книги / Неформованные огнеупоры. Т. 1 Общие вопросы технологии

го, как более дорогого компонента. Во многих случаях применения огнеупорных бе­ тонов справедливо также положение, что избыток вяжущего ухудшает бетон.

Зерновой состав огнеупорных бетонов в существенной степени определяет их усад­ ку при сушке (твердении) и службе, термостойкость, температурную зависимость проч­ ностных характеристик. Особенное влияние на свойства оказывает нескомпенсированная усадка [5.1, 5.10].

Вопросы выбора и проектирования зерновых составов как керамобетонов, так и низкоцементных огнеупорных бетонов рассматривались в значительном количестве публикаций [5.1-5.5, 5.51-5.56].

5.8.1. Об идеальных кривых зернового распределения

Для получения огнеупорных бетонов нового поколения чаще всего применяют сме­ си непрерывного состава, являющиеся более технологичными по сравнению со сме­ сями прерывного состава. С целью повышения эффективности упаковки подобных полидисперсных систем часто используют уравнения, определяющие характеристику зернового распределения и представляемые кривыми относительного зернового рас­ пределения. Эти кривые показывают процентное соотношение содержания различ­ ных по размеру фракций по отношению к максимальному размеру Г>тми тем самым позволяют сравнивать реальные зерновые составы с “идеальными”, предложенными с учетом достижения плотнейшей упаковки, например, с кривыми Андреасена, Литцова, Фуллера, Баломея, которые применяют при выборе зерновых составов в техно­ логии керамики и огнеупоров. Кривые оптимального относительного распределения соответствуют наиболее плотной укладке частиц.

Уравнения кривых, описывающих “идеальное” зерновое распределение, представ­ ляют собой рациональную зависимость количественного выхода фракций от размера зерна и имеют следующий вид. Уравнение Андреасена:

ный размер зерна в данной системе; п — показатель степени, зависящий от ряда фак­ торов (формы зерен, их взаимного сцепления, условий осуществления упаковки).

Для порошкообразных систем значение п может находиться в пределах 0,3-0,5 для наиболее полной упаковки.

Уравнение Фуллера представляет собой уравнение Андреасена (5.17) при п = 0,5:

/ , \0,5

(5.18)

Для систем с дополнительным содержанием тонких фракций используют уравне­ ние Баломея:

где а — содержание (доля) наиболее тонких фракций.

Значение а и л в этом уравнении могут находиться в пределах 0-0,4 и 0,5-0,9 соот­ ветственно.

На рис. 5.44 показаны интегральные кривые, соответствующие приведенным урав­ нениям “идеального” зернового распределения. Кривые, построенные по уравнению Андреасена при п = 0,5 и Фуллера, совпадают (кривая 4).

Представленные “идеальные” кривые существенно различаются. Так, в соответствии с этими кривыми, содержание фракции, составляющей 10 % от /7 ^ (*//^тах = 0,1), колеблется в пределах 21-52 %; количество частиц, соответствующее с1Ютдл= 0,5, из­ меняется от 81 % для кривой 1 до 60 % для кривой 5.

Существует два основных принципа подбора зерновых составов, направленных на максимальное снижение пустотности: непрерывные зерновые составы, основанные на непрерывном заполнении объема зернами всех размеров от некоторой верхней гра­ ницы до размера, близкого к нулю; прерывные зерновые составы, у которых между зернами определенных заданных фракций зерна промежуточных размеров отсутству­ ют [5.15].

Если первый принцип подбора зерновых составов характерен для исходных ВКВС и многих видов огнеупорных бетонов, то второй — при получении бетонов с ЖФК заполнителя, а также некоторых саморастекающихся бетонов.

Кроме уравнения Андреасена, при оптимизации зерновых составов пользуются и аналогичным уравнением Фурнаса [5.1].

В частности, в ряде работ по НЦОБ зерновой состав выбирали с учетом кривой максимальной плотности упаковки по уравнению Фурнаса [5.54,5.55]. В качестве при­ мера на рис. 5.45 по данным этих работ представлены оптимальные кривые зернового распределения бетонных смесей.

