УДК 691.434.7:666.76:691.33

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ШЛАКА НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖАРОСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Тарасов Роман Викторович1, Макарова Людмила Викторовна2, Шашкина Мария Викторовна3
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
В жаростойких глиношлаковых вяжущих существенную роль играет соотношение компонентов. В статье приводятся исследования влияния содержания молотого металлургического шлака в вяжущем на основные термические и физико-механические свойства.

Ключевые слова: глиношлаковое вяжущее, соотношение компонентов, термические свойства, физико-механические свойства


ASSESSING THE IMPACT OF THE CONTENT OF THE SLAG ON THE PHYSICO-MECHANICAL AND THERMAL PROPERTIES OF HEAT-RESISTANT COMPOSITE MATERIALS

Tarasov Roman Viktorovich1, Makarova Ludmila Viktorovna2, Shashkina Maria Viktorovna3
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
In the heat-resistant materials based on slags clays and plays an essential role mixing ratio. The paper presents the study of the effect of ground metallurgical slag content in the mixture of basic thermal and mechanical properties.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Тарасов Р.В., Макарова Л.В., Шашкина М.В. Оценка влияния содержания шлака на физико-механические и термические свойства жаростойких композиционных материалов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/02/46166 (дата обращения: 02.06.2017).

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 вяжущего глина: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 м2/кг) и высушенной тонкомолотой глины Иссинского карьера (Sуд=520 м2/кг) Долгоруковского карьера Пензенской области (Sуд=520 м2/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/см3 и для виброуплотненных r=1,68-1,93 г/см3. Для образцов на Долгоруковской глине плотность прессованных композиций в высушенном состоянии составляла r=1,97-2,15 г/см3, а для виброуплотненных – r=1,54-1,76 г/см3. 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.

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 20910-90, 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/2015/01/45013 (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/2015/01/45664 (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/2015/01/44900 (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/2015/01/43380 (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/2014/08/37211 (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/2014/08/37254 (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/2015/01/43378 (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/2015/01/43495 (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/2015/01/44984 (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/2015/01/45837 (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/2015/01/45871 (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/2015/01/45541 (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: