УДК 691.434.7:666.76:691.33

ОЦЕНКА КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОРИСТОСТИ И ВОДОПОГЛОЩЕНИЯ ЖАРОСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ МОЛОТЫХ ШЛАКОВ И ГЛИН

Тарасов Роман Викторович1, Макарова Людмила Викторовна2, Григорьева Анастасия Сергеевна3
1ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент
2ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент
3ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», студент

Аннотация
Эксплуатационные свойства композиционных материалов в значительной степени зависит от пористости материала, характеризующей плотность композита. В статье исследуется пористость и водопоглощение материалов на основе молотых шлаков и глин.

Ключевые слова: водопоглощение, жаростойкие композиты, пористость


EVALUATION OF QUALITY INDICATORS POROSITY AND WATER ABSORPTION OF HEAT-RESISTANT COMPOSITIONS BASED ON MILLED SLAG AND CLAY

Tarasov Roman Viktorovich1, Makarova Ludmila Viktorovna2, Grigorieva Anastasia Sergeevna3
1Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
2Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
3Penza State University of Architecture and Construction, student

Abstract
Operational properties of composite materials largely depends on the porosity of the material characterizing the density of the composite. The article explores the porosity and water absorption materials based on milled slag and clay.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Тарасов Р.В., Макарова Л.В., Григорьева А.С. Оценка качественных показателей пористости и водопоглощения жаростойких композиций на основе молотых шлаков и глин // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 1. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45837 (дата обращения: 03.06.2017).

Многие производственные процессы протекают в условиях повышенных температур и для защиты конструкций и оборудования от такого негативного воздействия используются жаростойкие материалы. В качестве жаростойких материалов могут использоваться наполненные глиношлаковые композиты, обладающие высокими прочностными и термическими свойствами [1…9].

Известно, что многие свойства композиционных материалов (прочность, плотность, термостойкость и др.) обусловлены пористостью, косвенной, но информационной характеристикой которой является водопоглощение. Для исследования косвенных показателей пористости и водопоглощения глиношлаковых композитов была проведена серия экспериментов по оценке влияния ряда технологических факторов на указанные параметры.

На водопоглощение были исследованы образцы различных составов на основе глиношлакового вяжущего, отформованные методами прессования и виброуплотнения. В качестве основного компонента вяжущего использовался молотый гранулированный Липецкий шлак (Sуд=3000-3500 см2/г) [1, 2, 10, 11]. Вторым составляющим вяжущего была тонкомолотая глина Иссинского месторождения (Sуд=4800 см2/г) [1, 2, 12, 13]. Соотношение компонентов вяжущего различно. Также изучались составы на чистом шлаковом вяжущем (без глины).

Часть исследуемых составов содержала заполнители, в качестве которых использовались: шамотный песок (Мкр=1,8), бой шамотного кирпича различного фракционного состава, тонкомолотый шамот (Sуд=4000 см2/г), технический глинозем (Sуд=2470 см2/г) [1, 2, 14]. Активизатором твердения служила щелочь NaOH, вводимая в количестве 2% от массы вяжущего. Формовочная влажность прессованных составов (Рпр=20 МПа) составляла 10-12%, виброуплотненных 28-32%. Образцы твердели в нормально-влажностных условиях в течение 28 суток. Составы, водопоглощение и другие характеристики исследованных составов приведены в табл. 1-3.

Показатели пористости и однородности размеров капилляров определялись по кинетике дискретного водопоглощения образцов. Метод позволяет определить как интегральные (кажущуюся пористость), так и дифференциальные (показатели среднего размера пор и однородность размеров пор) параметры поровой структуры материалов.

При этом полный объем пор, объем открытых капиллярных пор определялись по полному объемному водопоглощению образцов, а объем условно закрытых пор по дополнительному водопоглощение образцов, выдержанных под форвакуумом в течение 2 часов при разряжении Р=755 мм рт. ст.

Особо сильное воздействие на водопоглощение и пористость оказывает вид заполнителя и степень заполнения им композиционного материала. Были проведены исследования, целью которых было выявление оптимального вида заполнителя и степени наполнения им композита с точки зрения минимизации водопоглощения. В качестве вяжущего использовалось глиношлаковое вяжущее с соотношением компонентов глина:шлак=40:60 Степень наполнения заполнителем составляла 20, 40, 60, 80 и 100% от массы вяжущего. Образцы были отформованы методом прессования при удельном давлении 20 МПа.

