировки не должны превышать ± 1% массы вяжущих, наполнителей и воды, а для заполнителей -± 2%.
Перед приготовлением бетонной смеси следует определить влажность нанонаполнителя и произвести перерасчет расхода воды для затворения батон-иой смеси с учетом этой влажности. Расход воды по СНиП 2.03.04-84 рекомендуется принимать минимальным для повышения плотности и огневых свойств жаростойкого бетона, но он должен обеспечивать требуемую удобоукладывае-мость бетонной смеси (подвижность должна характеризоваться осадкой стандартного конуса не менее 4 см).
Приготовление бетонной смеси для жаростойких бетонов в производственных условиях должно осуществляться в бетоносмесителях принудительного действия из-за невысокой ее подвижности.
Бетонная смесь должна по свойствам удовлетворять требованиям ГОСТ 20910-90 и ГОСТ 7473-94 [10], также проектным данным. Для проверки соответствия бетонной смеси требуемым свойствам следует предварительно произвести контрольную проверку ее свойств на пробных замесах. Для этого вначале осуществляют расчет расхода материалов для пробного замеса. Их определяют по формулам:
- расход цемента ІД4 = Ц V3 рб/ ЕМ;
- расход добавки наполнителя Д3 = Д V3 рб/ LM;
- расход заполнителей 3., = 3 V., рб/ ЕМ;
- расход воды В., - В V3 рб/ ЕМ;
где Ц.„ Д„ 33, В3 - расход цемента, добавки, заполнителя и воды, кг на объем замеса V.,; Ц,.Д, 3 и В то же на 1 м" бетонной смеси; рб — плотность уплотненной бетонной смеси, кт/м 1; ЕМ— расход всех материалов на объем замеса, кг.
Весовой дозировкой отмеряют все компоненты бетонной смеси и готовят опытный замес в лабораторной мешалке принудительного действия, перемешивая все компоненты до однородности смеси, но не менее 60с. По нормативному документу [127] объем опытного замеса рекомендуется изготовить 10-15 л. При этом следует уточнить расход воды из условия удобоукладываемости бетонной смеси, которая для жаростойких бетонов на портландцементе должна характеризоваться показателем жесткости па техническом вискозиметре (удобоукла-дываемостыо) Ж1-Ж4 по ГОСТ 7473-94 [33].
При несоответствии удобоукладываемости бетонной смеси указанным величинам следует произвести корректировку расхода материалов следующим образом:
- если подвижность смеси более 2 см по осадке конуса, увеличивают расход заполнителей, сохраняя соотношение песка и щебня, таким, как в принятом составе;
- если показатель жесткости бетонной смеси по техническому вискозиметру превышает 16 с, следует увеличить расход цемента и воды, сохраняя принятое В/Ц.
После этого вновь проверяют удобоукладываемость откорректированного состава бетонной смеси и производят перерасчет расхода материалов на 1 MJ И на объем замеса. При этом следует определить также расчетную и фактическую среднюю плотность свежеуплотненной бетонной смеси (после виброуплотнения).
Расчетная средняя плотность бетонной смеси определяется как сумма расхода всех составляющих бетонной смеси в кг на 1 MJ, т.е. сложением Ц+Д+З+В. При правильном подборе состава расчетная и фактическая плотность бетонной смеси должны совпадать. В противном случае должен быть осуществлен перерасчет расхода материалов на фактическую среднюю плотность уплотненной бетонной смеси.
Окончательный вывод о правильности подбора состава бетонной смеси делают после приготовления образцов-кубов размерами 10x10x10 см и 7,07х.7,07х7,07 СМ. ИХ твердения в течение 7 су т. во влажных условиях или пропаривания с последующей сушкой до постоянной массы. Три образца с размерами сторон 10 см испытывают для определения средней плотности и прочности после сушки. По среднему из трех ближайших результатов этих испытаний определяют класс бетона по прочности.
Сушка образцов должна осуществляться в электрическом сушильном шкафу по следующему режиму: нагревание до температуры 105±5С со скоростью 50С/час выдержка при этой температуре в течение 35 часов и охлаждение в этом сушильном шкафу до температуры помещения лаборатории.
Остальные образцы обжигают при температурах 800 и 1300С. Нагревание в камерных электрических печах должно осуществляться со скоростью 150С/час. Выдержка при максимальной температуре обжига должна быть в течение 4 часов. После обжига образцы выдерживают 7 сут. над водой (при влажности воздуха не менее 90%) в ванне с гидравлическим затвором. Слой воды в баке должен быть не менее 10 см. Расстояние от нижней поверхности образца до уровня воды и от поверхности образца до крышки бака должно быть 4±1 см.
Если после выдержки над водой на образцах имеются трещины, дутики или отколы бетона, то образцы и соответственно бетон, бракуют. Для образцов, выдержавших такие испытания, определяют прочность при сжатии и остаточную прочность после обжига при 800С и при температуре службы.
Остаточную прочность после обжига при указанных температурах вычисляют по формуле
R.Ocr=R../RcyN 100 (4.9), где R,—средний из трех испытаний предел прочности при сжатии образцов после обжига при указанных температурах и выдержки над водой; RL 4O же после сушки до постоянной массы не обожженных образцов.
После таких испытаний на образцах не должно быть трещин, дути ко в и отколов. Допускается наличие мелких посечек в поверхностном слое бетона. Остаточная прочность жаростойких бетонов на портландцементе по нормативным документам [47,127J должна быть не менее 30%.
