КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Ковальчук Георгій Юрійович

УДК 666.973.6; 666.974

ЖАРОСТІЙКИЙ ГАЗОБЕТОН НА ОСНОВІ

ЛУЖНОГО АЛЮМОСИЛІКАТНОГО ЗВ’ЯЗУЮЧОГО

05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівельних матеріалів та в Державному науково-дослідному інституті в’яжучих речовин і матеріалів ім. В.Д. Глуховського Київського національного університету будівництва і архітектури.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Кривенко Павло Васильович,

Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри будівельних матеріалів

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор

Крупа Олексій Арсентійович,

Національний технічний університет України “КПІ”, м. Київ,

завідувач кафедри хімічної технології кераміки та скла

– кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Червяков Юрій Миколайович,

Український науково-дослідний і проектно-конструкторський

інститут будівельних матеріалів та виробів “НДІБМВ”,

м. Київ, заступник директора з наукової роботи

Провідна установа – ВАТ “Дніпропетровський науково-дослідний інститут

будівельного виробництва”, відділ будівельних конструкцій,

будівель і споруд, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “___”_______________ 2002 р. о ____ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 “Підвалини та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, ауд. 466.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий “___”_______________ 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н. Бродко О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Орієнтація вітчизняної промисловості на енергозатратні технології за часів існування СРСР значною мірою обумовлює сучасну енергетичну кризу в Україні. Одним з пріоритетних напрямків енергозбереження в промисловості та підвищення ефективності виробництва є покращання теплової ізоляції високотемпературного устаткування. Виготовлення традиційних легких вогнетривів, у свою чергу, пов’язане із застосуванням складної високоенергоємної технології виготовлення. Проблему може бути вирішено за рахунок заміни легких вогнетривів на жаростійкі легкі, насамперед газобетони, для яких, проте, характерні достатньо низька залишкова міцність після випалювання, а також, у більшості випадків, значна вартість та дефіцитність відповідних в’яжучих речовин (фосфатних та алюмінатних цементів тощо).

З цієї точки зору особливий інтерес для створення жаростійких газобетонів викликають сучасні в’яжучі системи, що дозволяють проектувати задані спеціальні властивості композиційних будівельних матеріалів на їх основі. До таких в’яжучих належать розроблені в Державному науково-дослідному інституті в’яжучих речовин і матеріалів ім. В.Д. Глуховського лужні алюмосилікатні зв’язуючі, високі характеристики яких (значна міцність, жаростійкість тощо) обумовлені можливістю синтезу в складі новоутворень певних цеолітоподібних сполук, що визначають необхідні спеціальні властивості штучного каменю.

Недоліком зазначених зв’язуючих є підвищена вартість, обумовлена головним чином значною енергоємністю базового алюмосилікатного компоненту – метакаоліну. Подібність хімічного складу метакаоліну та золи-винесення, поряд із доцільністю синтезу штучних цеолітів на основі паливних зол, дозволяє передбачити можливість заміни метакаоліну на золу-винесення, що сприятиме підвищенню ефективності матеріалів на основі лужних алюмосилікатних зв’язуючих одночасно з вирішенням екологічних проблем утилізації відходів теплоенергетичної галузі.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до держбюджетних тем Міністерства освіти і науки України: 9ДБ-99 “Розробка рекомендацій по технологіях виготовлення легких бетонів на алюмосилікатних в’яжучих” (1999-2001 рр., № державної реєстрації 0199U000666) та етапу 2 “Встановлення впливу речовинного складу дисперсної фази неорганічних в’яжучих на фазовий склад продуктів їх тверднення, який забезпечує направлене формування структури штучного каменю” теми 4ДБ-99 “Фізико-хімічні основи отримання мінералоподібного штучного каменю на основі неорганічних в’яжучих в системі (Na, K)2O-CaO-Al2O3-SiO2-H2O, модифікованих органічними сполуками” (2000 р., № державної реєстрації 0199U000665). В зазначених роботах автор виконував обов’язки відповідального виконавця.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є визначення закономірностей структуроутворення жаростійких лужних алюмосилікатних зв’язуючих та газобетонів на їх основі.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

-

-

-

-

Об’єктом досліджень є жаростійкий газобетон на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого.