Таблица 1. Составы, водопоглощение и пористость образцов

Состав композиций

соотношение компонентов в масс. %

в % от массы композиционного вяжущего

Плотность в высуш. состоянии

 g сух., г/см3

Прочность на сжатие в сухом  состоянии Rсж, МПа

Водопоглощение по массе Wm, %

Объемное водопоглощение Wо,%

Общая пористость

 По, %

Объем условно закр.ытых пор Пусз, %

Показатель

λ

Показатель

α

Вид формования

Шлак

Глина

NaOH

Вода

1

87,72

100

-

1,75

2

10,52

12

1,95

56,0

7,78

14,63

15,82

1,19

2

0,4

Р=20МПа

2

75,75

100

-

1,51

2

22,72

30

1,9

35,97

9,24

17,59

20,0

2,41

16,5

1

Виброуплотнение

3

52,63

60

35,08

40

1,75

2

10,52

12

2,07

62,2

6,01

12,04

14,24

2,2

1

0,6

Р=20МПа

4

45,45

60

30,3

40

1,51

2

22,72

30

1,77

24,4

13,92

22,85

24,85

2,0

7

1

Виброуплотнение

Водопоглощение прессованного ненаполненного глиношлакового композита находится в пределах от 6,0 до 12,0% в зависимости от содержания шлака в вяжущем. С увеличением содержания доли шлака водопоглощение композита снижается.

Результаты сравнительного эксперимента позволяют сделать вывод о том, что введение заполнителя повышает показатели водопоглощения и пористости наполненных ГШ композитов по сравнению с ненаполненными вне зависимости от вида наполнителя (рис. 1, 2.). Массовое водопоглощение всех наполненных составов находится в пределах 3,6-14%. Минимальными показателями водопоглощения обладают композиты, наполненные тонкомолотым шамотом (Wм=6,95-3,685%), боем шамотного кирпича фр 0,6-1,25 мм (Wм=7,52-8,26%) и боем шамотного кирпича фр. 1,25-2,5 мм (Wм=8,0-6,94%). Введение тонкомолотого шамота в количестве 80-100% от массы вяжущего ведет к резкому снижению водопоглощения (до Wм=3,685%), что значительно ниже водопоглщения ненаполненного ГШ композита (Wм=6,01%). Использование зернистого заполнителя высокой прочности (бой шамотного кирпича и шамотный песок) ведет к росту водопоглощения, что, вероятно, обусловлено образованием некоторого количества пор защемления за счет высокой прочности заполнителя и степени наполнения им, так как он не дает возможности получения достаточно плотной упаковки частиц в изделии вследствие недостаточного количества связки (вяжущего) и невозможности плотного контакта частиц заполнителя из-за их высокой прочности (в результате прессования не происходит частичного разрушения частиц при сдавливании).

Рисунок 1 – Массовое водопоглощение жаростойких глиношлакошамотных композитов в зависимости от степени наполнения и вида заполнителя: 1-тонкомолотый шамот (Sуд=4000 см2/г); 2-бой шамотного кирпича фр.0,3-0,6; 3-бой шамотного кирпича фр.0,6-1,25; 4-бой шамотного кирпича фр.1,25-2,5; 5-шамотный песок (Мкр=1,8)

 Среди исследуемых заполнителей минимальный эффект с точки зрения снижения водопоглощения проявляют шамотный песок и бой шамотного кирпича фр. 0,3-0,6 мм.

Влияние количества заполнителя на водопоглощение наполненных глиношлаковых материалов различно в зависимости от его вида. Во всех составах, кроме наполненных тонкомолотым шамотом и боем шамотного кирпича фр. 0,6-1,25 мм, увеличение количества заполнителя ведет к постепенному снижению водопоглощения с увеличением степени наполнения жаростойким заполнителем. При использовании тонкомолотого шамота водопоглощение сначала растет (пик при содержании наполнителя 60%), а затем резко снижается (рис. 1). Бой шамотного кирпича фр. 0,6-1,25 мм позволяет достичь минимальных показателей водопоглощения при его содержании 50-70%.

Характер кривых изменения общей пористости от степени наполнения вяжущим и его вида схож с кинетикой изменения водопоглощения (рис. 2.). Показатели общей пористости колеблются в пределах от 11 до 26%, что вполне приемлемо для обеспечения высоких эксплуатационных свойств жаростойких изделий.

Закрытая пористость составов колеблется в пределах от 0,03% до 3,5% в зависимости от вида и количества заполнителя. Показатели закрытой пористости возрастают с увеличением содержания глины в вяжущем и увеличении количества заполнителя.

