Одним з головних викликів для України є загальне енергозбереження та економічні витрати на енергоємну продукцію, в тому числі вогнетривких елементів. Економія може бути досягнута шляхом підвищення рівня технології виробництва і використання менш дорогих і більш термостійких матеріалів, що залежать від температурних умов, наприклад, жаростійкого бетону. Водночас до недавнього часу вогнетривкі матеріали вироблялися переважно у вигляді дрібних елементів (вогнетривкої цегли, форм, плиток та шамотних блоків), що ускладнює механізацію та індустріалізацію їх застосування, одночасно зменшуючи термін їх служби через багатошаровість [1].
Найважливішим резервом економії ресурсів у будівництві є широке використання вторинних матеріалів і ресурсів. Перероблювання промислових відходів дає дешеву і часто вже готову сировину у великій кількості для виробництва, заощаджуючи капітальні інвестиції та підвищуючи рентабельність будівництва сировинних компаній, звільняючи великі площі землі та зменшуючи забруднення навколишнього середовища [2]. Одним з головних національних пріоритетів є підвищення рівня перероблювання промислових відходів. Найбільш перспективним напрямком використання промислових відходів є виробництво будівельних матеріалів, яке може задовольнити до 40% попиту на сировину і є дуже важливою галуззю промисловості. Найбільші викиди припадають на енергетичну, хімічну та металургійну галузі. В результаті різних технологічних процесів в атмосферу потрапляють газоподібні та тверді відходи від спалювання палива. Окрім атмосфери, на гідросферу (водне середовище) також негативно впливають промислові відходи. Впровадження безвідходних технологій є ефективним способом розв'язання проблеми промислових відходів [2]. Комплексне використання сировини металургійної промисловості, де під час виплавки чавуну, сталі та залізних сплавів неминуче утворюється велика кількість технічних відходів, вважається особливо важливим через великий обсяг відходів.
Термореактивний бетон на основі рідкого скла широко використовується в різних суворих умовах, а також при високих температурах. Порівняно з термореактивним бетоном на основі клінкерного в'яжучого, він має вищі показники міцності, економічності, фізико-механічних властивостей [3]. Крім того, на відміну від бетону на основі клінкерного в'яжучого, термостійкий рідкий склобетон майже не втрачає свою міцність при нагріванні [4].
Однак склобетон містить велику кількість рідкого скла (300-500 кг на м3 бетону) і оксиду натрію Na2O відповідно, що вимагає набагато більшого вмісту води в бетонній суміші (понад 300 л) і потребує великої кількості дрібнодисперсного затверджувача і домішок жаростійких добавок (>500 кг/м3 на 1 м3 бетону).
Слід зазначити, що оксид натрію Na2O є легкозаймистим матеріалом, який знижує вогнестійкість термореактивного бетону і його стійкість до гарячих умов.
У цьому контексті увагу привертають дослідження, спрямовані на розробку типу безклінкерного термочутливого бетону з високими термомеханічними властивостями на основі натрій-силікатних композиційних в'яжучих [5].
Наразі накопичений достатній досвід проєктування термореактивних бетонів з силікатно-натрієвими композиціями де було враховано різні технічні та експлуатаційні чинники[5]. Цей бетон був розроблений для температур від 1000 до 1600°C з використанням різних вогнетривких матеріалів в якості заповнювачів.
При використанні дрібнозернистих композицій силікату натрію замість рідкого скла з подальшим твердненням шляхом низькотемпературної термообробки (90-180°C) призвело до значного зменшення вмісту силікату натрію, усунення енергомісткої операції отримання рідкого скла з силікатних блоків, однорідності бетонної суміші, покращення умов формування та зменшення використання води для лиття. Це також значно підвищує когезію в'яжучого, що в кінцевому підсумку призводить до поліпшення вогнетривких властивостей термореактивного бетону на безводному силікаті натрію і значного поліпшення його термодинамічних властивостей [5].
Порівняно з вогнетривкими бетонами такого ж складу, натрієво-силікатні термореактивні бетони мають нижчий модуль пружності та теплового розширення при високих температурах, що зумовлює вищий термічний опір, приблизно на 20% нижчу теплопровідність та вищу міцність у конструкціях з таких бетонів [6-13]. Слід зазначити, що існують багато прикладів, що демонструють довший термін служби та вищу продуктивність термостійких матеріалів.