Предметом досліджень є процес направленого формування структури жаростійкого газобетону на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого на мікро- та макрорівнях.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження виконано за допомогою сучасних методів фізико-хімічного аналізу: рентгенофазового та диференційно-термічного. Структуру газобетонів було досліджено із застосуванням оптичної мікроскопії. Визначення фізико-механічних (середньої густини, міцності при стиску) та термомеханічних (залишкової міцності та усадки після випалювання, термостійкості) властивостей проведено за традиційними методиками згідно діючих нормативних документів. Розрахунки та оптимізацію складів жаростійких газобетонів проведено із застосуванням математичних методів планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

-

-

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів:

-

-

Жаростійкий газобетон на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого апробовано у виробничих умовах для теплоізоляції фрагментів футерівки (склепіння печі, склепіння фідеру, стіни басейну) скловарної печі Київського склотарного заводу. Економічний ефект від застосування розробленого матеріалу на заміну легкого шамотного вогнетриву становив 2830,73 грн/м3 газобетону.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів та впровадженні розроблених матеріалів у виробництво. Особистий внесок здобувача в наукові роботи:

1. Кривенко П.В., Ковальчук Г.Ю. Лужне алюмосилікатне зв’язуюче на основі золи-виносу // Зб. наук. пр. Дніпропетр. держ. техн. ун--ту залізничного трансп. - Сер. “Будівництво”. - 1999. - Вип. 7. - С. 212-219.

Досліджено можливість використання золи-винесення як алюмосилікатного компоненту зв’язуючих. Показано, що високі експлуатаційні характеристики штучного каменю (міцність, жаростійкість тощо) обумовлені складом ново-утворень розроблених композицій, представленим цеолітоподібними сполуками.

2. Кривенко П.В., Ковальчук Г.Ю. Фізико-хімічні перед-умо-ви отримання лужно-го алюмосилікатного зв’язуючого на основі золи-виносу // Композиційні матеріали для будівництва: Зб. наук. пр. - Макіївка: ДонДАБА. - Вип. 2000-2 (22). - С. 111-116.

Експериментально підтверджено можливість застосування золи-винесення як алюмосилікатного компоненту лужних алюмосилікатних зв’язуючих. Досліджено технологічні засоби отримання зв’язуючих на основі золи-винесення.

3. Кривенко П.В., Мохорт М.А., Ковальчук Г.Ю. Підбір складу жаростій-кого лужного алюмо-си-лі-кат-ного газо-бетону на основі золи-виносу // Вісн. Вінниц. політехнічного ін-ту. - 2000. - № 4. - С. 15-19.

Із застосуванням математичних методів планування експерименту проведено оптимізацію складу жаростійкого газобетону на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого з використанням метакаоліну та золи-винесення Бурштинської ДРЕС.

4. Кривенко П.В., Бродко О.А., Ковальчук Г.Ю. Структуроутворення жаростійкого газобетону на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого // Ресурсоекономні матеріали, конструк-ції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. - Рівне: РДТУ. - 2001. - Вип. 6. - С. 62-67.

Із застосуванням рентгенофазового та диференційно-термічного аналізів досліджено фізико-хімічні процеси гідратаційно-дегідратаційного структуро-утворення жаростійкого газобетону.

5. Кривенко П.В., Ковальчук Г.Ю. Дослідження фазового складу продуктів дегід-ра-та-ції лужних алюмо-силі-катних зв’язуючих // Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка: Наук.-техн. зб. - 2001. - № 16. - С. 49-53.

Досліджено взаємозв’язок між складом, умовами термообробки та фазовим складом продуктів дегідратації лужних алюмосилікатних зв’язуючих на основі метакаоліну та паливних зол. Обґрунтовано доцільність застосування розроблених систем для створення жаростійких композитів будівельного призначення.

6. Кривенко П.В., Ковальчук Г.Ю. Фазовий склад новоутво-рень лужного алюмоси-лі-кат-но-го зв’язуючого на основі золи-виносу // Строительство и техногенная безопас-ность: Сб. науч. тр. - Симферополь: Крымская акад. природоохранного и курортного стр-ва. - 2001. - Вып. 4. - С. 147-159.

Досліджено фазовий склад новоутворень лужних алюмосилікатних зв’язуючих на основі золи-винесення. Встановлено взаємозв’язок між компонент-ним складом, умовами термообробки та фазовим складом продуктів гідратації.

7. Кривенко П.В., Ковальчук Г.Ю., Самойленко С.С. Дослідження процесів стру-ктуроутворення хі-міч-но зв’язаної керамі-ки на основі лужного алю-мо-силікатного зв’я-зую-чого та золи-винесення // Вестн. Нац. техн. ун-та “ХПИ”. - 2001. - № 18. – С. 66-71.

Розглянуто процеси гідратаційно-дегідратаційного структуроутворення зв’язу-ючих на основі золи-винесення, особливості мікроструктури яких поряд з унікальними властивостями дозволили віднести такі системи до хімічно зв’язаної кераміки.

8. Кривенко П.В., Ковальчук Г.Ю. Жаростойкий газобетон на основе щелочного алюмосиликатного связующего // Строительные материалы. - 2001. - № 7. - С. 26-28.

Досліджено властивості жаростійкого газобетону на основі лужного алюмо-силікатного зв’язуючого в залежності від складу та технологічних параметрів.

9. Мохорт М.А., Ковальчук Г.Ю. Підвищення економічної ефективності будівельної теплоізоляції // Шляхи підвищ. ефективності буд-ва в умовах формув. ринкових відносин: Зб. наук. пр. - К.: КНУБА. - 1999. - Вип. 5. - С. 139-144.

Показано економічну ефективність застосування безавтоклавного газобетону підвищеної міцності на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого, що дозволяє зменшити товщину стіни та загальну вагу конструкцій.

10. Ефективні матеріали на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого для жаростійкої теплоізоляції промислового обладнання / П.В. Кривенко, М.А. Мохорт, Г.Ю. Ковальчук, В.М. Ресенчук // Шляхи підвищ. ефективності буд-ва в умовах формув. ринкових відносин: Зб. наук. пр. - К.: КНУБА. - 2000. - Вип. 8. - С. 99-105.

Обґрунтовано можливість застосування жаростійкого газобетону як одного з шарів комплексної футерівки високотемпературного устаткування, виконаної з застосуванням матеріалів на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого.

11. Кривенко П.В., Ковальчук Г.Ю. Жаростойкий газобетон для теплоизоляции высокотемпературного оборудования // Строительные материалы и изделия. - 2001. - № 2. - С. 27-28.

На підставі аналізу структури та властивостей газобетону на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого розглянуто можливість його застосування для теплоізоляції високотемпературного устаткування.

12. Omelchuk V.P., Kovalchuk G.Yu. The regulation of properof the slag alkaline cement cellular concrete // Proc. Second Intern. Conf. "Alkaline Cements and Concretes". - Kyiv (Ukraine). - 1999. - P. 587-593.

Досліджено процеси структуроутворення та властивості шлаколужних ніздрюватих бетонів на основі різних алюмосилікатних та лужних компонентів.

13. Krivenko P.V., Mokhort N.A., Kovalchuk G.Yu. Structure and properties of geocement-based gas concretes // Proc. Sixth Intern. Conf. on Structural Failure, Durability and Retrofitting (ICSF 2000). - Singapore. - 2000. - P. 149-156.

Досліджено структуру та властивості газобетонів на основі лужних алюмосилікатних зв’язуючих та вказано на ефективні напрямки їх застосування.

14. Кривенко П.В., Ковальчук Г.Ю., Самойленко С.С. Дослідження процесів спу-чення зольного гра-вію на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого // Материалы к 40-му междунар. семинару “Моделирование и оптимизация в материаловедении” (МОК-40). - Одесса: Астропринт. - 2001. - С. 74-75.

Встановлено та досліджено ефект спучення висококремнеземних лужних алюмосилікатних зв’язуючих на основі золи-винесення.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були висвітлені на 58, 59, 60 та 61 науково-практичних конференціях КНУБА (1998-2001 рр.), ІІ міжнародній конференції “Alkaline Cements and Concretes” (Київ, ДНДІВМ, 1999 р.), науково-технічних семінарах “Ефективна тепло-, гідроізоляція будинків і споруд та їх вогнезахист при будівництві та реконструкції” (Київ, НДІБК, 1999 р.) та “Матеріали для сучасного будівництва” (Київ, НДІБМВ, 2001 р.), Третій міжнародній науково-практичній конференції “Енергозбереження в будинках і спорудах” (Київ, ЗНДІЕП, 2000 р.), Шостій міжнародній конференції “Structural Failure, Durability and Retrofitting” (Сінгапур, 2000 р.), 40-му міжнародному семінарі “Моделирование и оптимизация в материаловедении (Одеса, ОДАБА, 2001 р.), Науково-практичній конференції “Строительные материалы на основе отходов топливно-энергетического комплекса: опыт, достижения и проблемы” (Київ, НДІБМВ, 2001 р.), Третій науково-технічній конференції “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (Рівне, РДТУ, 2001 р.), Міжнародному симпозіумі “Sustainable Development of Cement and Concrete” (Сан-Франциско, США, 2001 р.) та на конференції “Фізико-хімічні проблеми керамічного матеріалознавства” (Харків, НТУ “ХПІ”, 2001 р.).

Покладені в основу дисертації авторські роботи за результатами конкурсів було відзначено грамотою Національної Академії наук України (1999 р.), стипендією Кабінету Міністрів України для молодих учених (2000 р.) та грантом Президента України для обдарованої молоді (2002 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 19 друкованих робіт, в тому числі 9 – у наукових фахових виданнях, 4 – в наукових журналах, 6 – у матеріалах та тезах доповідей вітчизняних та міжнародних конференцій та семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 118 сторінках друкованого тексту основної частини, яка складається зі вступу, п’яти розділів та висновків. Повний обсяг дисертації становить 193 сторінки і включає 21 таблицю, 40 рисунків, список використаних джерел з 271 найменування та 6 додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету досліджень, наукову новизну, практичну значимість та основні задачі, що розв’язані у роботі.

