Композиционные огнеупорные вяжущие на основе глиноземистых цементов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Тюрников, Владимир Викторович

  • Тюрников, Владимир Викторович
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2005, Самара
  • Специальность ВАК РФ05.23.05
  • Количество страниц 197
Тюрников, Владимир Викторович. Композиционные огнеупорные вяжущие на основе глиноземистых цементов: дис. кандидат технических наук: 05.23.05 - Строительные материалы и изделия. Самара. 2005. 197 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тюрников, Владимир Викторович

ВВЕДЕНИЕ

1. Состояние вопроса, рабочая гипотеза и задачи исследования

1.1. Основные виды жаростойких бетонов

1.2. Свойства жаростойких бетонов на различных вяжущих

1.2.1. Жаростойкие бетоны на основе жидкого стекла

1.2.2. Жаростойкие бетоны на основе фосфатных связующих

1.2.3. Жаростойкие бетоны на основе портландцемента

1.2.4. Жаростойкие бетоны на основе глиноземистых цементов

1.3. Совершенствование составов огнеупорных вяжущих на основе глиноземистых цементов

1.4. Совершенствование составов жаростойких бетонов на основе глиноземистых цементов

1.4.1. Виды корректирующих тонкодисперсных минеральных добавок

1.4.2. Влияние дисперсности и агрегатного состояния добавок на их эффективность и роль

1.4.3. Химический состав добавок

1.4.4. Количество вводимых дисперсных добавок

1.4.5. Механизм действия добавок

1.5. Рабочая гипотеза и задачи исследования

2. Методы и объекты исследований

2.1. Стандартные и общепринятые методы

2.2. Математическая обработка результатов исследований

2.3. Характеристики используемого сырья и добавок

3. Теоретическое обоснование жаростойких композиций на основе глиноземистых цементов с регулируемым фазовым составом

3.1. Изменение фазового состава минералов глиноземистых цементов при твердении

3.2. Особенности фазовых превращений отдельных составляющих цементного камня при термообработке

3.2.1 Фазовые превращения С4АН

3.2.2 Фазовые превращения А1(ОН)

3.2.3 Фазовые превращения СгАН

3.2.4 Фазовые превращения САНю

3.2.5 Виды и температурные области активного фазового состава

3.3. Обоснование причин, влияющих на снижение прочности цементного камня при термообработке

3.4. Выбор вида ультрадисперсных добавок

3.5. Выводы по 3 главе

4. Разработка составов жаростойких композиционных вяжущих

4.1. Повышение долговечности жаростойкого бетона за счет совмещения термоактивных фаз составляющих цементного камня

4.2. Многофункциональная роль.РегОз в жаростойких композициях

4.3. Композиционные вяжущие с тугоплавкими и огнеупорными добавками

4.4. Выводы по 4 главе

5. Жаростойкие бетоны на основе разработанных композиционных вяжущих

5.1. Результаты исследований

5.2. Исследование влияния шламовых отходов на свойства бетонных композиций

5.3. Выводы по 5 главе

6. Промышленные испытания разработанных составов жаростойких бетонов

6.1. Условия проведения испытаний

6.2. Результаты апробации

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Строительные материалы и изделия», 05.23.05 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Композиционные огнеупорные вяжущие на основе глиноземистых цементов»

Основными направлениями совершенствования строительной отрасли являются: создание конкурентоспособных на мировом рынке материалов и изделий, снижение материалоемкости, повышение эксплуатационных свойств. Стабильная работа многих производств (металлургических, керамических, машиностроительных) определяется качеством футеровочных материалов в тепловых агрегатах. В последние годы наметилась устойчивая тенденция снижения объемов использования в футеровках тепловых агрегатов штучных керамических огнеупоров и увеличение доли жаростойких бетонов.

Жаростойкие бетоны успешно применяют взамен штучных шамотных изделий, предназначенных для эксплуатационных температур от 800 до 1400 °С, а также вместо высокоогнеупорных изделий при температурах эксплуатации выше 1400 °С.