Жаростійкий бетон порівнювали з вогнестійкими виробами та досліджували їх ефективність [1,2,5, 6, 9-12].
Об'єктом дослідження є жаростійкий бетон з низькотемпературним вогнетривким глинистим заповнювачем, що складається з композиційного карборунд-натрій-силікатно-кремнеземистого в'яжучого та сланцевої глини.
Для виробництва термореактивного бетону слід вибирати сировину, яка не поступається вогнетривким глинам за експлуатаційними характеристиками, а також підбирати раціональний склад.
Структура, яка визначає найважливіші властивості термореактивного бетону, визначається не лише його складом, але й технічними чинниками, а саме якістю перемішування бетонної суміші та ефективністю ущільнення при укладанні [1-6].
Процес змішування бетонної суміші залежить від декількох чинників. На ефективність і потужність змішування впливає конструкція змішувача, яка визначає, серед іншого, швидкість і траєкторію руху частинок і порядок подачі інгредієнтів.
З метою визначення впливу способу та інтенсивності приготування бетонної суміші на її однорідність на основі результатів попередніх досліджень було приймали наступний склад.
Жаростійкий бетон, % за масою: заповнювач з низькообпаленої вогнетривкої глини
Сланцева глина - 85, силікат натрію - 15. Склад силікатного натрієвого композиційного в'яжучого з питомою поверхнею 2800-3200 см2/г, % за масою: дрібнодисперсна суміш карборундової та вогнетривкої глин (1:1) - 80; безводний силікат натрію (кремнеземна глина) - 20.
Жаростійку бетонну суміш з оптимізованим складом змішували та випробовували в різних типах змішувачів: крильчастих, гравітаційних і вібраційних. Для кожного типу змішувача було протестовано чотири режими змішування.
1. Всі інгредієнти та вода додаються одночасно і перемішуються за наступних умов від 7 до 11 хвилин.
2. Додають третину від загального обсягу води, додати всі інгредієнти, перемішати до 3 хвилин, додати воду, що залишилася, перемішати до 7 хвилин.
3. Одночасна подача всіх інгредієнтів - змішування з сухою водою до 5 хвилин, змішування з водою, змішування 7 хвилин.
4. Подача і перемішування дрібнодисперсного порошку і в'яжучого протягом 3 хвилин, подача і перемішування решти заповнювачів до 5 хвилин і остаточне перемішування і змішування з водою до 7 хвилин.
Бетонні суміші з різними режимами змішування інгредієнтів готували методом вібраційного ущільнення для виготовлення зразків розміром 15 х 15 х 15 см і визначали їх міцність на стиск після термообробки. Результати тестів представлені в таблиці 1.
Згідно з отриманими даними, найкращий розподіл і однорідність структури в'яжучого досягається при ретельному і сухому змішуванні компонентів, з подальшим змішуванням з водою і безперервним перемішуванням.
Таблиця 1: Вплив типу змішувача та умов змішування на міцність на стиск досліджуваних термореактивних бетонів.
Репрезентовані в таблиці 1 результати, показують, що спосіб перемішування, тобто тип змішувача, мають вплив на міцнісні властивості зразків термореактивного бетону, які піддавали дослідам. Найліпші результати отримані при вібраційному перемішуванні компонентів бетонної суміші, а найгірші - при гравітаційному перемішуванні. Але вібраційний змішувач має найменший коефіцієнт надійності та й робоче середовище також несприятливе (підвищений рівень шуму та вібрації). Тому в якості змішувального пристрою ліпше робити вибір на користь лопатевого змішувача з примусовим перемішуванням.
Разом з тим простежено вплив часу перемішування на навантаження бетонної суміші та швидкість змішування всіх компонентів у вибраному змішувальному пристрої та режим змішування.
Рис. 1. Залежність міцності на стиск і середньої густини термореактивного бетону від часу перемішування після додавання всіх компонентів.
Результат впливу системи змішування, а саме лопатевого змішувача, та режиму змішування (подачі та перемішування дрібнодисперсного порошку і в'яжучого протягом 3 хвилин, подачі та перемішування решти заповнювачів до 5 хвилин і остаточного перемішування і змішування з водою до 7 хвилин) на середню міцність на стиск та густину термореактивного бетону наведено на рис. 1.