У першому розділі наведено огляд стану наукової розробки теми та визначено теоретичні передумови досліджень.

Аналіз сучасних тенденцій розвитку високотемпературних технологічних процесів показує, що вирішення актуальної задачі покращання ефективності теплової ізоляції високотемпературного устаткування доцільно реалізовувати шляхом заміни традиційних легких вогнетривів на легкі жаростійкі бетони, що дозволяє виключити принаймні останнє, найбільш тривале випалювання футерувальних матеріалів, покращити продуктивність праці, знизити собівартість та підвищити стійкість футерівки, сприяючи загальному енерго- та ресурсо-збереженню як на стадії виробництва, так і на стадії експлуатації високотемпературних теплоізоляційних матеріалів.

Найефективнішими серед легких жаростійких бетонів, враховуючи економічні, технологічні та функціональні переваги, є ніздрюваті бетони. Найбільшого поширення набули жаростійкі газобетони на основі портландцементу, рідкого скла та алюмінатних цементів, але зазначеним матеріалам властиві деякі недоліки: необхідність застосування дорогих технологій, невисокі термомеханічні властивості тощо. Вирішення цих проблем можливе за рахунок застосування в’яжучих, жаростійкість яких обумовлено формуванням у складі новоутворень цеолітоподібних сполук. До таких в’яжучих належать створені науковою школою проф. В.Д. Глуховського лужні в’яжучі системи, зокрема геоцементи.

Розвиток фізико-хімічних основ управління процесами структуроутворення геоцементів дозволив запропонувати лужні алюмосилікатні зв’язуючі, в основу створення яких покладено принцип формування у складі продуктів гідратації певних цеолітоподібних новоутворень, що визначають необхідні властивості матеріалів на основі таких зв’язуючих – високу міцність, жаростійкість тощо. Зокрема, жаростійкість зв’язуючих обумовлена синтезом у складі новоутворень термостабільних фаз (аналогів фожазиту, морденіту, шабазиту, содаліту тощо), здатних до плавної дегідратації та перекристалізації у стабільні безводні алюмосилікати без руйнування каркасу.

Проблему дещо підвищеної вартості зв’язуючих, обумовлену головним чином значною енергоємністю базового алюмосилікатного компоненту – метакао-ліну, може бути вирішено шляхом його заміни на більш дешеві матеріали, що забезпечують можливість синтезу цеолітоподібних новоутворень.

Аналіз інформації щодо доцільності заміни легких вогнетривів на жаростійкі ніздрюваті бетони, теоретичних основ синтезу штучного каменю на основі лужних алюмосилікатних зв’язуючих, даних про ефективність використання золи-винесен-ня ТЕС як алюмосилікатного компоненту геоцементів, а також відомостей в обла-сті синтезу цеолітоподібних продуктів на основі золи-винесення дозволяє висунути наукову гіпотезу щодо можливості отримання жаростійкого газобетону на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого та золи-винесення за рахунок регулювання властивостей матеріалу на різних ієрархічних рівнях, при цьому на мікрорівні регулювання забезпечуватиметься шляхом синтезу термостабільних цеолітоподіб-них новоутворень, на мезорівні – підбором оптимальної кількості жаростійкого наповнювача та на макрорівні – шляхом відповідного управління ніздрюватою макроструктурою матеріалу. Застосування золи-винесення сприятиме підвищенню ефективності зв’язуючих шляхом зниження їх вартості при одночасному вирішенні екологічних проблем утилізації відходів теплоенергетичної промисловості.

У другому розділі наведено характеристики застосованих сировинних матеріалів та методів досліджень.

Як об’єкти дослідження фізико-хімічних процесів структуроутворення в’яжучих композицій для виготовлення жаростійкого газобетону було використано модельні системи (Na,K)2O-Al2O3-SiO2-H2O, представлені лужними алюмосилікат-ними зв’язуючими, що відрізнялись мольним співвідношенням оксидів Me2O/Al2O3, SiO2/Al2O3 та Н2O/Al2O3, а також видом алюмосилікатного компоненту. Як алюмосилікатний компонент використовували метакаолін, отриманий дегідратацією каоліну Просянівського родовища при температурі 800С, золу-винесення Бурштинської ДРЕС (ГОСТ 25818) та відвальну золу гідровидалення Трипільської ДРЕС, що представлена фракцією золошлакової суміші < 0,16 мм (ГОСТ 25592). Як базовий лужний компонент використовували силікат натрію розчинний з силікатним модулем 2,8, густиною 1400 кг/м3 Київського склотарного заводу (ГОСТ 13078). Коригування дисперсної фази здійснювали введенням добавок мікрокремнезему (білої сажі БС-50 Вінницького хімічного заводу), натру їдкого технічного (ГОСТ 2263) та калі їдкого технічного (ГОСТ 9285). Як добавку-регулятор процесів структуроутворення зв’язуючих застосовували портланд--це-мент-ний клінкер Ольшанського цементного заводу.

