Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов (стр. 3 )

Кроме того, определены прочностные показатели жаростойких пенобетонов плотностью 400-800 кг/м3 после нагревания до 1000-15000С в зависимости от состава. Установлено, что пенобетон с керамзитовым наполнителем практически не имеет провала прочности в области температур 600-9000С. Это явление объясняется повышенной химической активностью керамзитовой пыли, в которой обнаружены оксиды SiO2 и Al2O3 в аморфном состоянии.

При плотности пенобетона400-800 кг/м3 и увеличенном содержании Al2O3 в огнеупорном компоненте устойчивость пенобетона в этом температурном интервале снижается, что связано с понижением SiO2 в тонкомолотой добавке. В связи с этим, при определении температурной области применения жаростойких пенобетонов, необходимо учитывать некоторые особенности частичного разупрочнения данного материала.

Эксплуатационные свойства и долговечность жаростойкого пенобетона зависят не только от правильного проведения операции сушки и первого нагрева, но и от максимального первоначального электросопротивления. Цель сушки и первого нагрева заключается в удалении из жаростойкого бетона воды в наиболее короткий технически обоснованный срок при сохранении монолитности бетона. Таким образом, жаростойкий теплоизоляционный бетон приводится в рабочее состояние, в котором он находится в течение всего времени эксплуатации теплового агрегата. При сушке из бетона удаляется «испаряющаяся вода». В ходе последующего первого нагрева в бетоне протекают сложные физико-химические процессы. При повышении температуры нагрева обезвоживаются кристаллогидраты, имеющиеся в затвердевшем цементном камне. При температуре 800-10000С частично разлагаются гидросиликаты, гидроалюминаты кальция с выделением свободного оксида кальция, одновременно протекают химические реакции в твёрдом состоянии между оксидом кальция и активным кремнезёмом тонкомолотой добавки, в результате связывается CaO и предотвращается его вредное действие.

Полученные данные свидетельствуют о высоких физико-механических и термических свойствах разработанных бетонов. Необходимость в термообработке в данном случае отпадает, что позволяет изготавливать крупноразмерные изделия и детали, а также применять бетон в монолитных конструкциях различной конфигурации.

СПИСОК литературЫ

1. , Тарасова бетон на портландцементе. – М.: Стройиздат, 1969. –192 с.

2. , Карпова жаростойкие бетоны// Исследования в области жаростойкого бетона. М.: Стройиздат, 1981. 80-90 с.

3. Хашмелашвили жаростойкий перлито-шамотный пенобетон: Автореф. дис. канд. техн. наук. Тбилиси, 1988. 22 с.

УДК 666.1.038.33

д-р техн. наук, профессор

Самарский государственный архитектурно-строительный университет

, ст. преподаватель

Самарская государственная академия путей сообщения

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ФОСФАТНЫХ СВЯЗОК
ПРИ РЕМОНТЕ ФУТЕРОВОК ТЕПЛОВЫХ АГРЕГАТОВ

В настоящее время для кладки футеровок печей применяют в основном штучные керамические огнеупоры. Доля применения жаростойких бетонов в футеровочных конструкциях пока еще не велика. Поэтому разработка способа ремонта футеровок тепловых агрегатов, выполненных как из штучных огнеупоров, так и из жаростойких бетонов является актуальной задачей. Это обстоятельство позволит в дальнейшей мере экономить дорогостоящие и дефицитные штучные огнеупоры. Дело в том, что долговечность футеровок промышленных печей измеряется месяцами, реже годами. Широко применяемый шамотный огнеупор имеет, к сожалению, низкую термическую стойкость, всего 10 водных теплосмен. Для его производства в основном используются огнеупорные глины, месторождения которых в Российской Федерации истощаются. Большинство месторождений высококачественной огнеупорной глины и каолинов сосредоточено на территории Украины, а Украина - это уже иностранное государство.

Многие огнеупорные заводы и предприятия по производству фарфоровой продукции РФ вынуждены покупать огнеупорное сырье на Украине.

По последним данным стоимость шамотного кирпича в Самарской области размером 230х115х65 составляет 12-15 руб. за штуку.

Из всех связующих фосфатные связки имеют повышенную адгезию к огнеупорам и металлам, и логично выбрана фосфатная связка как основа всех ремонтных масс. Известно, что огнеупорные материалы на основе фосфатных связок также имеют высокие физико-термические показатели и повышенную химическую стойкость ко многим агрессивным средам. Поэтому способ ремонта огнеупорных футеровок с применением фосфатных связующих пригоден для многих печей как металлургической и химической отраслей, так и печей промышленности строительных материалов.

При ремонтах существующих тепловых агрегатов, футерованных, штучными огнеупорами, применяют огнеупорные покрытия, выполняемые в виде защитных обмазок.

Жароупорная защитная обмазка позволяет резко сократить расходы дорогостоящих огнеупоров, а ремонт теплового агрегата сводится к очистке старого выработанного слоя обмазок и нанесению нового, без разборки основной кладки.

