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

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 °C. 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/2015/01/43 378 (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/2014/08/37 211 (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/2014/08/37 254 (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/2015/01/43 380 (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/2015/01/43 495 (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/2015/01/45 013 (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/2015/01/44 984 (дата обращения: 17.01.2015).