Як наповнювач при дослідженні жаростійкості зв’язуючих було використано шамот Першотравеньського електрофарфорового заводу марки ШКМ-10 (ГОСТ 23037), розмелений до питомої поверхні 410 м2/кг за Блейном. При виготовленні газобетону як наповнювачі застосовували золу-винесення Бурштинської ДРЕС, золу Трипільської ДРЕС та мелений шамот. Як газоутворювач застосовували пудру алюмінієву пігментну ПАП-1 (ГОСТ 5494), знежирену розчином господарчого мила (ГОСТ 30288), у вигляді суспензії.

Склад новоутворень лужних алюмосилікатних зв’язуючих та продуктів їх дегідратації вивчали за допомогою рентгенофазового та диференційно-термічного аналізів. Підбір складу та виготов-лення зразків газобетону проводили з урахуванням рекомендацій ДСТУ Б В.2.7-45 та СН 277 із застосовуванням попереднього розігрівання форм та методу гарячого формування. Фізико-механічні властивості матеріалів досліджували згідно діючих нормативних документів: середню густину – за ГОСТ 12730.1, міцність при стиску – за ГОСТ 10180, жаро- та термостійкість – за ГОСТ 20910.

У третьому розділі наведено результати досліджень процесів структуроутворення штучного каменю на основі лужних алюмосилікатних зв’язуючих в залежності від компонентного складу та умов термообробки.

Попередні експерименти показали, що при замішуванні золи-винесення розчином на основі рідкого скла відбувається швидке коагуляційне тужавлення з утворенням неводостійкого каменю, здатного до оборотного переходу у рідкий стан при нагріванні вище температури 60?С. В ході досліджень було обґрунтовано доцільність запобігання такого явища за рахунок гарячого формування з подальшим витримуванням суміші при температурі 60…80?С до тверднення. Виготовлені таким чином зразки на основі різних зол характеризу-вались міцністю при стиску після термообробки – до 57 МПа, водостійкістю – не менше 0,8 та залишковою міцністю після випалювання при 800?С – до 137,5%, що підтвердило можливість отримання зв’язуючих на основі золи-винесення.

Для встановлення впливу речовинного складу дисперсної фази лужних алюмосилікатних зв’язуючих на фазовий склад новоутворень згідно результатів попередніх досліджень було відібрано 10 композицій, які відрізнялись видом алюмосилікатного компоненту та мольним співвідношенням SiO2/Al2O3, що знаходилось в межах 2…8 для зв’язуючих на основі метакаоліну та 4…8 для зв’язуючих на основі зол (рис. 1).

Рис. 1 Вплив складу лужних алюмосилікатних зв’язуючих на основі метакаоліну (а), золи-винесення Бурш-тин-ської (б) та золи Трипільської ДРЕС (в) та умов термообробки на фазовий склад про-дук-тів гідратації. An – анальцим; А – цеоліт Na-A; Р – цеоліт Р; R – цео-літ R; Z – неідентифікована “фаза Z”; HN – гідронефелін; HS – гідросодаліт; Т – тоберморитовий гель

Після формування зразки витримували при температурі 80С до тужавлення, після чого розпалублені зразки направляли на термообробку за одним з п’яти режимів: автоклавування при надлишковому тиску 0,8 МПа та температурі 174С, пропарювання при температурі 80С; сушку при температурах 80С, 150 або 220?С. Тривалість ізотермічного витримування в усіх випадках становила 6 годин.

Як показали дослідження, склад продуктів гідратації лужних алюмосилікатних зв’язуючих визначається видом алюмосилікатного ком-поненту, моль-ним відношенням SiO2/Al2O3, видом та концентрацією луж--ного компоненту та, насамперед, режимом термообробки. Виключенням є зв’язуюче складу на основі метакаоліну, продуктами гідратації якого незалежно від режиму термообробки є цеоліт Na-А та гідронефелін. При застосуванні автоклавування спостерігається тенденція до синтезу аналогів природних цеолітів (анальциму, цеолітів А, P та R), причому інтенсивність рефлексів зазначених сполук на рентгенограмах вказує на утворення достатньо великої кількості цих продуктів. При застосуванні ж пропарювання і особливо сушки спостерігається переважне утворення гідросодаліту та, ймовірно, близької до нього за природою неідентифікованої фази Z, невисока інтенсивність рефлексів яких свідчить про певну локалізацію та недосконалість процесів кристалоутворення цих фаз у зазначеній системі. За умов пропарювання ініціюється утворення тоберморитового гелю на основі кальційвміщуючих фаз зі складу вихідних зол. Повна або часткова заміна лужного компоненту з рідкого скла на NaOH інтенсифікує утворення гідросодаліту та, у випадку автоклавування, цеоліту R.

