ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖАРОСТОЙКОГО ЦИРКОНОВОГО БЕТОНА

Тотурбиев А.Б.¹, Мусаджиев Н.Б.², Тотурбиев Б.Д.³

¹докторант, БГТУ им.В.Г.Шухова, ²инженер, ³д.т.н., проф., академик РИА. Институт геологии ДНЦ РАН

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖАРОСТОЙКОГО ЦИРКОНОВОГО БЕТОНА

Аннотация

Приведены результаты комплексного изучения процессов напряжения, деформации и ползучести цирконового жаростойкого бетона на полисиликатнатриевом композиционном вяжущем при различных температурах, что свою очередь даст возможность обоснованно назначить коэффициентов запаса прочности и термической стойкости, при этом определить оптимальные формы и размеры изделий для использования их в конструкциях футеровки тепловых агрегатов при различных режимах работы.

Ключевые слова: напряжения, деформации, ползучести, цирконовый.

Toturbiev A.B¹, Musadzhiev N.B², Toturbiev B.D³

¹doctoral student, Belgorod State Technological University named after V.G Shukhov, ²engineer, ³doctor of Technicals, Institute of Geology of the Dagestan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, , Russia, Dagestan Republic

RESEARCH THERMO-MECHANICAL PROPERTIES OF HEAT-RESISTANT ZIRCONIUM CONCRETE

Abstract

The results of a comprehensive study of the processes stress, deformation and creep zircon refractory concrete polysilicate sodium composite binder at different temperatures that turn will enable reasonably assign safety factors and thermal resistance, thus to determine the optimum shape and size of products for use in the construction of thermal lining aggregates in various modes

Keywords: voltage, of deformation, the creep, zircon.

В конструкциях футеровки тепловых агрегатов из жаростойких бетонов при высоких температурах их службы возникает напряженно-деформированное состояние. Это предусматривает необходимость комплексного изучения процессов напряжения, деформации и ползучести бетона при различных режимах работы тепловых агрегатов для обоснованного назначения коэффициентов запаса прочности и термической стойкости, а также определение оптимальной формы и размеров изделий.

В связи с этим большой интерес представляет определение термомеханических свойств жаростойких бетонов в нагретом состоянии при различных температурах, что позволяет проводить комплексное изучение напряженно-деформированного состояния футеровочных изделий с максимальным приближением к условиям эксплуатации.

Испытания термомеханических характеристик жаростойкого бетона производилась на установке, автоматические регистрирующие устройства которого позволяли получать непрерывные диаграммы «усилиеР -удлинение Δl при сжатии.

Первичные диаграммы ("усилие-перемещение", "перемещение - время") после обработки перестраиваются в диаграммы приведенных характеристик: " напряжение -деформация", "деформация- время". Эти величины в опытах на образцах простой формы при простом нагружении и однородном нагревании определяются соотношениями:

По характеру этих диаграмм, полученных при определенной программе нагружения, определяют свойства и характер поведения материала. Для определения упругости или пластичности программу нагружения составляют так, чтобы повторялась частичная нагрузка и разгрузка образца. Если при енагружении образца силой Р_yразмеры его восстанавливаются, значит до напряжений, соответствующих этой силе, материал обладает свойством упругости, а соответствующие напряжения и деформация характеризуют предел упругости. Незначительное увеличение силы Ру, приводит к остаточным деформациям.

В данной статье приведены результаты испытания термомеханических характеристик цирконового жаростойкого бетона на полисиликатнатриевом композиционном вяжущем.

В качестве огнеупорного заполнителя и тонкомолотого наполнителя соответственно был использован цирконовый концентрат Верхнеднепровского ГМК, представляющий песок коричневого цвета (размер зерен 0,5-0,63 и 0,14-0,2).Цирконовый концентрат очень устойчив к кислотам и реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой.

На рентгенограмме цирконового концентрата после нагревания до 1600⁰С обнаружены только линии, отвечающие по межплоскостным расстояниям циркону, а также незначительное количество примесного минерала бадделеита. Термографические исследования цирконового концентрата не выявили каких-либо тепловых эффектов на дифференциальной кривой до 1600⁰С,потеря в массе при этой температуре составила всего 0,6%.

Анализ полученных данных показывает, что цирконовый концентрат при нагревании до 1600⁰С проявляет стабильные свойства, существенных изменений его минералогического состава не происходит. Химический состав цирконового концентрата следующий, %: ZrO₂- 67,4;SiО₂-30,22;АI₂O₃-1,1;ТiO₂-0,2; Fe₂O₃-0,5;CaO- 0,1; MgO-0,1; п.п.п.- 0,39.