Аналіз кривих на рис. 1 показано, що найкращі результати досягаються при перемішуванні від 5 до 7 хвилин. Подальше збільшення часу перемішування не призводить до покращення фізико-механічних властивостей бетону. Найімовірніше це пов'язано з сегрегацією суміші. Репрезентовані результати ще раз підтверджують, що четвертий режим перемішування є правильним вибором для змішування термореактивного бетону на композиційному в'яжучому на основі силікату натрію.
Іншим важливим процесом в технології термореактивного бетону є його формування бетону. Компресійне та вібраційне формування - найпоширеніші методи формування термореактивного бетону.
Результати дослідження для визначення раціональних методів формування термореактивного бетону, наведені в таблиці 2.
Таблиця 2. Вплив різних методів ущільнення на міцність термореактивного бетону.
Результати демонструють ефективність ущільнення сумішей з застосуванням пресування. Більша щільність сприяє зчепленню в'яжучого з частинками заповнювача і збільшує кількість циклів зчеплення завдяки більшій площі контакту. Цей контакт збільшується під час термічної обробки та закріплюється після висихання. Однак, попри те, що цей метод є дуже ефективним з технічної точки зору і дозволяє отримати бетон з високою щільністю і міцністю при мінімальних витратах в'яжучого, ущільнення бетонних сумішей пресуванням застосовується рідка. Пресування широко використовується лише для формування невеликих виробів.
Найпоширенішим методом ущільнення бетонних сумішей є вібрація. Як відомо, вібробетон характеризується коефіцієнтом пластичної пластичності, який є функцією складу бетону (зерновий склад, властивості заповнювача, вологість тощо) і параметрів вібрації (частота Гц; амплітуда вібрації х0, мм; інтенсивність ущільнення I см2 /с3; час вібрації t, хв).
З метою визначення впливу вищезазначених факторів на показник міцності термореактивного бетону, що розглядається, були проведені відповідні експериментальні дослідження, результати яких представлені на рисунку 2. Аналіз цієї графічної залежності показує, що для певного значення вібростійкості ущільнення міцнісні властивості термореактивного бетону зростають зі збільшенням частоти. Тому для ефективного ущільнення досліджуваного термореактивного бетону вібраційним методом доцільно застосовувати більш високу частоту вібрації. Однак, за рідкісними винятками, частоти вібрації для такого бетону не використовуються в промисловості, тому для вібрації термореактивного бетону була обрана промислова частота 50 Гц.
Рисунок 2 Залежність міцності жаростійкого бетону від амплітуди коливань
Міцність на стиск залізобетонних зразків після сушіння зростала зі збільшенням інтенсивності вібрації, досягаючи значень 260-320 см2/с3. Подальше збільшення міцності на стиск при вібрації призвело до незначного погіршення властивостей досліджуваного бетону через розшарування бетону і зниження його однорідності.
Результати досліджень (рис. 2) показують, що коли амплітуда вібрації перевищує 0,5 мм, вібрація випробуваних затверділих бетонних сумішей викликає розпушення і погіршує міцнісні властивості бетону. У цьому випадку ефективність віброущільнення затверділих бетонних сумішей значно підвищується завдяки використанню штифтів у процесі вібрації. Дія тиску під дією привантаження (значення навантаження встановлюється на рівні 0,0017 МПа) усуває розпушування верхньої частини бетонної суміші, вся суміш ущільнюється швидше, структура стає щільнішою, а міцнісні властивості бетону покращуються.
Раціональний час вібрації слід вибирати відповідно до процесу вібрації та типу бетонної суміші. Недостатня тривалість вібрації призводить до недостатнього ущільнення і зниження міцності бетону, в той час, як занадто довга тривалість вібрації не призводить до помітного збільшення щільності та міцності бетону [5]. Встановлено оптимальну тривалість вібрації - 90 с. Більша тривалість вібрації призводить до значно більшого споживання енергії щільністю суміші, що, і собі, збільшує міцність зразків термореактивного бетону.
На основі отриманих результатів рекомендується ущільнювати вироби з випробуваного термореактивного бетону з параметрами, представленими в таблиці 2.