Інтенсивність процесів цеолітоутворення зменшується при збільшенні мольного відношення SiO2/Al2O3 у складі лужних алюмосилікатних зв’язуючих, яке супроводжується зменшенням концентрації лужного компоненту. Серед режимів термообробки найінтенсивніше цеолітоутворення зафіксовано при застосуванні автоклавування. В залежності від виду алюмосилікатного компоненту інтенсивність зменшується в ряду: зола-винесення Бурштинської ДРЕС > зола Трипільської ДРЕС > метакаолін, в залежності від виду лужного компоненту – в ряду: їдкий натр > рідке скло.

На відміну від фазового складу продуктів гідратації, фазовий склад продуктів дегідратації лужних алюмосилікатних зв’язуючих при температурі 800?С не залежить від виду низькотемпературної обробки і визначається виключно компонентним складом зв’язуючого. При цьому спостерігається кореляція між співвідношенням SiO2/Al2O3 вихідних зв’язуючих та продуктів їх дегідратації: при збільшенні цього відношення від 2 до 8 склад продуктів дегідратації в загальному випадку змінюється у напрямку: нефелін () альбіт () -кристобаліт ().

В ході досліджень було відмічено, що висококремнеземні зольні зв’язуючі навіть більшою мірою за їх аналоги на основі метакаоліну схильні до низькотемпературного (до 200?С) спучення при нагріванні, що було покладено в основу створення високоміцного безвипалювального зольного гравію. Водночас створення жаростійких матеріалів вимагає забезпечення стабільності об’єму матеріалу в широкому діапазоні температур. Як показали експерименти, регулювання процесів усадки/спучення штучного каменю при нагріванні доцільно проводити шляхом підбору оптимальних складів зв’язуючих та введенням жаростійкого наповнювача.

Дослідження взаємозв’язку між складом, параметрами термообробки, фазовим складом новоутворень та властивостями штучного каменю на основі лужних алюмосилікатних зв’язуючих було проведено на основі композицій, модифікованих меленим шамотом у співвідношенні 1:1. Було встановлено, що оптимальними термомеханічними властивостями (високою абсолютною та залишковою міцністю поряд з низькою усадкою після випалювання) характеризуються композиції, фазовий склад яких за відповідних умов представлено середньою кількістю термостабільних цеолітоподібних новоутворень – анальциму, гідросодаліту та цеоліту R, що здатні до плавної дегідратації та перекристалізації у кристалохімічно подібні безводні алюмосилікати – нефелін та альбіт – без руйнування каркасу. Значна інтенсивність кристалоутворення, що спостерігається при застосуванні автоклавування, так само як і недостатнє проходження процесів кристалізації новоутворень висококремнеземних зв’язуючих призводять до різкого погіршення експлуатаційних характеристик матеріалу. При цьому композиції на основі зол переважають аналогічні композиції на основі метакаоліну за своїми властивостями, особливо після випалювання. Подібність фазового складу продуктів гідратації та дегідратації поруч із високими експлуатаційними властивостями підтвердили доцільність заміни метакаоліну як алюмосилікатного компоненту зв’язуючих на золу-винесення.

На підставі зазначених досліджень, з урахуванням підвищеної активності метакаоліну на ранніх стадіях гідратації у порівнянні з золою-винесення, було розроблено жаростійкі композиції на основі лужних алюмосилікатних зв’язуючих (табл. 1), що характеризуються строками тверднення при 80?С – до 4 годин, міцністю при стиску після низькотемпературної термообробки – до 88,5 МПа, міцністю при стиску після випалювання при температурі 800?С – до 88,7 МПа, залишковою міцністю після випалювання – до 245% та усадкою після випалювання – в межах 0…4,2%. Розроблені композиції було покладено в основу створення жаростійких газобетонів.

В четвертому розділі проведено проектування складів та дослідження властивостей жаростійких газобетонів.

Таблиця 1

Оптимальні жаростійкі композиції на основі лужних алюмосилікатних зв’язуючих

Характеристика зв’язуючого | Наповнювач

алюмосилікатний компонент | SiO2/

Al2O3

метакаолін | 4,0 | зола-винесення Бурштинської ДРЕС

метакаолін | 4,0 | зола Трипільської ДРЕС

зола-винесення Бурштинської ДРЕС | 4,5 | мелений шамот

зола Трипільської ДРЕС | 5,0 | мелений шамот

Враховуючи те, що за умов високого показника рН дисперсійного середовища лужних алюмосилікатних зв’язуючих алюмінієва пудра бурхливо реагує з лугами, в ході попередніх досліджень було встановлено доцільність забезпечення синхронізації строків спучення та тверднення газобетонної суміші шляхом прискорення строків тверднення за рахунок застосування технології гарячого формування з подальшим витриму-ванням суміші до досягнення необхідної пластичної міцності, а також введення добавки-прискорювача строків тужавлення – портландцементного клінкеру.

Виходячи з функціонального призначення матеріалу, особливий інтерес при розробці складів жаростійкого газобетону викликає дослідження можливості отри-мання матеріалів з широким діапазоном значень середньої густини та, відповідно, теплофізичних властивостей, при одночасному забезпеченні необхідних механіч-них та термомеханічних характеристик. Аналіз результатів попередніх дослі-джень дозволив зробити висновок щодо доцільності керування цими властиво-стями шля-хом підбору оптимального співвідношення між технологічними параметрами, які відіграють головну роль у структуроутворенні газобетону на основі лужних алю-мосилікатних зв’язуючих: вмістом наповнювача та добавки – регулятора процесів структуроутворення (портландцементного клінкеру), а також водовмісту суміші.

Для виготовлення газобетону було взято склади жаростійких композицій в двох принципово відмінних системах (табл. 1): “зв’язуюче на основі метакаоліну – зола-винесення як наповнювач” та “зв’язуюче на основі золи-винесення – мелений шамот як наповнювач”. Виходячи з того, що вид золи принципово не впливає на процеси структуроутворення та властивості композицій в кожній із зазначених систем, для подальших досліджень було відібрано по одній з розроблених композицій з кожної системи, а саме: “зв’язуюче на основі метакаоліну – зола Трипільської ДРЕС як наповнювач” та “зв’язуюче на основі золи-винесення Бурштинської ДРЕС – мелений шамот як наповнювач”. На основі цих складів було виготовлено зразки газобетону за литтьовою технологією із застосуванням відповідних технологічних засобів.

Дослідження було проведено з використанням трирівневого трифакторного плану побудови експерименту. Як фактори варіювання було обрано відношення кількості наповнювача до маси сухих компонентів зв’язуючого (1…2 для зв’язуючих на основі метакаоліну та 1…1,5 для зв’язуючих на основі золи-винесення), вміст добавки клінкеру по відношенню до маси сухих компонентів зв’язуючого (0…10%) та водотверде відношення (0,30…0,40 для зв’язуючих на основі метакаоліну та 0,25…0,35 для зв’язуючих на основі золи-винесення). Як вихідні параметри фіксували час набору розпалубочної міцності, середню густину, міцність при стиску та коефіцієнт конструктивної якості зразків після пропарю-вання, а також середню густину, міцність при стиску, залишкову міцність та усадку після випалювання при температурі 800?С. В результаті математичної обробки отриманих експериментальних даних було визначено коефіцієнти рівнянь регресії та побудовано ізопараметричні діаграми властивостей жаростійких газобетонів.

Як свідчить аналіз отриманих результатів, час тверднення газобетону в обох системах залежить головним чином від вмісту клінкеру, що підтверджує доціль-ність його застосування як прискорювача строків тверднення газобетону на основі лужних алюмосилікатних зв’язуючих. Водночас всі інші властивості газобетону на основі системи “зола – шамот” визначаються насамперед водотвердим відношенням, засвідчуючи про високу чутливість такої системи до зміни водовмісту, що проявляється зокрема у широкому діапазоні значень середньої густини в рамках експерименту в даній системі (335…1187 кг/м3) у порівнянні з аналогами в системі “метакаолін – зола” (416…661 кг/м3), в якій середня густина та усадка залежать в основному від вмісту клінкеру, а коефіцієнт конструктивної якості та залишкова міцність – від вмісту наповнювача. Порівню-ючи властивості газобетонів в різних системах, слід зазначити, що матеріали системи “метакаолін – зола” у порівнянні з аналогами системи “зола –шамот” характеризуються більш короткими строками тверднення та більш високою міцністю після пропарювання, але погіршеними термомеханічними властивостями: низькою залишковою міцністю після випалювання та більш високою усадкою. В ході досліджень отримано матеріал, що характеризуються середньою густиною 300…1100 кг/м3, міцністю при стиску до 15,8 МПа, коефіцієнтом конструктивної якості до 140 (в установчих експериментах – до 179), міцністю при стиску після випалювання до 22,1 МПа, залишковою міцністю до 570% та усадкою в межах 0,82…5,73%.

На основі побудованих експериментально-статистичних моделей розроблено склади жаростійких газобетонів марки D500 за середньою густиною, класу И8 за граничною температурою застосування та марки Т220…Т225 за термостійкістю, що характеризуються міцністю при стиску 0,6…2,1 МПа, залишковою міцністю після випалювання при 800?С 75…537%, усадкою після випалювання в межах 0,94…1,97% та термостійкістю 24…34 повітряних теплозміни.

