Влияние тепловлажностной обработки на формирование прочности жаростойких композитов на основе шлаков и глин

Влияние тепловлажностной обработки на формирование прочности жаростойких композитов на основе шлаков и глин

Композиционные материалы на основе активированных шлаков и глин обладают достаточно высокими эксплуатационными характеристиками и могут использоваться в качестве футеровочного материала промышленных печей. Скорость большинства химических реакций, в том числе и взаимодействие шлакового вяжущего с водой (в присутствии щелочного активизатора), обеспечивающая твердение вяжущего, возрастает с повышением температуры и тем она больше, чем выше температура. Прочность глиношлакового материала, твердеющего в нормальных условиях (при j"100%, t = 20,25°С), увеличивается прямо экспоненциально во времени твердения и этот темп может меняться в большую и меньшую сторону в зависимости от различных факторов.

В данной статье изучалось влияние тепло-влажностной обработки (ТВО) на формирование прочности глиношлакового материала и проведено сравнение с режимом твердения подобных образцов в нормальных условиях.

Целью данных исследований являлось выявление оптимального режима тепловлажностной обработки жаростойких глиношлаковых композиций с целью интенсификации набора прочности материала во времени.

Ранее проведенными исследованиями подобран оптимальный режим ТВО глиношлаковых изделий — 2+t_из+2 ч, где t_из — время изотермической выдержки (6, 12 и 24 часа). Температура при изотермической выдержке составляла 50 и 85 °C. Для исследования влияния ТВО на твердение глиношлаковых материалов была отформована серия образцов-кубиков размером 5ґ5ґ5 см, изготовленных методом прессования (р=20 МПа) и методом виброуплотнения. Вяжущее приготавливалось на основе тонкомолотого Липецкого гранулированного шлака (S_уд=3200 см²/г) и измельченной глины Иссинского карьера Пензенской области (S_уд=5000 см²/г) [10…13].. В качестве жаростойкого заполнителя использовался шамотный песок (М_кр=1,8). Часть изготовленных образцов твердела в естественных воздушно-влажностных условиях при t=20−22°С. Другая часть образцов была подвергнута ТВО по различным режимам. После ТВО по режиму 2+24+2 часа часть образцов была оставлена на длительное твердение в течение 28 суток в нормально-влажностных условиях. Составы исследуемых композиций и полученные прочностные характеристики приведены в табл.1. и 2.

Таблица 1. Виды формования и составы композиций для различных тепловых режимов твердения.

Полученные результаты позволили выявить некоторые особенности твердения глиношлаковых композитов в условиях повышенных температур.

Максимальная эффективность пропаривания наблюдается у прессованных ненаполненных глиношлаковых материалов. Причем, чем выше температура обработки, тем интенсивнее набор прочности. Согласно полученным результатам (табл. 2, рис. 1), пропаривание прессованных образцов на основе ГШВ в течение 24 часов при t=50°С позволяет получить «90% прочности от 28-суточной прочности образцов, твердевших в нормальных условиях, а пропаривание при температуре t=85°С позволяет даже превысить результаты 28-суточной прочности.

Рисунок 1. Влияние температурных режимов ((а) — 50 °C б) — 85°С) на кинетику набора прочности глиношлаковых и глиношлакошамотных композитов Введение заполнителя значительно снижает интенсивность роста прочности при пропаривании. Через 24 часа изотермической выдержки, вне зависимости от температуры, прочность составляет 50−65% от 28-суточной прочности. Кроме того, отмечен тот факт, что после пропаривания оставленные на длительное твердение в течение 28 суток образцы так и не достигли прочности контрольных непропаренных образцов (табл. 2, рис. 1). Исключением является чистое прессованное глиношлаковое вяжущее, пропаренное в течение 24 часов и оставленное на длительное твердение в течение 28 суток, но и в этом случае прочность увеличилась незначительно.

Таблица 2. Изменение кинетики набора прочности глиношлаковых композитов в зависимости от режима тепловлажностной обработки и вида формования.

Примечание: цифра на графике (рис. 1) обозначает состав по табл. 2., индексы — условия твердения (НТ — твердение в нормальных условиях, ТВО-тепловлажностная обработка) Снижение интенсивности набора прочности после ТВО может быть вызвано резким ускорением процессов гидратации вяжущего в условиях высоких температур. Быстрая гидратация, по мнению П. В. Кривенко, приводящая к выделению в ранний период большого количества тоберморитового геля, создает неблагоприятные условия для роста кристаллов, обусловливает образование несовершенной структуры. Наиболее высокие темпы роста прочности наблюдаются в первые 6 часов изотермической выдержки. В это время формируется около 40−70% прочности прессованных образцов и 23−30% прочности виброуплотненных образцов. Затем, в течение следующих 6−12 часов, ТВО прочность растет незначительно (5−30%). Что касается воздействия различных температур изотермической выдержки, то прочность образцов твердевших при t=50°С незначительно отличается от прочности тех же самых составов, но обработанных при температуре t=85°С. Прочность вторых больше на 2−15%.