1. Обраний спосіб приготування бетонної суміші: змішування лопатевою мішалкою дрібної фракції заповнювачів і композиційного в'яжучого до 3 хвилин, завантаження і перемішування решти інгредієнтів протягом 4 хвилин, змішування з водою до 7 хвилин. Приготування бетонної суміші в такому порядку забезпечує більш рівномірний розподіл в'яжучого.
2. Метод і спосіб формування виробу - віброформування при навантаженні 0,0017 МПа, з використанням наступних параметрів: частота вібрації - 50 Гц, амплітуда вібрації - 0,5 мм, тривалість вібрації - 90 секунд.
Література
1. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности:учебно-справочное пособие; Azərbaycan Respublikası Fövqəladə Hallar Nazirliyi Tikintidə Təhlükəsizliyə Nəzarət Dövlət Agentliyi Elektron Kitabxanasi: веб-сайт. URL: https://kitab.ttnda.az/upload files/books/08/213/stroitelniye_materiali_iz_otxodov_promishlennosti.pdf. (дата звернення:19.01.2023)
2. Приходько П. и др. Опыт производства жаростойких вяжущих и бетонов на основе отходов производства. «Стародубовские чтения - 2013»: веб-сайт. URL: http://smm.pgasa.dp.ua/article/viewFile/108409/103362 (дата звернення:19.01.2023)
3. Римар Т.Е., Суворин О.В. Вплив термореактивних добавок на властивості гранульованих теплоізоляцыйних матеріалів на основы рідкого скла. веб-сайт. URL: http://vestnik2079-5459.khpi.edu.ua/article/view/2413-4295.2020.03. (дата звернення:19.01.2023)
4. Mirzohidbek Alisher ogli Mirzaraximov Sh.M. Davlyato Application of filled liquid glass in the technology of obtaining a heat resistant material. SCIENTIFIC PROGRESSVOLUME 2 ǀISSUE 8ǀ2021 веб-сайт. URL: http://www.scientificprogress.uz/uz ( дата звернення:19.01.2023)
5. Manturov Z.A. Determining the rational technological parameters of heat-resistant concrete produced with sodium silicate binder веб-сайт. URL: https://www.researchgate.net/publication/272171157_Inzenerno-stroitelnyj_zurnal_No7_2014 ( дата звернення:19.01.2023)
6. M.M. Myrzakhmetov, M.T. Zhuginisov, D.T. Sartaev, E.S. Orynbekov, S.B. Aidarova, Seitzhan Turganbay The Properties of the Sodium Silicate Binder Composition Based on Quartzite Deposits веб-сайт. URL: https://www.researchgate.net/publication/272071365_The_Properties_of_the_Sodium_ Silicate_Binder_Composition_Based_on_Quartzite_Deposits ( дата звернення:19.01.2023)
7. Будник А. Ф. Енергетика обладнання термічних цехів і дільниць: навч. посіб. / А. Ф. Будник, В. Б. Юскаєв. — Суми: Вид-во СумДУ, 2010
8. Щербина В.Ю Розвиток теорії та удосконалення технологічних процесів при виробництві будівельних матеріалів у високотемпературних агрегатах веб-сайт. URL: https://ela.kpi.ua/bitstream/123456789/21630/1/aref_Shcherbina.pdf ( дата звернення:19.01.2023)
9. Ruelle I., Richez G. Refractory Supplier plays a key roll in furnace construction // 7 Glass. 2000. V. 77. No. 5. Pp. 144-145.
10. Nishikawa A. Technology of monolithic refractories. Plibrico Japan Comp. Ltd. Tokyo, 1996. 598 p.
11. Jshikawa M., Taoka K. Energy and Resource Saving and Dusty Environment in Monolitic Refractories // Taikabutsu– Refractories. 2000. V.52. No. 4. Pp. 234–239. 11. Petzold A., Ulbricht J. Feuerbeton und betonartige feuerfeste Masse und Materialen. Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie. Leipzig–Stuttgart: 1994. 322 p.
12. Banerjee S. Monolithic refractories. Singapoore–New Jersey–London–Hong-Kong: World Scientific Publishing Co. Pte Ltd., 1998. 311 p.
13. Nahashi H., Tsuno M., Hayaishi M. Used refractories recycle technology in melting shop // Taikabutsu–Refractories. 2000. V. 52. No. 4. Pp. 178–184.
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter