Samotekoucí žárobetony (SFC)
VŠCHT Praha, Kutzendörfer J., Hamáček J.
Žárohmoty Třemošná s.r.o., Korsa B.
Anotace
Jsou uvedeny teoretické základy ztekucování žárobetonů.
Po výpalu jsou sledována kriteria hutnosti žárobetonů a
především jejich vlastnosti za vysokých teplot, jmenovitě
únosnost v žáru, creep, pevnost v tlaku a v ohybu a
koroze taveniny.
Žárovzdorné materiály (ŽM)
• Tvarové
• Netvarové - žáromonolity
•
•
•
•
•
•
žárobetony
výdusky
malty
tmely
opravárenské směsi
nátěry
– Podíl narůstá (nyní cca 50 %)-podle státu
Žárobetony (ŽB)
• ŽB se obecně skládají z
– kameniva (hrubé částice > 45µm, 3-4 frakce)
– matrix (jemné podíly < 45 µm)
» cement portlandský, hlinitanový
» jemný SiO2, Al2O3
» ztekucovadla, přísady
ŽB mají řadu předností
• Odpadají některé technologické kroky
(sušení, výpal)
• Klesá spotřeba energie
• Snižuje se počet spár a tím se zvyšuje
odolnost vůči korozi
• Mají zvýšenou odolnost proti změnám
teploty (OPZT)
Žárobetony (ŽB)
• Ke zlepšování žárových a mechanických
vlastností vedou následující opatření:
– Normální obsah cementu bývá do 30 %
(CC – Cement Castable)
– Snížení obsahu cementu 3-8 % (tj. 1-2,5 % CaO)
(LCC – Low Cement Castable)
– Další snížení 1-3 % (0,3-1%CaO)
(ULCC – Ultralow Cement Castable)
– Úplné odstranění cementu-bezcementové do 1 %
(do 0,3 % CaO) (NCC- Non Cement Castable)
• V ternárním systému CaO-Al2O3-SiO2,
CaO tvoří nízkotavitelná eutektika
Samotekoucí ŽB
• Samotekoucí ŽB (Self-flowing Castables – SFC)
byly vyvinuty v posledních letech a rychle se
rozvíjejí (přídavek vody obvykle 4,5-7,5 %)
• Jsou schopny :
– Téci vlastní hmotností
– Vyplňovat složité tvary
Proces vytváření SFC
• Pro stabilizaci, aby správně „zakotvily“
k částici a druhá část řetězce s vysokou
afinitou k disperznímu prostředí
• Ztekucovadla – různé obchodní názvy na
bázi
•
•
•
•
Polyakrylové kyseliny
Směs křemičitanů a fosforečnanů
Kyselina citrónová a její soli
Nejnověji na bázi
polykarboxyletherů
Měření tekutosti SFC
• Osvědčila se normová metoda
Samotekoucí LCC-žárobeton s obsahem
páleného kaolínu a andalusitu
• provedena optimalizace množství ztekucujících látek
• použita metoda stanovení konzistence žárobetonů
viz ČSN EN 1402-4 (míra roztékání kužele)
• odzkoušena ztekucovadla na bázi polyakrylátů
(Darvan 811 D), polyfosfátů (tripolyfosfát sodný) a
polykarboxyletherů (typ Castament - různé druhy),
dále byly pro zkoušky ztekucování použity
„dispergující“ oxidy hlinité (označení MADS 1,
MADW 1, ADW 1, ADS 1, ADS 3) - směsi Al2O3 a
cca 10 % ztekucující složky
Samotekoucí LCC-žárobeton s obsahem
páleného kaolínu a andalusitu
Složka ŽB
Kaolínové kamenivo
Obsah složky
[hm.%]
57
Andaluzit
20
Al2O3
14
Mikrosilika
4
Hlinitanový cement
5
- shodný optimální obsah záměsové vody 7 hm. % (vztaženo na suchou směs)
Darvan 811 D
160
míra roztékání [%]
140
120
100
80
60
40
20
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
obsah ztekucovadla [%]
0,1
0,12
0,14
Tripolyfosfát sodný
120
míra roztékání [%]
100
80
60
40
20
0
0
0,05
0,1
obsah ztekucovadla [%]
0,15
0,2
Castament FS 20
140
míra roztékání [%]
120
100
80
60
40
20
0
0
0,05
0,1
obsah ztekucovadla [%]
0,15
0,2
Castament FS 60
