Оценка влияния содержания шлака на физико-механические и термические свойства жаростойких композиционных материалов

В жаростойких глиношлаковых материалах глиношлаковое вяжущее играет роль связующего между зернами заполнителями, поэтому свойства затвердевшего глиношлакового вяжущего оказывает сильное влияние на физико-механические характеристики наполненных глиношлаковых композитов, а после и в процессе температурных воздействий на функциональные свойства жаростойких материалов [1…5]. Несомненно, что чем выше физико-механические свойства связки (вяжущего), тем выше и свойства многокомпонентного материала на этой связке [1…3] .

При изучении поведения затвердевшего глиношлакового камня в условиях высоких температур была поставлена задача о выявлении оптимального соотношения компонентов вяжущей глины: шлак с точки зрения получения максимальных показателей прочности на сжатие, термостойкости и минимальной потере прочности после прокаливания. В связи с этим было изучено влияние содержания доли шлака в глиношлаковой системе на вышеперечисленные свойства.

Вяжущее приготавливалось на основе сухого тонкомолотого гранулированного Липецкого шлака (Sуд=335 м 2/кг) и высушенной тонкомолотой глины Иссинского карьера (Sуд=520 м 2/кг) Долгоруковского карьера Пензенской области (Sуд=520 м 2/кг) [6…9]. Количество вводимого шлака в ГШ-вяжущее варьировалось в пределах от 20 до 100% от массы смеси с интервалом изменения содержания шлака в материале 20%. Вяжущее затворялось водощелочным раствором NaOH. При этом расход его составлял 2% от массы вяжущего в пересчете на сухое вещество. Образцы изготавливались методом прессования при удельном давлении 20 МПа (при влажности 12%) и методом виброуплотнения (при влажности 30%) [10].

Образцы твердели в воздушно-влажностных условиях при t=20−22°С в течение 28 сут., после чего были высушены и подвергнуты испытаниям.

Плотность высушенных изделий на основе Иссинской глины для прессованных композитов составляла r=1,95−2,03 г/см 3 и для виброуплотненных r=1,68−1,93 г/см 3. Для образцов на Долгоруковской глине плотность прессованных композиций в высушенном состоянии составляла r=1,97−2,15 г/см 3, а для виброуплотненных — r=1,54−1,76 г/см 3. Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что введение Иссинской глины в ГШ-вяжущее при виброуплотнении позволяет получить более высокую плотность, чем при введении Долгоруковской глины. Это, вероятно, можно объяснить высоким содержанием песчаной фракции в Долгоруковской глине (38%) по сравнению с Иссинской (30%) и минералогическим составом.

Увеличение содержания шлака в ГШ-системе также оказывает влияние на изменение прочности материала в высушенном состоянии.

Для образцов на Иссинской глине, изготовленных методом прессования рост прочности с увеличением доли шлака составляет от 25 МПа (20% шлака) до 56 МПа (100% шлака) (рис. 1, а).

Зависимость прочности от содержания шлака для виброуплотненных образцов на Иссинской глине почти линейна (рис. 1., а) и находится в пределах от 14 до 36 МПа. глина композит шлак Глиношлаковые системы на основе Долгоруковской глины по показателям прочности в высушенном состоянии и характеру кривых мало отличаются от образцов на Иссинской глине. Прочность прессованных композитов находится в пределах от 29,6 МПа (20% шлака) до 56 МПа (100% шлака), а для виброуплотненных от 14,8 до 36 МПа.

Таким образом, основным упрочняющим компонентом глиношлаковой системы являются тонкомолотый гранулированный шлак, а точнее продукты его гидратации при взаимодействии со щелочью. В связи с этим рост доли шлака в вяжущем приводит к резкому увеличению прочности материала, что значительно усиливает структуру затвердевшего ГШ — вяжущего.

Особую роль при эксплуатации жаростойких материалов в условиях высоких температур играет его термическая стойкость [7, 11].

Как показали эксперименты, соотношение шлака и глины в системе оказывает значительное влияние на термостойкость. Независимо от вида глины ясно просматривается тенденция к росту термической стойкости глиношлаковых образцов с ростом содержания шлака до определенного его значения (рис. 1, б и 2, б). Увеличение термической стойкости с возрастанием доли шлака продолжается до 60%. Термостойкость такого состава составляет 7−8 циклов водных теплосмен. Затем при увеличении доли шлака термостойкость образцов резко падает, что можно объяснить возрастающим влиянием шлака, термическая стойкость которого в прессованных композициях составляет 3 цикла, а в виброуплотненных — 2 цикла водных теплосмен.

Глина без добавления шлака, отформованная и высушенная, обладает крайне низкой термической стойкостью. Часть образцов разрушилась еще при нагреве, а часть при первом погружении в воду.

Следует учесть тот факт, что глина может упрочняться при более продолжительном спекании, нежели при выдержке ее в течении 40 минут при t=800°С в процессе испытания на термостойкость. Этого времени и этой температуры крайне недостаточно для полного обжига. Проведенные нами испытания полностью обожженных образцов на Иссинской глине на термостойкость после предварительного обжига при t=1000°С по режиму 3+8+6 ч повысили термическую стойкость до 1−2 циклов.

Виброуплотненные образцы имеют более низкие показатели термической стойкости, что объясняется менее прочной структурой, более высокой капиллярной пористостью и зарождением усадочных деформаций уже на стадии сушки по сравнению с прессованными. Однако в отдельных случаях была получена более высокая термостойкость у виброуплотненных образцов, чем у прессованных, или равная им (рис. 1, 2). Это наблюдалось только при оптимальных соотношениях компонентов вяжущего Г: Ш=40:60 или вблизи их. Это можно объяснить оптимальной поровой структурой композита, когда при воздействии высоких температур поры выступают в качестве демпфера внутренних напряжений, возникающих в материале при резкой смене температуры образца [12…14].

Подтверждением данного предположения может служить оценка внешнего вида образцов, испытываемых на термостойкость [15, 16].

Рисунок 1 — Влияние содержания шлака в прессованных (1) и виброуплотненных (2) глиношлаковых композициях на Иссинской глине на прочность при сжатии (а), термостойкость (б) и изменение прочности после прокаливания (в).

Рисунок 2 Влияние содержания шлака в прессованных (1) и виброуплотненных (2) глиношлаковых композициях на Долгоруковской глине на прочность при сжатии (а), термостойкость (б) и изменение прочности после прокаливания (в).

Если в прессованных композициях разрушение образца происходит по 3−4 крупным трещинам, раскрывающихся от цикла к циклу, то в виброуплотненном материале трещины объединены в сетку достаточно мелких трещин, причем центрами трещинообразования являются макропоры.

Разрушение образцов различно по своему характеру. Прессованные образцы раскалываются на несколько крупных кусков, а виброуплотненные — на большое количество мелких кусков с поперечными размерами 5−15 мм.

Таким образом, с точки зрения термической стойкости глиношлаковых образцов, оптимальным соотношением компонентов в вяжущем можно считать соотношение глины и шлака близкое 1:1,5.

С увеличением доли шлака показатели остаточной прочности после прокаливания уменьшаются независимо от вида глины (рис. 1, 2, в), причем данная зависимость носит экспоненциальный характер, определяя физику изменений в глине, как в керамическом материале и в затвердевшем шлаке, как в вяжущем при их прокаливании. Глиняный черепок дополнительно спекается, а шлак или цемент, дегидратируясь, рассыпается. В этой связи представляет интерес точка бифуркации на кривой изменения прочности в зависимости от состава. Эта равновесная точка находится вблизи 40%-го содержания шлака. Составы с таким содержанием шлака не теряют прочность при прокаливании в связи с тем, что две противоположности находятся в единстве: уменьшение объема шлаковых частиц при их дегидратации компенсируется реологическим уплотнением в процессе спекания глинистого вещества.

Таким образом, для двух технических показателей — прочности и термостойкости — оптимум определяется легко — это 60% шлака и 40% глины. Для 100%-го сохранения прочности он (оптимум) находится при 40% шлака и 60% глины. Однако, учитывая, что 25%-ая потеря прочности минимальна по ГОСТ 20 910–90, состав с 60% шлака и 40% глины можно считать самым оптимальным.

При таком соотношении прочность составляет 20−50 МПа, термостойкость 7−8 циклов, потеря прочности после прокаливания 15−40% в зависимости от вида формования.

Библиографический список

• 1. Глиношлаковые строительные материалы /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.
• 2. Тарасов, Р. В. Эффективный жаростойкий материал на основе модифицированного глиношлакового вяжущего [Текст] / Р. В. Тарасов: канд. диссертация. — ПГАСА, 2002.-150 с.
• 3. 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.
• 4. 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. № [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45 013 (дата обращения: 17.01.2015).
• 5. Батынова, А. А. Влияние тепловлажностной обработки на формирование прочности жаростойких композитов на основе шлаков и глин [Текст] / А. А. Батынова, Р. В. Тарасов, Л. В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45 664 (дата обращения: 23.01.2015).
• 6. Батынова, А. А. Оценка влияния дисперсности компонентов вяжущего на свойства композиционных материалов на основе молотых шлаков и глин [Текст] / А. А. Батынова, Р. В. Тарасов, Л. В. Макарова // Современные научные исследования и инновации.- 2015. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/44 900 (дата обращения: 23.01.2015).
• 7. 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 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/43 380 (дата обращения: 06.01.2015)
• 8. 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 [Электронный ресурс]. — URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/08/37 211 (дата обращения: 20.08.2014).
• 9. 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. [Электронный ресурс]. — URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/08/37 254 (дата обращения: 25.08.2014).
• 10. 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 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/43 378 (дата обращения: 06.01.2015).
• 11. 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 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/43 495 (дата обращения: 08.01.2015).
• 12. 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 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/44 984 (дата обращения: 17.01.2015).
• 13. Тарасов, Р. В. Оценка качественных показателей пористости и водопоглощения жаростойких композиций на основе молотых шлаков и глин [Текст] / Р. В. Тарасов, Л. В. Макарова, А. С. Григорьева // Современные научные исследования и инновации.- 2015. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45 837 (дата обращения: 23.01.2015).
• 14. Тарасов, Р. В. Влияние обжига на пористость и водопоглощение жаростойких композиций на основе молотых шлаков и глин [Текст] / Р. В. Тарасов, Л. В. Макарова, А. С. Григорьева // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45 871 (дата обращения: 28.01.2015).
• 15. 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 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45614(дата обращения: 23.01.2015).
• 16. 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 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45 541 (дата обращения: 17.01.2015).