Бикбулатов В.Р

Бирская государственная социально-педагогическая академия, Россия

Якупова Л.В.

Башкирский государственный педагогический университет, Россия

Изучение деформации алюмофосфатного цемента, используемого для производства огнеупорных композитов

Безобжиговые огнеупорные композиты на фосфатных вяжущих (формованные и неформованные) находят в последние годы все более широкое применение в промышленности, что связано с целым рядом преимуществ, которые они обеспечивают потребителям и производителям. Технология получения изделий из таких композитов предусматривает предварительную их обработку при нормальных условиях или нагреве до 800°С, однако их поведение при воздействии механических нагрузок практически мало изучено. В прикладном аспекте исследования деформации безобжиговых керамических композитов при нагреве является актуальной задачей. Это позволяет создавать новые малоусадочные материалы, совершенствовать технологию получения традиционных, а также оценивать их устойчивость в условиях эксплуатации при воздействии переменных температур и механических нагрузок.

При нагреве в них непрерывно протекают физико-химические процессы, способствующие формированию структур с различной деформационной устойчивостью. Следует также отметить, что не разработаны и методологические приёмы изучения их деформации в условиях эксплуатации. Неясно, какими критериями можно руководствоваться при конструировании аппаратуры для измерения деформации при нагреве под нагрузкой, а также при выборе методики проведения экспериментов и обработки полученных данных, поскольку имеющиеся в литературе сведения в основном относятся к исследованиям обожженных огнеупоров и керамики. Учитывая это, нами изучена деформация безобжиговых керамических композитов на примере фосфатных материалов в процессе твердения, упрочнения и спекания в зависимости от температуры их предварительной обработки. Изучено влияние воздействия механических нагрузок при циклах нагрева-охлаждения. В работе изложены результаты экспериментальных исследований деформации под воздействием нагрузки при различных циклах нагрева модельной композиции – алюмофосфатного цемента (α-Al₂O₃–H₃PO₄ (Т:Ж=2:1)), которая широко применяется для получения многих огнеупорных материалов и изделий [1,4].

Установлено, что деформация цементной композиции при цикле нагрев – охлаждение зависит от величины внешней нагрузки: с ее увеличением температурный интервал нелинейности несколько смещается в область меньших температур. При повторном цикле нагрева-охлаждения образца без нагрузки (рис.1,б, кривая 4) после первичного цикла его испытания в режиме 20-800-20°С под нагрузкой 0,3 МПа величина расширения составляет 0,96%, а остаточная деформация отсутствует. Можно полагать таким образом, что термическое расширение рыхлых структур, образовавшихся при твердении цементов, зависит от величины приложенного внешнего усилия. Это факт имеет практическое значение, поскольку такое поведение материала будет сказываться при эксплуатации кладки, находящейся в зоне нагрева.

Деформационные изменения при циклических режимах нагрева-охлаждения обусловлены, в основном, процессами кислотно-основного и адгезионного взаимодействия, а приложенная внешняя нагрузка не оказывает существенного влияния на фазовые и структурные изменения.

Рис.1. Деформация образцов с t_обр =300°С при первичном цикле нагрева до 500°С и охлаждении до нормальной температуры (а) и при повторном цикле их нагрева до 800°С и охлаждения (б): 1 – без нагрузки; 2 – под нагрузкой 0,3 МПа; 3 – под нагрузкой 0,6 МПа; 4 – без нагрузки после повторного цикла нагрева – охлаждения под нагрузкой 0,3 МПа.

Рис.2.Деформация образцов с t_обр =600°С при первичном цикле нагрева до 500°С и охлаждении до нормальной температуры (а) и при повторном цикле их нагрева до 800°С и охлаждения (б): 1 – без нагрузки; 2 – под нагрузкой 0,3 МПа; 3 – под нагрузкой 0,6 МПа; 4 – без нагрузки после повторного цикла нагрева – охлаждения под нагрузкой 0,3 МПа.

Устойчивость цемента к деформации возрастает, если его подвергнуть предварительной термообработке при более высокой температуре или повторному испытанию в режиме нагрева-охлаждения. Результаты изучения деформации при циклах нагрева-охлаждения образцов показывают (рис. 2, а и б), что начальная термообработка цемента при нагреве до 600°С вместо нагрева до 300°С позволяет исключить или значительно снизить величину остаточной деформации цемента при их циклах нагрева-охлаждения в режимах 20-500-20°С и 20-800-20°С. Это имеет важное практическое значение, т.к. позволяет получить малоусадочные огнеупорные материалы и изделия.

Исследования ползучести в интервале 20-1400-20°С показали, что при температурах выше 1000°С существенную роль в механизмах деформации играет вязкое течение. При этом деформация происходит независимо от величины нагрузки. Этот фактор следует учитывать при разработке огнеупорных композитов различного назначения.

Литература:

1. Шаяхметов У.Ш., Мустафин А.Г. Особенности высокотемпературной ползучести безобжиговых керамических материалов. – Уфа: Изд-во БГПУ, 2002.-164 с., табл., ил.

2. Бакунов В.С., Балкевич В.Л., Гузман И.Я., Лукин Е.С., Полубояринов Д.Н., Попильский Р.Я., Скидан Б.С. Практикум по технологии керамики и огнеупоров. – М.: Издательство литературы по строительству, 1972. -351с.

3. Новые цементы. Под ред. А. А. Пащенко.- Киев: «Будiвельник», 1978.-220с.

4. Шаяхметов У.Ш., Бакунов В.С., Бикбулатов В.Р., Валеев И.М. деформация безобжиговых композитов при циклах нагрева и охлаждения//Стекло и керамика.-2006.-№6.-С.17-20.