140
míra roztékání [%]
120
100
80
60
40
20
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
obsah ztekucovadla [%]
0,5
0,6
MADS 1
140
míra roztékání [%]
120
100
80
60
40
20
0
0
0,5
1
1,5
obsah ztekucovadla [%]
2
2,5
MADW 1
100
90
míra roztékání [%]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
0,5
1
1,5
2
obsah ztekucovadla [%]
2,5
3
3,5
Vyhodnocený optimální obsah
ztekucovadla
Ztekucovadlo
Optimální obsah
ztekucovadla [hm. %]
Míra roztékání [hm. %]
Darvan 811 D
0,03
137,5
Tripolyfosfát sodný
0,04
105
Castament FS 20
0,075
127,5
Castament FS 60
0,3
120
MADS 1
0,75
110
MADW 1
2,0
87,5
Castament FS 10
v rozsahu 0-2 %
0 (neztekucuje)
Castament FW 10
v rozsahu 0-2 %
0 (neztekucuje)
Castament FS 30
v rozsahu 0-2 %
0 (neztekucuje)
Žárové vlastnosti ŽB
• Z důvodu jednoduchosti se zjišťují hlavně
vlastnosti ŽB za normálních teplot
• Z hlediska použití nedostatečné
(téměř nulová vypovídající schopnost pro
chování za vysokých teplot)
• Proto je nezbytné se zaměřit na měření
vlastností a zjišťování chování
za vysokých teplot
ZÁVISLOST PEVNOSTI V OHYBU (HMOR) LCC
Pevnost v ohybu [MPa]
20
15
ŽB se spinel-korundovou
vazbou
ŽB1
(za studena)
dσ/dt = 0,15 MPa/s
10
5
ŽB2
(v žáru)
ŽB1
(v žáru)
0
1000
1100
1200
1300
Teplota [0C]
odlišný průběh pro měření pevností v ohybu
v žáru (HMOR) a za studena (MOR)
1400
1500
Chování ŽB za zvýšené
teploty
• Elastické
(Hookova hmota), E
• Plasticko-elastické
(přechodná oblast), E, η
• Plastické
(Newtonská event. jiná kapalina), η
TERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI
ŽÁROBETONŮ (ŽB)
1 Chování ŽM
za vysokých
teplot popisují
vztahy veličin
ŽM = žáromateriál
NAPĚTÍ [σ]
DEFORMACE [ε]
TEPLOTA [T]
ČAS [t]
3
Vysoké
termomechanické
vlastnosti
Co nejnižší obsah
složek
Použití surovin s
minimem nečistot
2
Závisí na
vlivu struktury
materiálu
DEFORMACE
vratná
nevratná
PŘECHODOVÁ
TEPLOTA
cca 0,4 - 0,5 Ttání
STATICKÉ TERMOMECHANICKÉ (TM)
ZKOUŠKY
program
program
program
měření
měření
měření
program
EXPERIMENTÁLNÍ
USPOŘÁDÁNÍ
I.
II.
III.
měření
IV.
Pevnost a modul pružnosti
I.
§ rovnoměrné zvyšování síly působící na vzorek popř. za současné registrace deformace, při konst. teplotě
II.
Únosnost v žáru
§ rovnoměrné zvyšování teploty při konst.napětí ve vzorku, registrace závislosti deformace na teplotě
III.
Tečení
§ měření deformace v závislosti na čase, při konstantním napětí
IV.
Relaxace napětí
§ měření deformace v závislosti na čase, při konstantním deformace a teplotě
STANOVENÍ TERMOMECHANICKÝCH
VLASTNOSTÍ ŽM
NORMOVÉ ZKOUŠKY
A Pevnost v ohybu při
zvýšených teplotách
(ČSN EN 993-7)
σ = 1.5 F·l / h·b2
Rychlost ohřevu: 5 0C/min
Rychlost zatěžování: 0,15 MPa/s
Schéma zkoušky
tříbodového ohybu
1 Zkušební těleso
válec s otvorem v ose
C
B
Stanovení
únosnosti v žáru
(ČSN EN 993-8)
Stanovení
tečení v tlaku
(ČSN EN 993-9)
ε· 5-25 = ε25- ε5/20 [%·h-1]
Rychlost ohřevu: 5 0C.min-1
Zatížení: 0,05 až 0,2 MPa
OBECNÝ PRŮBĚH VYSOKOTEPLOTNÍHO
TEČENÍ TĚLES
v tahu (ohybu)
nebo smyku
3 fáze
PRIMÁRNÍ
SEKUNDÁRNÍ
TERCIÁLNÍ
v tlaku
a) rychlost deformace s časem klesá
b) během zkoušky se zvětšuje průřez tělesa
c) odpadá terciální tečení a lom (destrukce)
T = konst.