Из кривой б следует, что для огнеупорного бетона с /)тах = 4,8 мм содержание частиц мельче 74 мкм должно составлять 37,6 %, а мельче 0,5 мкм — 4 %. С увеличением пропорционально повышается и значение медианного диаметра йтсмеси, а так-

Р,%

Рис. 5.44. “Идеальные” кривые относительного зернового распределения, соответствующие уравнению Андреасена (/, 2 ,4— при п - 0,3; 0,4; 0,5 соответственно); уравнению Баломея (5, 5 — а = 0,05; п - 0,5; 0,8 соответственно)

Рис. 5.45. Интегральные кривые зернового распределения, соответствующие максимальной плотно­ сти упаковки смесей по Фурнасу при условии 0,3 (/); 0,6 (2); 1,2 (2); 2,4 (4)\ 4,8 мм (5) и анало­ гичная детализированная кривая для бетонной смеси сОтлх= 4,8 мм (б)

же показатель полидисперсности Кп. Так, при равном 4,8; 1,2 и 0,3 мм, Кп= = Кт/ К20составляет 160, 84 и 50 соответственно. В соответствии с этим по мере роста для бетонов с плотным или беспористым заполнителем понижается пористость бето­

нов. Существуют и другие “идеальные” кривые зернового распределения, проанали­ зированные в работах [5.10, 5.51, 5.52].

В работе [5.52] сопоставлены реальные зерновые составы бетонных смесей с раз­ личными вариантами “идеальных” кривых зернового распределения. Задача решалась сопоставлением соответствующих кривых относительного зернового распределения, показывающих содержание различных по размеру фракций й по отношению к макси­ мальному размеру В ^ т.е. сИВ^.

На рис. 5.46 сопоставлены как “идеальные” кривые относительного зернового рас­ пределения (1-4), так и кривые для реальных бетонов (5, б).

“Идеальные” кривые существенно различаются. Так, в соответствии с этими кри­ выми содержание фракции, составляющей 10 % от ^ таx (Ш В^ = 0,1), колеблется в пределах 23-58 %.

Вид представленных кривых совпадает с кривыми, приведенными в [5.51], что сви­ детельствует о корректном выборе уравнения и расчете коэффициентов, описываю­ щих “идеальные” кривые зернового распределения частиц твердой фазы ВКВС. Кри­ вая 1 соответствует нижнему пределу дисперсности ВКВС кислого или кислотно-ам­ фотерного состава, кривая 3 — высшему пределу дисперсности ВКВС указанного состава или оптимальной дисперсности ВКВС амфотерного состава, характеризую­ щихся повышенной плотностью твердой фазы.

Состав, соответствующий кривой 2, является граничным, т.е. область между кривы­ ми / и 2 соответствует ВКВС кислого и кислотно-амфотерного составов, между кри­ выми 2 и 3 — амфотерного и основного составов. Кривые рис. 5.49 характеризуются равной полидисперсностью. Характеристика последней может быть представлена и отношением максимального диаметра й тлхк медианному диаметру частиц <1т, которое для кривых 1-3 примерно одинаково.

Следует отметить, что в кривых относительного зернового распределения не учи­ тывается такой важный фактор, как дисперсность (^тах). Как следует из рис. 5.49, можно получить, например, эквивалентные кривые распределения при /)тах, равном 20 и 100 мкм. Однако в этом случае, в связи с ростом в системе доли связанной жидкости, при прочих равных условиях пористость полуфабриката при ^ таx = 20 мкм оказывает­ ся значительно большей [5.51]. Поэтому предпочтительнее сравнивать зерновые со­ ставы реальных ВКВС с интегральными “идеальными” кривыми. Для сравнения не­ обходимо рассчитывать по относительному зерновому распределению такие интег­ ральные кривые, которые соответствуют максимальной крупности реальных ВКВС. За максимальный размер частиц ф ) ВКВС для расчетов в дальнейшем приняты в соответствии с рекомендациями [5.51-5.52] такие значения й, выше которых на соот­ ветствующих кривых седиментации находится 2 % частиц.

Тогда для описания “идеальной” интегральной кривой зернового распределения ча­ стиц твердой фазы ВКВС можно представить уравнение (5.18) в следующем виде:

остатку на сите № 0063 (Я ^ ), по уравнению (5.19) можно рассчитать и построить “идеальную” интегральную кривую зернового распределения частиц твердой фазы ВКВС и сравнить ее с реальной. Аналогичным образом можно рассчитывать и состав матричных систем других огнеупорных бетонов.

5.8.2. Некоторые примеры и анализ реальных зерновых составов

Применительно к НЦОБ одни из первых широких исследований по влиянию зерно­ вого состава на свойства бетонов были выполнены в работе [5.53].

В этой работе исследовали корундовые низкоцементные бетоны (98,3 % А1,03, 0,6 % $Ю:, 0,6 % СаО, 3,5 % ВГЦ) при вариации массового содержания полидисперсного зернистого заполнителя (0,074-8 мм) в пределах 62,5-80 %, а тонкодисперсной со-

ставляющей (условно названной связкой или матрицей) в пределах 20-37,5 %. После­ дняя была представлена тонкодисперсным порошком (до 74 мкм), в том числе высо­ кодисперсным порошком (*/ср менее 1,5 мкм) и высокоглиноземистым цементом с раз­ мерами частиц 2-80 мкм [5.53]. Интервал изученных зерновых составов бетонов в виде граничных интегральных кривых зернового распределения показан на рис. 5.50.

При этом специально изучено влияние на свойства бетонов содержания в них высо­ кодисперсного порошка А120 3(ВДП). С этой целью при равном общем содержании связки изменялась доля высокодисперсной составляющей. В одном случае добавка такого порошка составляла 6 % от массы бетона, в другом 13,5-15 %. Вследствие это­ го при равном содержании матричной фазы варьировалось содержание в ней высоко­ дисперсной (область а на рис. 5.50) части за счет соответствующего изменения сред­ недисперсной (область б на рис. 5.50) части.

Из рис. 5.51, построенного по табличным данным работы [5.53], видно существен­ ное влияние содержания в бетонной смеси зернистого заполнителя (или, что анало­ гично, доли матрицы в системе) на оптимальную технологическую влажность бетона.

При равном содержании матричной фазы более заметное влияние оказывает содер­ жание в системе высокодисперсной составляющей. Так, при увеличении доли матри­ цы с 20 до 37 % технологическая влажность для кривых 7 и 2 возрастает на 0,3 и 0,6 % соответственно. Разница же между этими кривыми, составляющая 0,6-0,9 %, опреде­ ляется различным содержанием ВДП. Отсюда следует, что доля вклада, определяемая содержанием ВДП, выше, чем соответствующий вклад за счет увеличения в системе содержания зернистого заполнителя.

Высокодисперсная составляющая бетонов является своеобразной “смазкой” в сис­ теме, облегчающей ее течение и способствующей уменьшению водопотребности при заданной подвижности (виброуплотняемости) и, в конечном итоге, снижающей пори­ стость бетона.

Кривые зернового состава бетонов удобно представлять в двойной логарифмичес­ кой шкале (рис. 5.52; 5.53; 5.54).

На рис. 5.53, кривая 7, по данным [5.3] охарактеризован зерновой состав саморастекающихся бетонов с повышенным содержанием ВГЦ, а на рис. 5.53 таких же вибробе­ тонов, характеризующихся значением = 4,8 мм. Из приведенных кривых следует, что матричная система этих бетонов характеризуется показателем минимального раз­ мера частиц <7т.т = 0,3 мкм. Если в вибробетоне (рис. 5.53) содержание частиц до 1 мкм составляет 8 %, то для саморастекающихся (рис. 5.52, кривая 7) существенно превы­ шает 10 %. Содержание частиц до 10 мкм для них также существенно отличается (18 и 26 % соответственно), т.е. матричная система саморастекающихся бетонов характе­ ризуется повышенной дисперсностью.

Зерновой состав саморастекающихся СНЦОБ, приведенный по данным [5.3] на рис. 5.54, существенно отличается от ранее рассмотренных. Он характеризуется 40 %- ным содержанием частиц менее 10 мкм и отсутствием фракций в диапазоне 10-60 мкм, т.е. прерывным составом. Если для составов, соответствующих рис. 5.52 (кривая 7) и рис. 5.53, значение медианного диаметра частиц составляет 300 и 400 мкм, то в дан­ ном случае значение существенно ниже — 100 мкм.

Как это отмечено в работе [5.12], кардинальным отличием формовочных систем для получения керамобетонов от НЦОБ является наличие в их составе наночастиц (менее 0,1 мкм). Последние “нарабатываются” при мокром помоле; их содержание может достигать 4-6 % ,а в керамобетонах — 1-2 %. На рис. 5.52 (кривая 2) показан один из зерновых составов бокситовых (высокоглиноземистых) керамобетонов при значении

= 5 мм. Последний существенно отличается от аналогичных составов для других бетонов, рассмотренных на рис. 5.52-5.54. Отличие состоит не только в наличии на­

н о ч а с т и ц , н о и в м е н ь ш е м о б щ е м с о д е р ж а н и и ч а с т и ц м е н е е 1 м к м , в б о л ь ш е й с т е п е н и п о л и д и с п е р с н о с т и в я ж у щ е й с и с т е м ы .