Если контрольная остаточная прочность оказывается ниже требуемой, следует произвести корректировку состава, снижением расхода воды в пределах допустимой удобоукладываемости бетонной смеси, либо увеличением расхода цемента, либо снижением расхода заполнителей с сохранением их соотношения. Допускается некоторое увеличение расхода крупного заполнителя за счет снижения мелкого.
Расход наполнителя должен уточняться экспериментальными исследованиями составов с разными расходами этого компонента. При этом следует выяснять также влияние его содержания на термостойкость бетона.
Оставшиеся три образца с размерами сторон 7,07 см подвергают испытаниям на термостойкость, помещая высушенные и взвешенные образцы в разогретую до температуры 800С печь с выдержкой при максимальной температуре п течение 40 мин. Колебания температуры в печи должны быть не более -115С. После выдержки образцы извлекают из печи и подвергают резкому охлаждению в воде с температурой 18±2С. Выдержка в воде должна осуществляться в течение 10 мин. Температура воды при испытаниях не должна повышаться более, чем на 30С. В противном случае следует увеличить количество воды в баке. После извлечения из воды их выдерживают на воздухе в течение 5 мин и осматривают. Каждый нагрев и охлаждение в воде и на воздухе являются теплосменой. После каждой теплосмены отмечают появление трещин, отколов, выкрашиваний. Если имеются значительные разрушения, то образцы взвешивают и определяют потери массы. При этом отколовшимися считают не только те куски, которые отпали при охлаждении в воде, но и те, которые отделяются при легком надавливании пальцами на образцы. Если потери массы незначительны и нет указанных дефектов, их вновь помещают в разогретую до 800С печь и после восстановления температуры в печи вновь выдерживают із течение 40 мин. и повторяют циклы испытаний. Образцы считаются выдержавшими испытания, если потери массы от первоначальной, не превышают 20%. За марку бетона по термической стойкости считают количество циклов водных теплосмен по среднему результату из трех параллельных испытаний, при которых потери массы не превышали 20%. Для бетонов со средней плотностью более ІЗООкг/м 1 испытания должны быть в водных теплосменах, а для легких бетонов - в воздушных.
Составы жаростойких композиционных материалов
Для практического применения результатов научно-исследовательской работы был предложен жаростойкий композиционный материал. ЖКМ относится к бетонам специального назначения и может быть использован в производстве товарных жаростойких бетонов и конструкций тепловых агрегатов, подвергающихся длительному воздействию высоких температур и их резких перепадов.
Состав данной жаростойкой бетонной смеси, включает в себя следующие виды сырьевых компонентов:
1. В качестве вяжущего, применяется портландцемент М 400
2. В качестве крупного и мелкого заполнителя, песок и щебень фракции 5-20 мм, полученные дроблением боя шамотных огнеупоров с последующим их рассевом на фракции
3. Тонкомолотый наполнитель - в виде шлама, с размером частиц 30-200 н м
4. Вода, ГОСТ- 23739 -79 Вода для бетонов и растворов.
Получение тонкомолотого наполнителя осуществляется путем совместного мокрого помола боя шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров. Основным оборудованием для получения тонкомолотого наполнителя является шаровая мельница, в которой и происходит получение наноразмерных частиц наполнителя. Внутренняя поверхность барабана футеруется уралитовой или корундовой плиткой. Мелющими телами мельницы служат уралитовые или корундовые цилиндры. Такой материал для футеровки и мелющих тел используется с целью минимизации намола.
Технической задачей научно-исследовательской работы явилось повышение плотности, прочности, остаточной прочности после обжига при температуре 800 С и термостойкости жаростойкого бетона, снижение усадки и склонности к растрескиванию. Решение этой задачи достигается тем, что в составе предлагаемой жаростойкой бетонной смеси на портландцементе м 400, песка и щебня фракции 5-20 мм, полученных дроблением боя шамотных огнеупоров с последующим их рассевом на фракции, тонкомолотый наполнитель вводится в виде шлама, полученного совместным помолом боя шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров до размера частиц 30-200нм, с предварительным введением в воду натриевого жидкого стекла с плотностью 1,23 г/см, при соотношении компонентов, представленных в таблице 5.1.
Снижение расхода цемента за счет наноразмерных наполнителей позволяет уменьшить сброс прочности бетона и его усадку, и соответственно, уменьшить склонность к растрескиванию при действии высоких температур. Повышается термостойкость жаростойкого композиционного материала при резких перепадах температур [55, 56].
Введение наноразмерного наполнителя из боя высокоглиноземистых и шамотных огнеупоров позволяет исключить использование дефицитного и дорогостоящего привозного гидрата глинозема.
Использование в качестве мелкого и крупного заполнителей шамотных огнеупоров, получаемых при ремонтах футеровок тепловых агрегатов, очищенных от примесей шлаков и металла, способствует оздоровлению окружающей среды промышленной зоны этих производств.
Также стоит отметить пониженное содержание песка по сравнению с известными составами жаростойких бетонов на основе шамотных заполнителей. Это обеспечивает заполнение пустот в крупном заполнителе без раздвижки зерен щебня. Составы исследованных бетонов представлены в таблице 5.2
Похожие диссертации на Жаростойкие композиционные материалы на основе отходов металлургической промышленности