σ = konst.
ZÁVISLOST RYCHLOSTI DEFORMACE NA T, σ
·
ε = dε/dt = A·σn·exp[-E*/RT]
………
………
ln ε· = -E*/RT+n · ln σ + ln A
A … konstanta zahrnující vliv struktury materiálu
n … napěťový koeficient
E* … zdánlivá aktivační energie procesu tečení
TEORETICKY STAČÍ
min. 3 izotermní zkoušky tečení
provedené při různých T, σ
nebo min. 3 zkoušky provedené při
různých rychlostech vzestupu T
ε· = dε/dt = dε/dT·dT/dt = A·σn·exp[-E*/RT]
ZÁVISLOST PEVNOSTI V OHYBU (HMOR) LCC
V ZÁVISLOSTI NA OBSAHU MIKROSILIKY (MS)
Pevnost v ohybu [MPa]
4
ŽB se spinel-korundovou
vazbou
3
T = 1400
0C
ZÁVISLOST
DEFORMACE
VZORKŮ NA T
2
σ = 0,1 MPa
1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Obsah MS [hm.%]
1,2
1,4
MS
[hm.%]
Tv
[0C]
0
0,1
0,5
1
1400
1380
1350
1325
Relativní rychlost tečení [%]
RYCHLOST TEČENÍ V USTÁLENÉ OBLASTI
120
V ZÁVISLOSTI NA OBSAHU MIKROSILIKY (MS)
100
100
ŽB se spinel-korundovou
vazbou
80
T = 14000C
58
60
42
40
σ = 0,1 MPa
38
20
0
1
0,5
0,1
Obsah MS [hm.%]
0
ZÁVISLOST DEFORMACE VZORKŮ NA T
dT/dt = 5 0C/min.
0,04
NCC
σ = 0,1 MPa
0,035
ULCC
deformace [1]
0,03
LCC
0,025
0,02
0,015
0,01
Typ ŽB
Tv
LCC
13100C
ULCC
14400C
NCC
14600C
0,005
0
0
200
400
600
800
1000
teplota [ 0C]
1200
1400
1600
SROVNÁNÍ STŘEDNÍ RYCHLOSTI DEFORMACE VZORKŮ
PRO T=15000C
Vysvětlení poklesu TM parametrů s rostoucím množstvím cementu (CaO):
Relativní rychlost tečení [%]
1. Cement obsahuje CaO a vzniká tavenina, jejíž množství
je úměrné obsaženému cementu.
2. S rostoucím množstvím CaO se zmenšuje poměr
SiO2/CaO a výrazně klesá viskozita taveniny v systému
Al2O3-SiO2-CaO.
120
100
100
T = 1500 0C
80
53
60
σ = 0,1 MPa
34
40
20
0
LCC
ULCC
Typ žárobetonu (ŽB)
NCC
ZÁVĚR
1. Jeden ze směrů dalšího zaměření vývoje ŽB je optimalizace vlastností
SFC
2. Postupný přechod na měření a sledování vlastností ŽB za vysokých
teplot
3. V oblasti elastického chování budou preferovány pevnostní
charakteristiky a měřena pevnost v ohybu při zvýšených teplotách,
ČSN EN 993-7
4. V oblasti plasticko-elastického chování budou preferovány normové
zkoušky únosnost v žáru, ČSN EN 993-8
5. Dále budou v oblasti plasticko-elastického chování preferovány
zkoušky tečení (deformace v závislosti na čase a na teplotě),
ČSN EN 993-9
6. V laboratoři ÚSK je sledováno tečení v trojbodovém ohybu
ZÁVĚR
1. Jeden ze směrů dalšího zaměření vývoje ŽB je optimalizace vlastností
SFC
2. Postupný přechod na měření a sledování vlastností ŽB za vysokých
teplot
3. V oblasti elastického chování budou preferovány pevnostní
charakteristiky a měřena pevnost v ohybu při zvýšených teplotách,
ČSN EN 993-7
4. V oblasti plasticko-elastického chování budou preferovány normové
zkoušky únosnost v žáru, ČSN EN 993-8
5. Dále budou v oblasti plasticko-elastického chování preferovány
zkoušky tečení (deformace v závislosti na čase a na teplotě),
ČSN EN 993-9
6. V laboratoři ÚSK je sledováno tečení v trojbodovém ohybu
Děkuji za pozornost.
Download

přednáška ke stažení, pdf, 375 kB - Ceramics