Формування структури жаростійкого газобетону на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого проходить у дві стадії. На першій стадії при застосуванні низькотемпературної теплової обробки утворюється ніздрювата макроструктура матеріалу та міцна первинна мікроструктура, основу якої складають цеолітоподібні сполуки. Друга стадія структуроутворення відбувається в процесі експлуатації матеріалу при першому нагріванні виробів до робочої температури. На цій стадії макроструктура матеріалу майже не змінюється, а основа мікроструктури – гідратні новоутворення – перекристалізовуються на безводні без зміни об’єму і, відповідно, без руйнування каркасу. Дегідратація новоутворень при температурах до 600?С призводить до незначного за амплітудою та плавного за характером зниження міцності конгломерату, а їх перекристалізація в діапазоні температур 600…800?С супроводжується збільшенням міцності, особливо різким для зв’язуючих на основі золи-винесення, а також зростанням усадки матеріалу (до 2%). Подальше нагрівання газобетону до температури 1000?С, не викликаючи руйнування структури, призводить до подальшого зростанням усадки, особливо композицій на основі метакаоліну, що обмежує діапазон застосу-вання розроблених складів матеріалу температурою 800?С. Відсутність значних спадів міцності при нагріванні обумовлює високу термостійкість матеріалу.

У порівнянні з іншими матеріалами, що традиційно застосовують для теплової ізоляції устаткування з робочою температурою до 800?С, розроблений жаростійкий газобетон характеризується в 2…5 разів більшою абсолютною та в 5…14 разів вищою залишковою міцністю після випалювання, в 1,5…4,9 разів кращою термостійкістю (рис. 2), а також меншою енерго- та ресурсоємністю, що відкриває можливість зниження середньої густини і, відповідно, товщини футерівки при збереженні її несучої здатності та теплозахисних властивостей.

Рис. 2 Порівняння властивостей жаростійкого газобетону на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого та аналогів: 1 – шамотні легкі вогнетриви; 2, 3, 4 – жаростійкі ніздрюваті бетони відповідно на портландцементі, рідкому склі та глиноземному цементі; 5 – розроблений матеріал

В п’ятому розділі наведено результати дослідно-промислового впровадження жаростійкого газобетону на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого для теплоізоляції фрагментів футерівки скловарної печі Київського склотарного заводу загальною площею 5 м2. Максимальна робоча температура на внутрішній поверхні жаростійкого газобетону становила до 700С. Після розігрівання до робочої температури не виявлено деформування або інших ознак руйнування виробів, що підтверджує можливість використання запропонованого безвипалювального жаростійкого газобетону як альтернативу легким вогнетривам аналогічної середньої густини, в тому числі при гарячих ремонтах високотемпературного устаткування. Економічний ефект від застосування жаростійкого газобетону становив 2830,73 грн/м3 матеріалу.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Основні положення дисертації викладено у працях:

1. Кривенко П.В., Ковальчук Г.Ю. Лужне алюмосилікатне зв’язуюче на основі золи-виносу // Зб. наук. пр. Дніпропетр. держ. техн. ун--ту залізничного трансп. - Серія “Будівництво”. - 1999. - Вип. 7. - С. 212-219.

2. Кривенко П.В., Ковальчук Г.Ю. Фізико-хімічні перед-умо-ви отримання лужно-го алюмосилікатного зв’язуючого на основі золи-виносу // Композиційні матеріали для будівництва: Зб. наук. пр. - Макіївка: ДонДАБА. - Вип. 2000-2 (22). - С. 111-116.

3. Ковальчук Г.Ю. Дослідження жаростійкості газобетону на основі лужного алю-мо-силі-кат-ного зв’язую-чо--го // Будівництво України. - 2000. - № 4. - С. 21-24.

4. Кривенко П.В., Мохорт М.А., Ковальчук Г.Ю. Підбір складу жаростій-кого лужного алюмо-си-лі-кат-ного газо-бетону на основі золи-виносу // Вісн. Вінниц. політехнічного ін-ту. - 2000. - № 4. - С. 15-19.

5. Кривенко П.В., Бродко О.А., Ковальчук Г.Ю. Структуроутворення жаростійкого газобетону на основі лужного алюмосилікатного зв’язуючого // Ресурсоекономні матеріали, конструк-ції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. - Рівне: РДТУ. - 2001. - Вип. 6. - С. 62-67.

6. Кривенко П.В., Ковальчук Г.Ю. Дослідження фазового складу продуктів дегід-ра-та-ції лужних алюмо-силі-катних зв’язуючих // Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка: Наук.-техн. зб. - 2001. - № 16. - С. 49-53.

7. Кривенко П.В., Ковальчук Г.Ю. Фазовий склад