Цирконовый концентрат характеризовался следующими показателями свойств: огнеупорность – 2000⁰С;насыпная плотность - 2,9 г/см ³; коэффициент линейного расширения – 4,5 х 10^-6°С^-1_.

Полисиликаты натрия с кремнеземистым модулем 6-6.5 (SiО₂:Na₂О) получали путем взаимодействия безводного силиката натрия с 30%-ным водным раствором гидрозоля диоксида кремния при 70-90°С с последующей выдержкой не более 0.5 ч [5].

Цирконовую бетонную смесь оптимального состава, % масс. 80: 20,  заполнитель:полисиликатнатриевое композиционное вяжущее соответственно, изготавливали в следующей последовательности. Тонкоизмельченный цирконовый концентрат до S_уд = 3000 см²/г смешивали с водным раствором полисиликата натрия в скоростной лабораторной мешалке до получения суспензии цирконий-полисиликатнатриевого композиционного вяжущего. Затем в полученную суспензию вводили мелкозернистый заполнитель-цирконовый концентрат и перемешивали в течение 3-4 мин для получения однородной массы бетона. После чего из полученной массы изготавливались образцы-цилиндры диаметром 25 мм и высотой 85 мм.Твердение образцов происходило в сушильном шкафу при температуре 180-200°С.

Результаты термомеханических исследований цирконового жаростойкого бетона приведены на рис. 1-4.Из диаграммы «у » (рис.1.) следует, что при высоких температурах деформации бетона носят упругий характер. Начиная с температуры 1200°С, соответствующей началу спекания вяжущего, наблюдается снижение упругих свойств материала. При 1500-1600°С бетон приобретает пластические свойства, деформации становятся необратимыми.

На рис.2. показаны изменения прочности при сжатии и модуля упругости в зависимости от температуры. Здесь отмечено снижение R_сж и Е с повышением температуры. Более интенсивно идет этот процесс в интервале температур 1000-1200°С, что также указывает на начало спекания в бетоне.

Рис. 1 - Диаграммы «напряжение-деформация» жаростойкого цирконового бетона при различных температурах

Рис. 2 - Зависимость прочности при сжатии и модуля упругости жаростойкого цирконового бетона от температуры нагревания

Предельная деформация разрушения бетона при сжатии, равная 2,1% (рис.3) наступает при максимальной температуре испытания цирконового жаростойкого бетона.

Рис. 3 - Зависимость предельной деформации разрущения жаростойкого цирконового бетона от температуры нагревания

Одной из важнейших характеристик бетона является ползучесть. Для поликристаллической керамики, к которой можно отнести и мелкозернистый бетон в спекшемся состоянии, наиболее характерным механизмом ползучести является диффузия точечных дефектов-вакансий [1,2]. Однако при высоких температурах часто наблюдается вязкая деформация – "скольжение" по границе зерен, часто сопровождающаяся их деформацией.

Как отмечено рядом исследователей [1,2,3,4], макроструктура бетона наряду с микроструктурой, оказывает большое влияние на его деформативность при температурном воздействии. При одной и той же общей пористости у бетона с изолированными порами ячеистого характера ползучесть меньше, чем у бетона, в котором преобладают поры в виде капилляров и трещин.

Рис. 4 - Зависимость скорости ползучести жаростойкого цирконового бетона при нагрузке 0,2 МПа от времени выдержки и температуры

    Результаты исследований ползучести цирконового жаростойкого бетона представлены на рис. 4 откуда следует, что скорость ползучести с увеличением температуры от 1200 до 1600°С возрастает с 0,08 до 0,22ч^-1. При отмеченных скоростях [3] закон ползучести аппроксимируется формулой: где: σ - внешнее напряжение; σ₀ - напряжение, соответствующее пределу ползучести; R - универсальная газовая постоянная; B₀, Q, n-экспериментальные параметры материала, соответственно равные: В₀ = 0,0432; Q =106; n = 1,14.

Откуда следует, что скорость ползучести с достаточной для практики степенью точности может быть вычислена при любой нагрузке в исследуемом интервале температур. Однако здесь, в реальных условиях скорость ползучести жаростойкого бетона будет несколько отличаться от определенной экспериментальным путем, поскольку скорость нагрева изменится и, кроме того, материал будет нагреваться с одной стороны.

Таким образом, вышеприведенные результаты испытания жаростойкого цирконового бетона на полисиликатнатриевом композиционном вяжущем в нагретом состоянии т.е. комплексное изучение процессов напряжения, деформации и ползучести бетона при различных температурах, показали возможность обоснованного назначения коэффициентов запаса прочности и термической стойкости, а также определение оптимальной формы и размеров изделий и их использования в конструкциях футеровки тепловых агрегатов при различных режимах работы.