Поскольку в настоящее время фосфаты и полученные на их основе фосфатные связующие широко применяются в жаростойких бетонах, исследование влияния структурно-энергетических особенностей фосфатов на их свойства при высоких температурах приобретает большой интерес.

Анализ поведения материалов при их переработке и эксплуатации в сооружениях показывает, что наличие того или иного комплекса свойств определяется двумя факторами: свойствами веществ, из которых состоит материал, а также структурой и текстурой самого материала.

Важным фактором в создании количественной характеристики свойств является расстояние между ионами. Однако величина его с достаточной точностью может быть определена только в идеальных кристаллах. В реальных кристаллах закономерность расположения ионов часто нарушается вследствие дефектов структуры, заключающихся в существовании вакантных узлов в решетке, смещении иона относительно его места в решетке, внедрении посторонних ионов другого размера и заряда, блочной структуры, дислокаций и т. п.

В таких случаях о расстоянии между ионами можно судить только косвенным путем. Такой структурной косвенной характеристикой гомогенных систем может служить ионная плотность (Pi), т. е. степень заполнения объема ионами.

Ионную плотность [1] можно определить по выведенной формуле:

Pi =2,52. γу / М. Σк ni ri3 , (1)

где γу – плотность вещества, г/см3;

М – молекулярный вес;

ni – число ионов данного вида в молекуле;

ri – радиус иона, Å;

К – коэффициент, учитывающий координацию катиона при координационном числе.

Ионная плотность усредняет расстояния между ионами, маскируя тем самым внутреннюю неоднородность систем, которые принято считать гомогенными. Но зато она достаточно чутко реагирует на

общее разрыхление или уплотнение структуры вещества и на вызванное ими изменение величины электростатических сил связи.

Для преодоления силы, удерживающей ион в пределах кристаллической решетки, требуется затратить некоторое количество энергии, которое называется энергией кристаллической решетки и выражается в ккал/моль, или кДж/моль.

[1] найдено простое математическое выражение, связывающее энергию кристаллической решетки (- U) с величиной ионной плотности вещества (Pi), с зарядом катионов (Е) и числом их (n):

-U = (360 / М) . Рi. Σ n E2,15 ккал/г (2)

В системе МеО - Р2О5 - Н2О вяжущие свойства проявляются тем в большей степени, чем меньше ионный радиус катиона металла. Практически установлено, что оксиды Al2O3, Cr2O3, MnO2, Co2O3, SnO2, PbO2, MoO3, TiO2, ZrO2 твердеют с Н3РО4 только при нагревании; оксиды Fe2O3, Y2O3, FeO, Mn2O3, NiO, CuO, SnO, V2O5 твердеют при комнатной температуре, и оксиды CaO, SrO, BaO, MnO, HgO из-за бурно протекающих реакций с Н3РО4 не твердеют [2].

Из всех известных жаростойких вяжущих фосфатные связующие обладают повышенными термической стойкостью и химической сопротивляемостью.

Известно, что гидрооксиды металлов являются более химически активными по сравнению с оксидами. Они присутствуют в большом количестве во многих промышленных отходах (пиритные огарки, шлам щелочного травления алюминия и др.).

В связи с этим авторами на основе теории [1] были произведены расчеты энергии кристаллической решетки ряда гидрооксидов некоторых металлов. На основании полученных данных гидрооксиды были классифицированы по степени взаимодействия с ортофосфорной кислотой. Результаты расчетов энергии структуры для наиболее часто используемых для синтезирования фосфатных связующих гидрооксидов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Энергия кристаллической решетки гидрооксидов некоторых металлов

Гидрооксиды некоторых металлов	Плотность, г/см3	Ионная плотность, Pi	Σn. E2,15	Энергия кристаллич решетки, Дж /г
Al (OH)3 Fe (OH)3 Be (OH)2 Mg (OH)2 Ca (OH)2 Fe (OH)2 Li OH Ba (OH)2 Na OH Pb (OH)2 Cs OH	2,424 3,4 - 3,9 1,9 - 2,4 2,35 - 2,46 2,24 3,4 1,43 4,5 2,130 7,592 3,675	0,603 0,741 0,471 0,554 0,510 0,526 0,356 0,551 0,463 0,572 0,608	21,22 21,22 4,44 4,44 4,44 4,44 1,0 4,44 1,0 4,43 1,0	246,58 221,75 72,40 63,45 46,02 39,17 22,36 21,53 17,43 15,84 6,10

Исходя из величин энергии кристаллической решетки гидрооксиды металлов по их взаимодействию можно подразделить на бурновзаимодействующие, нормальнотвердеющие и активные (таблица 2) [3].

Таблица 2

Классификация гидрооксидов металлов по их взаимодействию с Н3РО4

№ группы	Характер взаимодействия гидрооксидов с ортофосфорной кислотой	Энергия структуры кристаллической решетки, Дж/г
I	Бурновзаимодействующие	221,75-246,58
II	Нормальнотвердеющие	39,17-72,40
III	Активные	6,10-22,36

Температура плавления фосфатов, в частности, трехзамещенных, зависит от многих структурно-энергетических показателей. Так на температуру плавления фосфатов (Т) в значительной степени влияет радиус модифицирующего катиона.