Высокая температура изотермии (t=85°С) весьма эффективна для прессованных образцов и менее эффективна для виброуплотненных составов. Так, прочность прессованных составов после 12 часов ТВО при t=85°С составляет 93% от 28-суточной прочности образцов нормального твердения. Этот эффект можно объяснить высокой начальной формовочной прочностью образцов. При ТВО в образцах за счет процессов тепломассообмена возникает избыточное давление жидкой фазы и пара на стенки пор и капилляров. Таким образом, увеличение начальной прочности, уменьшение содержания жидкой фазы и пористости за счет высокого давления прессования приводит к снижению вероятности образования микродефектов структуры материала при температурном воздействии. Образцы, изготовленные при низком давлении прессования проявляют склонность к сильным деструктивным процессам при твердении в условиях повышенных температур, о чем свидетельствуют невысокие результаты повышения прочности виброуплотненных образцов в течение 6−12 часов ТВО. Сильное влияние на формирование прочности оказывает скорость подъема температуры. Формирование более прочного каркаса шлакового вяжущего наблюдается при мягких режимах с предварительной выдержкой изделий и невысокой скоростью подъема температуры, причем весьма эффективен ступенчатый подъем температуры.

Поскольку шлаковые и шлакощелочные вяжущие характеризуются значительной усадкой, для некоторых видов шлакощелочных бетонов нежелателен подъем температуры выше 65−70°С, так как это приводит к развитию усадочных трещин. На основании вышеизложенного оптимальным режимом ТВО будет пропаривание образцов при t=85°С в течение 12 часов изотермической выдержки, позволяющий значительно ускорить процесс набора прочности жаростойких глиношлаковых материалов.

Библиографический список

тепловлажностный композиционный шлак глина.

• 1. Тарасов Р. В. Эффективный жаростойкий материал на основе модифицированного глиношлакового вяжущего [Текст] / Р. В. Тарасов: канд. диссертация. — ПГАСА, 2002.-150 с.
• 2. Калашников В. И. Новый жаростойкий материал для футеровки промышленных печей [Текст] / В. И. Калашников, В. Л. Хвастунов, Р. В. Тарасов, Д. В. Калашников // Строительные материалы. — 2003. — № 11. — С. 40−42.
• 3. Глиношлаковые строительные материалы [Текст] / В. И. Калашников, В. Ю. Нестеров, В. Л. Хвастунов и др.; Под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. В. И. Калашникова. — Пенза: ПГАСА, 2000. — 207 с.: ил.
• 4. Батынова А. А. Технология производства материалов на основе активированного шлака и глин [Текст] / А. А. Батынова, Р. В. Тарасов, Л. В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015. № 1.
• 5. Батынова А. А. Анализ огнеупорных свойств композитов на основе металлургических шлаков и глин [Текст] / А. А. Батынова, Р. В. Тарасов, Л. В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015. № 1.
• 6. Батынова А. А. Влияние рецептурных и технологических факторов на эксплуатационные свойства жаростойких материалов на основе молотых шлаков и глин [Текст] / А. А. Батынова, Р. В. Тарасов, Л. В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015.
• 7. Батынова А. А. Анализ теплопроводности теплоизоляционных материалов на основе металлургических шлаков и глин [Текст] / А. А. Батынова, Р. В. Тарасов, Л. В. Макарова // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 1.
• 8. Тарасов Р. В. Влияние введения наполнителя на характер трещинообразования жаростойких композитов на основе молотых шлаков и глин [Текст] / А. А. Батынова, Р. В. Тарасов, Л. В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015. № 1.
• 9. Глуховский В. Д., Жукова Р. С. Синтез щелочных алюмосиликатов на основе глин и гидроксида калия // Докл. и тез. докл. третьей всесоюзной науч. — практич. конф.: В 2-х т. — Киев, 1989. — Т 1. — С. 32−33.
• 10. Слепова И. Э. Оценка возможности использования глин месторождений Пензенской области для производства керамической продукции [Текст] / И. Э. Слепова, Р. В. Тарасов, Л. В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2014. № 8.
• 11. Блохина Т. П. Оценка воздушных и огневых усадочных деформаций глин месторождений Пензенской области [Текст] / Т. П. Блохина, Р. В. Тарасов, Л. В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2014.-№ 7.
• 12. Батынова А. А. Анализ термических свойств металлургических шлаков [Текст] / А. А. Батынова, Р. В. Тарасов, Л. В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015. № 1.
• 13. Батынова А. А. Влияние межчастичных расстояний наполнителя на термические свойства композитов на основе шлаков и глин [Текст] / А. А. Батынова, Р. В. Тарасов, Л. В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015. № 1.
• 14. Глуховский В. Д. Грунтосиликаты, их свойства, технология изготовления и область применения [Текст]: автореферат дис. д-ра техн. наук // В. Д. Глуховский. — Киев, 1965. — 19 с.