Рисунок 2 – Кинетика изменения открытой пористости наполненных жаростойких глиношлакошамотных композиций в зависимости от степени наполнения и вида заполнителя: 1-тонкомолотый шамот (Sуд=4000 см2/г); 2-бой шамотного кирпича фр.0,3-0,6; 3-бой шамотного кирпича фр.0,6-1,25; 4-бой шамотного кирпича фр.1,25-2,5; 5-шамотный песок (Мкр=1,8).

 Характер кривых изменения открытой пористости от степени наполнения вяжущим и его вида схож с кинетикой изменения водопоглощения (рис. 2). Показатели открытой пористости наполненных образцов колеблются в пределах 7,74-19,63%, что вполне приемлемо для обеспечения высоких эксплуатационных свойств жаростойких изделий.

Закрытая пористость наполненных составов находится в пределах 2,35-6,05% в зависимости от вида и количества заполнителя. Показатели закрытой пористости возрастают с увеличением содержания глины в вяжущем и увеличении количества заполнителя. Минимальной закрытой пористостью обладают составы с тонкомолотым шамотом. С увеличением крупности заполнителя значения открытой пористости снижаются.

Таблица 2. Составы композиций, исследуемых на кинетику массового водопоглощения

№ п.п.

Вид вяжущего в процентном соотношении компонентов

Вид заполнителя в % от массы вяжущего

Влажность формовочной смеси, %

Вид формования

1

Шлак Липецкий – 100%

12

Прессование 20МПа

2

Шлак Липецкий – 100%

30

Виброуплотнение

3

Г:Ш=40:60

-

12

Прессование 20МПа

4

Г:Ш=40:60

32

Виброуплотнение

5

Г:Ш=40:60

100% тонкомолотого шамота (Sуд=4000 см2/г)

12

Прессование 20МПа

6

Г:Ш=40:60

100% боя шамотного кирпича (фр. 0,3-0,6)

12

7

Г:Ш=40:60

100% боя шамотного кирпича (фр.0,6-1,25)

12

8

Г:Ш=40:60

100% боя шамотного кирпича (фр. 1,25-2,5)

12

9

Г:Ш=40:60

100 % шамотного песка (Мкр=1,8)

12

Введение заполнителя в глиношлаковую систему оказывает также сильное влияние на кинетику водопоглощения во времени. Как показали проведенные эксперименты, введение жаростойких заполнителей различного фракционного состава (табл. 2) не влияет на характер кривых изменения водопоглощения (рис. 3). Максимальное поглощение воды образцом наблюдается в период первых 10-12 часов водонасыщения (1-3% от массы материала в час). Затем значения водопоглощения растут незначительно.

Рисунок 3 – Кинетика водопоглощения наполненных глиношлаковых и глиношлакошамотных материалов (составы в табл. 2)

 Таблица 3. Показатели среднего размера пор и однородности размера пор жаростойких глиношлаковых и глиношлакошамотных материалов

№ состава

Показатель среднего размера пор λ

Показатель однородности размера пор α

1

16,5

1

2

2

0,4

3

1

0,6

4

7

1

5

0,75

0,3

6

18

1

7

16

0,5

8

22,6

1

9

30

0,5

Показатель однородности размера пор наполненных жаростойких глиношлаковых образцов достаточно высок и отличается по величине в зависимости от вида заполнителя, и чем мельче зерна заполнителя, тем меньше показатель однородности размера пор. Показатель среднего размера пор также зависит от вида заполнителя. Анализ табл. 3 свидетельствует о том, что при использовании заполнителя, содержащего крупные частицы показатель среднего размера пор значительно увеличивается, чем, к примеру, при использовании мелкодисперсного наполнителя (тонкомолотый шамот).


Библиографический список
  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. 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/2015/01/43378 (дата обращения: 06.01.2015).
  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/2015/01/45013 (дата обращения: 17.01.2015).
  5. 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/2015/01/44984 (дата обращения: 17.01.2015).
  6. 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/2015/01/45664 (дата обращения: 23.01.2015).
  7. 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).
  8. 8. 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/2015/01/44900 (дата обращения: 23.01.2015).
  9. 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/2015/01/43495 (дата обращения: 08.01.2015).
  10. 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/2015/01/43380 (дата обращения: 06.01.2015)
  11. 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.
  12. 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/2014/08/37211 (дата обращения: 20.08.2014).
  13. 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/2014/08/37254 (дата обращения: 25.08.2014).
  14. 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/2015/01/45541 (дата обращения: 17.01.2015).


Все статьи автора «Макарова Людмила Викторовна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: