Влияние введения наполнителя на характер трещинообразования жаростойких композитов на основе молотых шлаков и глин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние введения наполнителя на характер трещинообразования жаростойких композитов на основе молотых шлаков и глин

Тарасов Роман Викторович, Макарова Людмила Викторовна, Батынова Алина Алесандровна

Аннотация

Долговечность композиционных материалов в значительной степени зависит от возможного появления трещин в структуре и характера их распространения. В статье исследуется характер трещинообразования образцов на основе шлаком и глин при проведении термических испытаний.

Ключевые слова: термостойкость, трещинообразование

В качестве эффективного жаростойкого материала для футеровки промышленных печей может использоваться композиционный материал на основе глиношлакового вяжущего, обладающий высокими эксплуатационными характеристиками [1…4].

Проведем анализ характер возникновения и распространения трещин при испытаниях на термическую стойкость в зависимости от вида формования и присутствия наполнителя.

При первом нагревании структура материала претерпевает основные структурные и вещественные превращения, значительно изменяющие физико-механические и теплофозические характеристики материала. Усадочные явления и температурное расширение затвердевших глиношлакошамотных композитов обусловливает деформации разного знака в структуре, вызывающие соответствующие напряжения между ее компонентами. Протекающие при высоких температурах реакции в твердых фазах между составляющими материала в одних случаях увеличивают эти напряжения, в других - релаксируют их. Напряжения растяжения ослабляют связи между структурными компонентами и являются основой разделения гетерогенной структуры композита на фрагменты, ограниченные друг от друга трещинами. трещина шлак термостойкость

В связи с этим при проведении испытаний по оценке термической стойкости образцов проводилась визуальная оценка состояния их поверхности. Образцы изготавливались различными методами на основе ГШ вяжущего и активизатора оптимального состава, как с жаростойким заполнителем, так и без него [5…10]. Образцы твердели в воздушно-влажностных условиях при t=20±2°С, после чего подвергались испытанию. Картина трещинообразования на поверхностях глиношлаковых образцов после различных циклов испытаний приведена на рисунке 1.

При исследовании состояния поверхностей образцов и тещинообразования были выявлены интересные особенности возникновения и развития трещин.

Поверхность виброуплотненных образцов в исходном состоянии имеет некоторое количество пор, различных по форме и размеру. Это только видимые поры, которые можно отнести к макропорам размером 0,5-1,0 мм.

После первого цикла нагрева-охлаждения поверхность образца покрылась небольшим количеством трещин. Причем крупные поры являются центрами трещинообразования, от которых начинается рост трещин. В дальнейшем, после 2-3 циклов, количество трещин растет, увеличивается их размер и глубина проникновения в образец. Трещины в своей совокупности образуют сетку, покрывающую весь образец.

После 4 циклов испытаний на термостойкость часть мелких трещин объединяются в крупные, длина которых составляет до 4-5 сми глубиной до2 см. Ширина трещин до1 мм. После 6 цикла испытаний образец покрылся сетью очень крупных и глубоких трещин. Длина - более5 см, ширина - до2 мм, глубина - более 3-4 см (рис. 1,а). После седьмого цикла нагрева-охлаждения образец рассыпался на мелкие куски по трещинам.

В отличие от виброуплотненных, поверхность прессованных образцов не содержит видимых пор, что свидетельствует о высокой плотности образца.

После первого цикла испытаний на ребрах образца появляются тонкие волосяные трещин длиной до 1,0-1,5 см. В дальнейшем происходит развитие трещин, образовавшихся ранее, и появление новых. Однако общее их количество после 2-го цикла испытаний гораздо меньше, чем на виброуплотненных образцах. После 4 цикла испытаний на термостойкость количество трещин значительно возрастает, они объединяются в достаточно сильно разветвленную сетку. Развитие трещин внутрь структуры оценить сложно, но предполагается, что крупные трещины не нарушают связанности структуры, так как образец сохраняет свою целостность до 6 цикла испытаний (рис. 1, б). Разрушение наступает тогда, когда некоторая часть трещин соединяется и пронизывает весь образец.

Подтверждением тому, что образец содержит небольшое количество крупных магистральных трещин может служить тот факт, что образец разрушается на несколько кусков (2-3 куска), то есть по очень крупным трещинам. Отделения мелких фрагментов при испытаниях не наблюдалось.

Рисунок 1 - Характер трещинообразования виброуплотненных и прессованных образцов из глиношлакового вяжущего после 6 циклов испытаний на термостойкость

Введение наполнителя (рис. 2) значительно увеличивает сроки начала образования крупных трещин, что, в свою очередь, повышает термическую стойкость образцов. Первые крупные трещины появляются на образце лишь после 20-25 циклов водных теплосмен. Из этого следует, что вкрапления частиц шамотного песка усиливает структуру материала за счет гашения трещин при их развитии от цикла к циклу. В связи с этим введение шамотного наполнителя в виде включений в недостаточно термостойкую ГШ-матрицу можно считать эффективным приемом для улучшения эксплуатационных свойств глиношлакового материала [10, 11]. Еще большее повышение термостойкости достигнуто нами при введении в матрицу боя шамотного кирпича фр 1,25-2,5 мм,

Рисунок 2 - Характер трещинообразования прессованных образцов из глиношлакового вяжущего с шамотным песком после испытаний на термостойкость: а) до испытания; б) после 7 циклов; в) после 15 циклов; г) после 25 циклов; д) после 40 циклов

Оценка характера трещинообразования и термостойкости различных образцов свидетельствует о том, что прессованные структуры более устойчивы в условиях резкой смены температур от 800 до 20°С. При введении заполнителей термостойкость многократно увеличивается, характер трещинообразования меняется в сторону уменьшения количества трещин и величины раскрытия их до разрушения образцов.

Необходимо отметить, что, поскольку источником зарождения трещин, раскрывающихся в процессе испытания на термостойкость, является воздушная усадка при сушке, то проведено определение ее для наполненных и ненаполненных глиношлаковых материалов. Воздушная усадка прессованного глиношлакового вяжущего состава 40:60 при естественном выдерживании в течение 150-180 сут. при относительной влажности воздуха 70-85 % достигает 5,5-6,0 мм/м.

При наполнении вяжущего боем шамотного заполнителя фр. 1,25-2,5 мм в количестве 100% от массы вяжущего усадка за этот период снижается до 3,0-3,5 мм/м. При сушке такого композита при t=105-110°С после его 28-ми суточного твердения во влажном состоянии усадка составляет 6,0-6,5 мм/м. Огневая усадка при обжиге при t=1000°С достигает 3 мм/м. Таким образом, общая усадка составляет 9-10 мм/м. Почти двукратное уменьшение ее до 5,0-5,5 мм/м достигается дополнительным введением тонкомолотого шамота в количестве 50-60% от массы вяжущего, что приводит к повышению жаростойкости материала и снижению потери прочности после прокаливания.

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. 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.

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 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/43378 (дата обращения: 06.01.2015).

5. 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).

6. 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).

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. 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).

9. 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).

10. 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).

Размещено на Allbest.ru