Использование жаростойких бетонов позволяет избежать недостатков штучных керамических огнеупоров и дает возможность внедрять принципиально новые конструктивные решения.

Самым дорогостоящим компонентом жаростойких бетонов является вяжущее. В составах огнеупорных бетонов, применяемых для изготовления футеровок тепловых агрегатов с температурой эксплуатации 1200-1500 °С, в качестве вяжущих используют глиноземистые цементы, вяжущие фосфатного твердения и жидкое стекло. Выбор вида вяжущего в каждом конкретном случае определяется условиями эксплуатации бетона (температурой, агрессивностью среды), а также технологичностью процесса изготовления изделий, дефицитностью материала.

Из перечисленных огнеупорных вяжущих наиболее перспективными являются глиноземистые цементы, обладающие рядом ценных свойств, в том числе: быстрое твердение, сульфатостойкость и жаропрочность. Накоплен богатый опыт по его применению в составах жаростойких бетонов.

Однако у глиноземистых цементов есть существенный недостаток, с которым столкнулись при исследовании процессов термообработки — значительное понижение прочности цементного камня в интервале температур 800 - 1200 °С. Процессы дегидратации и перекристаллизации составляющих цементного камня в этом интервале температур сопровождаются объемными деформациями, что приводят к деструкции цементного камня и, соответственно, к понижению его прочности.

В условиях жесткой эксплуатации при наличии тепловых ударов, скоростных газовых потоков, пульсаций давления и других факторов наряду с термостабильностью и термостойкостью важным параметром является прочность, которая должна сохраняться на достаточно высоком уровне в течение всего времени работы агрегата.

Известные технологические решения в настоящее время не решают данную проблему, а разработка ее актуальна и позволит применять глиноземистые цементы в качестве огнеупорных вяжущих для футеровок тепловых агрегатов в широком интервале температур без каких-либо ограничений.

Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой Министерства образования РФ 2003 - 2004 гг. "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (Подпрограмма 211. Архитектура и строительство, Раздел: 211.02. Строительные материалы, энергосберегающие и экологически безопасные технологии их производства) в рамках темы НИР Самарской государственной архитектурно-строительной академии "Разработка энергосберегающих композиционных огнеупорных материалов с повышенной долговечностью" (шифр 02.01.274), хоздоговора с Самарским металлургическим заводом и конкурса гранта СамГАСА. Материалы исследований используются в учебном процессе при чтении спецкурсов, выполнении дипломных проектов, подготовке магистров и аспирантов.

Научная новизна работы.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании составов композиционных огнеупорных материалов с повышенной долговечностью за счет совмещения термоактивных фаз взаимодействующих компонентов (продуктов деструкции цементного камня на основе глиноземистого цемента и дисперсных добавок). При этом:

1. Обобщены сведения о фазовых превращениях составляющих цементного камня на основе глиноземистых цементов в диапазоне температур от 20 до 1500 °С.

2. Определены виды термоактивных фаз составляющих цементного камня на основе глиноземистого цемента при термообработке и температурные области их активации.

3. Выявлена динамика массовых и объемных изменений составляющих цементного камня в результате фазовых изменений, происходящих при термообработке, в интервале температур от 20 °С до максимальной температуры эксплуатации.

4. Установлены критические температуры термообработки цементного камня, связанные с фазовыми превращениями.

5. Обоснованы виды соединений на основе продуктов деструкции, повышающие прочность цементного камня и сохраняющие огнеупорность.

6. Выполнено обоснование выбора вида и количества дисперсных добавок, гарантирующих высокие прочностные свойства цементному камню на основе глиноземистого цемента при эксплуатационных температурах.

7. Установлена возможность интенсификации процессов структурообразования цементного камня на основе глиноземистых цементов за счет термоактивации алюмосиликатной добавки и совмещения термоактивных фаз компонентов вяжущего.

8. Разработаны составы композиционных огнеупорных вяжущих на основе глиноземистого цемента, обеспечивающих высокие прочностные свойства цементному камню при эксплуатационных температурах 1200-1400 °С.

9. Изучены процессы, протекающие при термообработке цементного камня из разработанных огнеупорных композиционных вяжущих, выявлено влияние их на формирование минерального состава новообразований, определяющих структуру материала.

10. Разработаны составы жаростойких бетонов повышенной долговечности классов И12 — И14 по предельно допустимой температуре применения.

Новизна исследований подтверждена патентами РФ № 2138456 и №2150439.

Достоверность полученных результатов:

Обоснование составов композиционных огнеупорных вяжущих на основе глиноземистых цементов, а также механизма изменения прочностных показателей при термообработке, выполнено с позиций современных представлений фундаментальных наук.

Достоверность исследований обеспечена:

- количеством образцов — близнецов в партии, обеспечивающим при фактической статической изменчивости значения исследуемых характеристик с доверительной вероятностью 0,95-0,97, при погрешности 5-10 %;

- подтверждением результатов экспериментальных данных теоретическому обоснованию;

- сходимостью полученных экспериментальных данных с результатами других исследователей;

- использованием аттестованного лабораторного оборудования;

- использованием комплекса современных физико-химических методов: химического, рентгенографического, дифференциально-термического, дилатометрического, люминесцентного и петрографического;

- проверкой результатов лабораторных исследований в производственных условиях.

Практическая значимость работы.

Полученные расчетно-теоретические характеристики динамики изменения массы и объема цементного камня из глиноземистых цементов согласуются с экспериментальными данными по прочности исследованных цементных композиций и могут быть использованы для:

- прогнозирования динамики изменения прочности в результате фазовых превращений при термообработке;

- обоснования оптимального режима ввода в эксплуатацию футеровок;

- определения критических температур, вызывающих интенсивное разрушение цементного камня, и ориентировочной оценки усадки при термообработке.

Разработанные составы огнеупорных композиционных вяжущих и жаростойких бетонов имеют большое практическое значение для:

- стабилизации и повышения прочности бетона при термообработке;

- увеличения срока службы (долговечности);

- решения экологических проблем за счет использования промышленных отходов в качестве корректирующих добавок;

- снижения стоимости вяжущего;

- использования некондиционного цемента.

Разработанные композиционные огнеупорные материалы с повышенной долговечностью могут быть внедрены в составах футеровок тепловых агрегатов различных отраслей народного хозяйства.

Реализация результатов исследований.

Разработанные составы прошли производственную проверку и использованы на Самарском металлургическом заводе.

Для широкомасштабного внедрения научно-исследовательской работы разработана нормативно-техническая документация: "Инструкция по изготовлению и применению изделий из жаростойкого керамобетона ".

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе Самарского государственного архитектурно-строительного университета при подготовке инженеров по специальности 290 600, магистров и аспирантов, а именно: при чтении лекций и выполнении курсовых работ по дисциплине «Керамические и плавленые материалы», а также при чтении лекции по дисциплине «Совершенствование технологии производства строительных материалов»; при выполнении дипломных проектов.

На защиту выносятся:

1. Научное обоснование и результаты исследований составов композиционных огнеупорных вяжущих на основе глиноземистых цементов, гарантирующих высокие прочностные свойства цементному камню при эксплуатационной температуре.

2. Способ интенсификации процессов структурообразования при взаимодействии продуктов деструкции цементного камня и дисперсных добавок за счет совмещения термоактивных фаз.

3. Форма представления фазовых превращений составляющих цементного камня при термообработке. Информация о фазовых превращениях, динамике изменения массы и контракции цементного камня.

4. Результаты экспериментально-теоретических исследований процессов спекания продуктов деструкции цементного камня.

5. Зависимости свойств цементного камня на основе глиноземистых цементов от вида, количества и свойств дисперсных добавок.

6. Составы новых огнеупорных вяжущих и жаростойких композиций на их основе.

7. Результаты экспериментальных исследований основных эксплуатационных характеристик жаростойких композиций.

8. Результаты производственной проверки.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на международных, всероссийских, региональных, межвузовских и областных конференциях и конгрессах, в том числе: Академических чтений РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (Самара, 1995; Иваново, 2000; Самара, 2004); Международной НТК «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в производстве строительных материалов» (Новосибирск, 1997); Всероссийской XXXI НТК «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 2001 г.); VII и VIII Всероссийских Конгрессах «Экология и здоровье человека» (Самара, 2001, 2002); Региональных НТК «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (СамГАСА, Самара, 2003, 2004); Межвузовской конференции «Региональные экологические проблемы и возможные пути их реализации» (Самара, 1994); Областных НТК «Исследования в области архитектуры и строительства и охраны окружающей среды» (СамГАСА, Самара, 1995, 1997-2002).

Автор выражает искреннюю благодарность Чумаченко Наталье Генриховне - научному руководителю, за руководство и ценные замечания, позволившие существенно улучшить содержание работы; Кореньковой Софье Федоровне - заведующему кафедрой «Строительные материалы», за помощь в ходе выполнения работы; Хлыстову Алексею Ивановичу - профессору кафедры «Строительные материалы», за консультации по данной тематике; Кириллову Дмитрию Владимировичу - ассистенту кафедры «Строительные материалы», за помощь в проведении эксперимента; коллективу кафедры «Строительные материалы» за всестороннюю помощь и поддержку при выполнении работы.

Похожие диссертационные работы по специальности «Строительные материалы и изделия», 05.23.05 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Тюрников, Владимир Викторович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В ходе исследований систематизированы сведения о фазовых превращениях составляющих цементного камня на основе глиноземистых цементов при твердении и при термообработке в интервале температур 20-1500 °С.

2. Установлены виды термоактивных фаз в составе цементного камня при термообработке и температурные области их активации.

3. Установлена динамика массовых изменений составляющих цементного камня на основе глиноземистых цементов при термообработке.

4. Определена контракция цементного камня на основе глиноземистого цемента при термообработке. Установлено, что изменение объема более чем в 1,5 раза превышает изменения массы. Вид продуктов гидратации цементного камня не оказывает существенного влияния на суммарное (общее) уменьшение массы и объема.

5. Определены критические температуры термообработки цементного камня, связанные с фазовыми превращениями, при которых наблюдаются резкие снижения массы и объема.

6. Полученные данные по объемно-пространственным изменениям структуры цементного камня при нагревании позволяют определить температурные области с максимальными внутренними напряжениями, возникающими при деструктивных процессах, что необходимо для корректировки составов с целью стабилизации этих процессов, обоснования режима ввода в эксплуатацию тепловых агрегатов с огнеупорами на основе глиноземистых цементов.

7. Систематизированы сведения об основных причинно-следственных связях, происходящих в цементном камне на основе глиноземистых цементов при термообработке. Основными причинами, определяющими снижение прочности цементного камня на основе глиноземистых цементов, являются: изменение массы цементного камня при нагревании в результате дегидратации его составляющих; изменение объема цементного камня при нагревании в результате фазовых превращений составляющих; изменение форма и размеры кристаллов новообразований.

8. Установлено, что основным химически активным компонентом в цементном камне на основе глиноземистого цемента при термообработке является А120з, доля СаО незначительна. Все процессы упрочнения цементного камня из композиционных вяжущих с дисперсными добавками определяются, в основном, взаимодействием А12Оз с дисперсными добавками.

9. Обоснованы виды добавок для интенсификации процессов упрочнения цементного камня на основе композиционных вяжущих, предназначенных для различных температур эксплуатации.

10. Разработаны составы композиционных огнеупорных вяжущих, обеспечивающих повышение прочности при эксплуатационных температурах, с температурой применения до 1400 °С.

11. Разработаны составы жаростойких бетонов повышенной долговечности на основе разработанного композиционного огнеупорного вяжущего.

12. Проведенные промышленные испытания подтвердили возможность получения в заводских условиях бетона на разработанных вяжущих, обладающего повышенной долговечностью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тюрников, Владимир Викторович, 2005 год

1. Ans J. D., Eick H. Das System Ca0-Al203- H20 bei 20 °C und das Erharten der Tonerdezemente. Zement-Kalk-Gips 1953. 6 sz.

2. Assarson G. Die Entstehunqsbedinqunqen der hidratischer Verbindunqen im system Са0-А120з-Н20 (fussinq) und die Hidratiserunq der Anhydro-Kalziumaluminate 1936. Referatkartei der Szilikatliteratyr.

3. Deseh W., Strassen H. Untersuchunq von Tetracalciumaluminathydraten.- Zen.-Kalk-Gips, 1965, № 18,p.233.

4. Eguchi Т., Takia J., Voshitomi J. et al // Taikabutsi. Overseas. 1989. — V. 9. -№ l.-P. 10-25

5. Erdey L., Paulik I., Svehla G., Liptay G. Zeitun. Analyt. Chem., 182, 329, 1961.

6. Fourie M.T., Rabot R. Az aluminatcementekben bekovetkezo karos atalakulasok okai es azok meqszuntetese. Epitoanyaq, 1973, 129-141 o.

7. Maiser M.D., Tressler P.E. Influence of temperature and moisture on alumina cement strenqht. Cement and Concrete Research, 1980, v. 10, p. 491-497.

8. Morimoto T.// Taikabutsu Refraktories. 1982. V. 34. № 12. - P. 701-705.

9. Nagai В // Taikabutsu. Overseas. 1989. - V. 9. - № 1. - P. 2-9

10. Odanaka S., Nakashima K., Toh M. et al // Taikabutsu. Refraktories. 1988. V.40. № 8. P. 498-500.

11. Paulik F., Paulik I. Termoanalizis. Budapest, 1963. - 280 s.

12. Ro Bensteod I. An investiqation of the conversion of hiqh alumina cement by infrared spectroscopy. World Cement Technol., 1982, 13, № 3, p. 117-119.

13. Roberts M.M. Chemistry of cemen. Proceed, of the 4-th Intern. Sympos., 960, p. 245-249.

14. Shikano H., Yoshitomi J., Kanda M. et al. // Taikabutsu. Refractories. 1989. V.41. №8.-P. 437-442.

15. Taikabutsi. Refractories. 1984. - V. 36. - № 3. - P. 55-57.

16. Wolek W., Drozdi M., Czechowski I. Badania mikrostructury zaczynow cementow qlinowych о roznum przebieq procesu hydratacji. — Mater, oqniotr., 1980, 32, №3, p. 75-79.

17. Yamamoto S., Owada Y., Nagai S. et al. // Taikabutsu. Refractories. 1985. V. 37. №3.-P. 155-159.

18. A. c. № 1539182 (СССР), М.Кл.: С 04 В 28/06, 7/00. Вяжущие /А.Ф. Полыца, В.М. Предко и др. Опубл. 30.01.90. Бюл. № 4, 1990 // Открытия. Изобретения.

19. А. с. № 1079626 (СССР), М.Кл.: С 04 В 15/00, 19/04. Бетонная смесь / В.М. Прядко, А.Ф. Полыца и др. Опубл. 15.03.84 г. Бюл. № 10, 1984 // Открытия. Изобретения.

20. А.с. № 1315429 (СССР), М.Кл.: С 04 В 28/06. Сырьевая смесь для изготовления жаростойкого бетона / Г.А. Сиротин и др. Опубл. 07.06.87 г. Бюл. № 21, 1987 // Открытия. Изобретения.

21. А.с. № 1576513 (СССР) А1 С 04 В 28/06 Сырьевая смесь для изготовления жаростойкого бетона / Н.П. Бессмертный и др. Опубл. 07.07.90. Бюл. № 25.

22. А.с. № 1585306 (СССР), М.Кл.: С 04 В 28/06. Сырьевая смесь для приготовления жаростойкого бетона / Н.П. Бессмертный, П.В. Захаренко и др. -Опубл. 30.08.90 г. Бюл. № 30, 1990 // Открытия. Изобретения.

23. А.с. № 1648922 (СССР), М.Кл.: С 04 В 28/06. Сырьевая смесь для изготовления жаростойкого бетона / В.А. Иконников и др. Опубл. 15.05.91 г. Бюл. № 18, 1991 //Открытия. Изобретения.

24. А.с. № 1818317 (СССР) А1 С 04 В 28/06 Сырьевая смесь для жаростойкого бетона / Н.П. Бессмертный и др. Опубл. 30.05.93. Бюл. № 20.

25. А.с. № 482411 (СССР), М.Кл.: С 04 В 7/32. Вяжущее / Т.В. Кузнецова, В.И. Шустина и Г.В. Черепкова. Опубл. 30.08.75. г. Бюл. № 32, 1975 // Открытия. Изобретения.

26. А.с. № 581113 (СССР), М.Кл.: С 04 В 7/32. Вяжущее / Е.В. Зализовский и др. Опубл. 25.11.77 г. Бюл. № 43, 1977 // Открытия. Изобретения.

27. А.с. № 874693 (СССР), М.Кл.: С 04 В 7/32. Вяжущее / К.Д. Некрасов и др. Опубл. 23.10.81 г. Бюл. № 39, 1981 // Открытия. Изобретения.

28. А.с. № 998410 (СССР). М.Кл.: С 04 В 7/32. Огнеупорное вяжущее / Е.К. Пушкарева, В.Д. Глуховский, П.В. Кривенко, В.В. Чиркова. — Опубл. 23.02.83. г. Бюл. № 7, 1983 // Открытия. Изобретения.

29. А.с. № 501993 (СССР) Сырьевая смесь для приготовления жаростойкого бетона / Ф.И. Мельников, JI.C. Опалейчук, А.П. Тарасова. Опубл. 16.01.76. г. Бюл. № 5, 1976 // Открытия. Изобретения.

30. А.с. № 581113 (СССР) М.Кл.2 С 04 В 7/32. Жаростойкое вяжущее / Е.В. Зализовский, Т.В. Абызова, О.А. Завьялов, М.В. Рудакова. Бюл. № 43 -1977.-С.52.

31. А.с. № 964531 (СССР) Способ контроля качества клинкера / Т.Б. Арбузова, T.JI. Лютикова, Т.Б. Кузнецова и др. БИ № 37, 1982.

32. Айлер Р. Химия кремнезема. М.: Мир, 1982. - 1127 с.

33. Арбузова Т.Б. Утилизация глиноземсодержащих осадков промстоков. — Самара, Изд-во Самарск. филиала Саратовск. ун-та., 1991. 136 с.

34. Арбузова Т.Б., Николин В.А. Огнеупорные композиции из алюминатного техногенного сырья // Современные проблемы строительного материаловедения: Первые академические чтения РААСН: Тез. докл. междун. конф. Самара, 1995. - С. 34-38.

35. Ахмед С.Д., Дент-Глассер JI.C., Тейлор Х.Ф.У. Кристаллические структуры и реакции С4АН13 // Y международный конгресс по химии цемента. М.: 1973-С. 161-163.

36. Бабушкин В.И., Матвеев Г.М., Мчедлов-Петросян О.П. Термодинамика силикатов. М.: Стройиздат, 1972. - 351 с.

37. Белкин В.А., Хлыстов А.И. Бетоны специального назначения: Учебное пособие / Куйбышевск. гос. Ун-т. Куйбышев, 1988. - 80 с.

38. Берг Л.Г. Введение в термографию. М.: Наука, 1969. - 395 с.

39. Бессмертный Н.П. и др. Жаростойкие термостойкие бетоны для футеровок обжига кирпича// Строительные материалы и конструкции-1999, № 1.-С. 5-6.

40. Близгарева Т.И. Жаростойкий мелкозернистый бетон на высокоглиноземистом цементе с добавкой огнеупорной глины: Автореф./// дис. канд. техн.41

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.