Д о п о л н и т е л ь н ы е с в е д е н и я о з е р н о в ы х с о с т а в а х ф о р м о в о ч н ы х с и с т е м п р и м е н и т е л ь ­ н о к р а з л и ч н ы м м е т о д а м ф о р м о в а н и я ( у к л а д к и ) о г н е у п о р н ы х б е т о н о в п р и в е д е н ы в с л е д у ю щ е й г л а в е .

В з а к л ю ч е н и е о с о б е н н о с л е д у е т о т м е т и т ь , ч т о х а р а к т е р и с т и к и д и с п е р с н о с т и и з е р ­ н о в о г о р а с п р е д е л е н и я д а ж е в “ и д е а л ь н о м ” и х в а р и а н т е я в л я ю т с я т о л ь к о о д н и м и з ф а к ­ т о р о в д о с т и ж е н и я в ы с о к о й п л о т н о с т и и и з н о с о у с т о й ч и в о с т и н е ф о р м о в а н н ы х о г н е ­ у п о р о в . Н е м е н ь ш а я р о л ь в т е х н о л о г и и н о в ы х о г н е у п о р н ы х б е т о н о в о т в о д и т с я п р о ­ б л е м а м д е ф л о к у л я ц и и ( р а з ж и ж е н и я ) и с х о д н ы х ф о р м о в о ч н ы х с м е с е й . О б у с л о в л е н о э т о т е м , ч т о п р и о д н о м и т о м ж е з е р н о в о м и х с о с т а в е с т е п е н ь у п л о т н е н и я и с т р у к т у р а м о г у т к а р д и н а л ь н о о т л и ч а т ь с я в з а в и с и м о с т и о т р е о т е х н о л о г и ч е с к и х с в о й с т в , р е г у л и ­ р у е м ы х в в е д е н и е м т е х н о л о г и ч е с к и х д о б а в о к .

В п р и л о ж е н и и к п е р в о м у т о м у п р и в е д е н ы о б ш и р н ы е с в е д е н и я п о к л а с с и ф и к а ц и я м и н о м е н к л а т у р е т е х н о л о г и ч е с к и х д о б а в о к , и с п о л ь з у е м ы х в п р о и з в о д с т в е с т р о и т е л ь ­ н ы х б е т о н о в [ 5 . 2 6 ] . М н о г и е и з н и х у с п е ш н о м о г у т п р и м е н я т ь с я и в п р о и з в о д с т в е н е ­

фо р м о в а н н ы х о г н е у п о р о в , ч т о б у д е т р а с с м о т р е н о в о в т о р о м т о м е .

5.9.Библиографический список к главе 5

ям в п р о и зв о д ств е о гн е у п о р о в / / В е с т н и к У Г Т У - У П И . № 1 . М а т е р и а л ы м е ж д у н а р о д н о й к о н ф е ­ р е н ц и и “Ф и з и к о х и м и я и т е х н о л о г и я о к с и д н о -с и л и к а т н ы х м а те р и а л о в ” . — Е к а т е р и н б у р г , 2 0 0 0 . С . 3 - 2 6 .

П е у е 1о р ш е п 1з о Г Т а Ь и 1а г А 1и п н п а а п б Та Ь и 1а г А 1 ш т п а 5 р т е 1 С а з 1а Ы е з , Р го с . 4 0 . 1п 1 е т а б о п а 1

5 .1 2 . Ливийский Ю, Е., РожковЕ. В. К е р а м о б е то н ы — з а к л ю ч и т е л ь н ы й э т а п э в о л ю ц и и н и з к о ­

ц е м е н тн ы х о г н е у п о р н ы х б ето н о в / / Н о в ы е о г н е у п о р ы . 2 0 0 2 . № 4 . С . 2 4 - 3 1 .

5 .3 9 . ГришпунЕ, М,$ Пивинский Ю. Е., РожковЕ, В, и др. П р о и з в о д с т в о и с л у ж б а в ы с о к о г л и ­

н о з е м и с т ы х ке р а м о б е т о н о в . 1 . Н а б и в н ы е м а сс ы н а о сн о в е м о д и ф и ц и р о в а н н ы х В К В С б о к с и т а / / О г н е у п о р ы и т е х н и ч е с к а я к е р а м и к а . 2 0 0 0 . № 3 . С . 3 7 - 4 1 .