TERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI

Transkript

1 TERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI ŽÁROBETONŮ (ŽB) Jiří Hamáček, Jaroslav Kutzendörfer VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE Ústav skla a keramiky & ŽÁROHMOTY, spol. s r.o. Třemošná VŠCHT, Praha 2008

2 TERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI ŽÁROBETONŮ (ŽB) 1 Chování ŽM za vysokých teplot popisují vztahy veličin ŽM = žáromateriál NAPĚTÍ [σ] DEFORMACE [ε] TEPLOTA [T] ČAS [t] 21

3 TERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI ŽÁROBETONŮ (ŽB) 1 Chování ŽM za vysokých teplot popisují vztahy veličin ŽM = žáromateriál NAPĚTÍ [σ] DEFORMACE [ε] TEPLOTA [T] ČAS [t] 2 Závisí na vlivu struktury materiálu DEFORMACE vratná nevratná PŘECHODOVÁ TEPLOTA cca T tání 21

4 TERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI ŽÁROBETONŮ (ŽB) 1 Chování ŽM za vysokých teplot popisují vztahy veličin ŽM = žáromateriál 3 Vysoké termomechanické vlastnosti NAPĚTÍ [σ] DEFORMACE [ε] TEPLOTA [T] ČAS [t] Co nejnižší obsah složek Použití surovin s minimem nečistot 2 Závisí na vlivu struktury materiálu DEFORMACE vratná nevratná PŘECHODOVÁ TEPLOTA cca T tání 21

5 POUŽITÍ ŽÁROMATERIÁLŮ (ŽM) VE VYZDÍVKÁCH Nutné zajistit stabilitu = minimálně 2/3 z tloušťky vyzdívky nejsou vystaveny NEVRATNÝM DEFORMACÍM KLENBA (šamot) 250 mm A C C C A nosná vrstva 20

6 STATICKÉ TERMOMECHANICKÉ (TM) ZKOUŠKY EXPERIMENTÁLNÍ USPOŘÁDÁNÍ program program program program měření měření měření měření I. Pevnost a modul pružnosti! 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 I. II. III. IV.! měření deformace v závislosti na čase, při konstantním deformace a teplotě 19

7 STATICKÉ TERMOMECHANICKÉ (TM) ZKOUŠKY EXPERIMENTÁLNÍ USPOŘÁDÁNÍ program program program program měření měření měření NAPĚTÍ PŘI měření ZKOUŠKÁCH I. II. III. IV. I. Pevnost a modul pružnosti! 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 tlakové tahové smykové torzní kombinované 19

8 STANOVENÍ TERMOMECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ ŽM NORMOVÉ ZKOUŠKY A Pevnost v ohybu při zvýšených teplotách (EN 993-7) Schéma zkoušky tříbodového ohybu σ = 1.5 F l / h b 2 Rychlost ohřevu: 5 0 C/min Rychlost zatěžování: 0.15 MPa/s PEVNOST V OHYBU Z KONSTRUKČNÍHO HLEDISKA SE POVAŽUJE ZA NEJDŮLEŽITĚJŠÍ 18

9 STANOVENÍ TM VLASTNOSTÍ ŽM MATERIÁLŮ 1 Zkušební těleso válec s otvorem v ose B Stanovení únosnosti v žáru (EN 993-8) C Stanovení tečení v tlaku (EN 993-9) ε 5-25 = ε 25 - ε 5 /20 (% h -1 ) Rychlost ohřevu: 5 0 C/min Zatížení: MPa 17

10 STANOVENÍ TM VLASTNOSTÍ ŽM MATERIÁLŮ 1 Zkušební těleso válec s otvorem v ose B Stanovení únosnosti v žáru (EN 993-8) C Stanovení tečení v tlaku (EN 993-9) Měří se deformace vzorku v závislosti na čase, při konst. σ, T Stanovuje se rychlost tečení mezi 5-25 h výdrže ε 5-25 = ε 25 - ε 5 /20 (% h -1 ) ε 5-25 = ε 25 - ε 5 /20 (% h -1 ) Rychlost ohřevu: 5 0 C/min Zatížení: MPa 17

11 OBECNÝ PRŮBĚH VYSOKOTEPLOTNÍHO TEČENÍ TĚLES v tahu (ohybu) nebo smyku 3 fáze PRIMÁRNÍ SEKUNDÁRNÍ TERCIÁLNÍ T = konst. σ = konst. v tlaku a) rychlost deformace s časem klesá b) během zk. se zvětšuje průřez tělesa c) odpadá terciální tečení a lom (destrukce) 16

12 OBECNÝ PRŮBĚH VYSOKOTEPLOTNÍHO TEČENÍ TĚLES v tahu (ohybu) nebo smyku 3 fáze PRIMÁRNÍ SEKUNDÁRNÍ TERCIÁLNÍ T = konst. σ = konst. v tlaku MATEMATICKÝ POPIS a) ε rychlost = k t n [T] deformace s časem klesá k, n konstanty časově nezávislé (n<1) Podle b) během následujícího zk. vztahu se zvětšuje lze odhadnout průřez deformaci tělesapři delším tlakovém namáhání při dlouhodobém použití _ c) destrukce (odpadá terciální tečení a lom) střední rychlost tečení ε = ε/ t = ε 2 - ε 1 /t 2 -t 1 16

13 ZÁVISLOST RYCHLOSTI DEFORMACE NA T, σ ε = dε/dt = A σ n exp[-e*/rt] ln ε = -E*/RT+n ln σ +lna 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 σ n exp[-e*/rt] 15

14 MECHANISMUS CREEPU ŽB! rozhodující je chování MATRIX (<45 µm)! ε MĚŘENÁ = Σε i změřená rychlost deformace je součtem simultánně probíhajících dějů ε MĚŘENÁ = Σ A i σn e (-Ei/RT) i! řídící děj = NEJRYCHLEJŠÍ (v tomto případě) SKLUZ PO HRANICÍCH ZRN ε = α σ/η (δ/l) 3 α bezrozměrnná konstanta σ napětí η viskozita taveniny 2δ tloušťka vrstvy mezi zrny 2L rozměr zrna 14

15 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Obr. 3 Zkušební trámečky ŽB (rozměr 30x30x150 mm). 13

16 ZÁKLADNÍ SCHÉMA ŽB DCC Použité zkratky: RC (ramming castable) - žárobeton dusací VC (vibrating castable) - žárobeton vibrolicí SFC (self-flowing castable) - žárobeton samotekoucí DCC Obr. 2 Reklasifikační schéma žárobetonů s důrazem na SFC, VC, RC (otevřené schéma) [2, 3, 4]. 12

17 MOŽNOSTI ZVÝŠENÍ TM PARAMETRŮ ŽB C tvorba Al 2 O 3 -CaO-SiO 2 (5 ternárních eutektik pod C) anortitu CAS 2 t.t C gehlenitu C 2 AS t.t C redukce obsahu cementu Al 2 O 3 -SiO 2 náhrada SiO 2 Al 2 O 3 -CaO-MgO (výše tající eutektika) SPINELOVÉ ŽB snížení obsahu MS Al 2 O 3 -CaO (1-složkový systém) Al 2 O 3 TM vlastnosti ŽB převážně závisí na složení jemných podílů = MATRIX (<45 µm) 11

18 ZÁVISLOST PEVNOSTI V OHYBU (HMOR) LCC Pevnost v ohybu [MPa] ŽB se spinel-korundovou vazbou dσ/dt = 0.15 MPa/s ŽB1 (v žáru) ŽB2 (v žáru) ŽB1 (za studena) Teplota [ 0 C] odlišný průběh pro měření pevností v ohybu v žáru (HMOR) a za studena (MOR) 10

19 ZÁVISLOST DEFORMACE VZORKU NA T deformace [1] 0,04 0,03 0,02 0,01 ŽB se spinel-korundovou vazbou dt/dt = 5 0 C/min. σ = 0.1 MPa ŽB 1 T v = C teplota [ 0 C] VYSVĚTLENÍ POKLESU PEVNOSTÍ ŽB S TEPLOTOU (T): 1. Vznik taveniny v systému Al 2 O 3 -SiO 2 -CaO (nad C). 2. Růst množství taveniny. 3. Pokles viskozity taveniny s T (η = A e -Ei/RT ). 9

20 ZÁVISLOST PEVNOSTI V OHYBU (HMOR) LCC V ZÁVISLOSTI NA OBSAHU MIKROSILIKY (MS) Pevnost v ohybu [MPa] ŽB se spinel-korundovou vazbou T = C 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 ZÁVISLOST DEFORMACE VZORKŮ NA T σ = 0.1 MPa MS [hm.%] 0 0,1 0,5 T v [ 0 C] Obsah MS [hm.%]

21 RYCHLOST TEČENÍ V USTÁLENÉ OBLASTI Relativní rychlost tečení [%] V ZÁVISLOSTI NA OBSAHU MIKROSILIKY (MS) ,5 0,1 0 Obsah MS [hm.%] ŽB se spinel-korundovou vazbou T = C σ = 0.1 MPa VYSVĚTLENÍ ZHORŠENÍ TM PARAMETRŮ ŽB S ROSTOUCÍM OBSAHEM MS: 1. I při min. obsahu SiO 2 v cementových ŽB se tvoří tavenina (cca C). 2. Pevnost klesá v důsledku značné plastické deformace vzorku. 7

22 ZÁVISLOST HMOR NA OBSAHU CEMENTU (CaO) Žárobetony na bázi lupku a páleného kaolínu LCC (5 % cementu) ULCC (3 % cementu) NCC (0 % cementu) Tab.II Závislost pevnosti ŽB na obsahu cementu (CaO). Typ ŽB LCC Obsah cementu 5 % Obsah CaO 1.5 % Obsah SiO 2 /CaO 3.3/ C 1.9 MPa C 1.1 MPa ULCC 3 % 0.9 % 5.5/1 3.3 MPa 1.9 MPa NCC 0 % 0 % 50/1 6.5 MPa 3.0 MPa 6

23 ZÁVISLOST DEFORMACE VZORKŮ NA T 0,04 0,035 0,03 dt/dt = 5 0 C/min. σ = 0.1 MPa NCC ULCC LCC deformace [1] 0,025 0,02 0,015 Typ ŽB LCC ULCC T v C C 0,01 NCC C 0, teplota [ 0 C] 5

24 SROVNÁNÍ STŘEDNÍ RYCHLOSTI DEFORMACE VZORKŮ PRO T= C Relativní rychlost tečení [%] Vysvětlení poklesu TM parametrů s rostoucím množstvím cementu (CaO): Cement obsahuje CaO a vzniká tavenina, jejíž množství je úměrné obsaženému cementu. 2. S rostoucím množstvím CaO se zmenšuje poměr SiO 2 /CaO a výrazně klesá viskozita taveniny v systému Al 2 O 3 -SiO 2 -CaO LCC ULCC NCC Typ žárobetonu (ŽB) T = C σ = 0.1 MPa 4

25 TERMICKÁ ANALÝZA (TA) DIFERENČNÍ DTA 10 DTA teplota [ 0 C] VÁŽKOVÁ VTA 5 tepelný tok [mw] LCC ULCC NCC VTA m [%] -2-4 NCC ULCC LCC -6 teplota [ 0 C] 3

26 TERMICKÁ ANALÝZA (TA) DIFERENČNÍ DTA 10 DTA teplota [ 0 C] VÁŽKOVÁ VTA 5 tepelný tok [mw] LCC, ULCC LCC ULCC NCC ~ C únik fyzikálně vázané -2 vody m [%] ~ C rozklad gibbsitu AH3 AH A H C rozklad C 3 AH 6 C 3 AH H C C 3 AH 1.5 C 12 A 7 ; CA; CA 2 ; CA 7 ; A H - H relativně rychlý m do C, teplota [ 0 C] -6poté do C pomalejší úbytek m NCC ULCC LCC VTA 3

27 TERMICKÁ ANALÝZA (TA) DIFERENČNÍ DTA 10 DTA teplota [ 0 C] VÁŽKOVÁ VTA 5 tepelný tok [mw] LCC, ULCC LCC ~ C únik fyzikálně vázané -2 vody m [%] H C rozklad C 3 AH 6 C 3 AH ULCC ~ C rozklad gibbsitu AH3 AH A H C C 3 AH 1.5 C 12 A 7 ; CA; CA 2 ; CA 7 ; A NCC H - H NCC relativně rychlý m do C, teplota [ 0 C] -6poté do C pomalejší úbytek m ~ C únik volné vody (rychlé) VTA od C do C pomalý úbytek způsobený tvorbou kontinuální sítě křemičitého hydrogelu NCC ULCC LCC 3

28 TERMICKÁ ANALÝZA (TA) DIFERENČNÍ DTA 10 DTA teplota [ 0 C] VÁŽKOVÁ VTA 5 tepelný tok [mw] LCC Schéma polykondenzace solu SiO 2 m [%] ULCC NCC NCC VTA Si OH + HO Si Si O Si + H 2 O ~ C únik volné vody (rychlé) od C do C pomalý úbytek způsobený tvorbou kontinuální sítě křemičitého hydrogelu NCC ULCC LCC -6 vznik siloxanových vazeb teplota [ 0 C] 3

29 Shrnutí výsledků TA:! u NCC téměř veškerá H 2 O odchází při nízkých T (do C), poté jen pomalý úbytek,! zkrácení doby temperování při uvádění vyzdívky pece do provozu,! u LCC, ULCC pomalý vzrůst T při 1. ohřevu, někdy nutné přidávat PP-vlákna do směsi kvůli zvýšení permeability ŽB. 2

30 ZÁVĚR MOŽNOSTI ZVÝŠENÍ TERMOMECHANICKÝCH PARAMETRŮ ŽB 6 základních kroků 1. Snížení obsahu mikrosiliky (MS), popř. její vyloučení (vypuštěním MS se zhorší odolnost proti korozi struskou a zpracovatelnost). 2. Snížení obsahu cementu, resp. CaO = přechod k NCC. 3. Udržovat vysoký poměr SiO 2 /CaO v matrix. 4. Použití surovin s nízkým obsahem ostatních nečistot (Fe 2 O 3, TiO 2, alkálie). 5. Zajištění dostatečného teplotního spádu v pracovní vrstvě vyzdívky. 6. Při použití NCC nižší citlivost k tvorbě trhlin při vysoušení ŽB vyzdívky. 1

31 ZÁVĚR MOŽNOSTI ZVÝŠENÍ TERMOMECHANICKÝCH PARAMETRŮ ŽB 6 základních kroků 1. Snížení obsahu mikrosiliky (MS), popř. její vyloučení (vypuštěním MS se zhorší odolnost proti korozi struskou a zpracovatelnost). 2. Snížení obsahu cementu, resp. CaO = přechod k NCC. 3. Udržovat vysoký poměr SiO 2 /CaO v matrix. 4. Použití surovin s nízkým obsahem ostatních nečistot (Fe 2 O 3, TiO 2, alkálie). 5. Zajištění dostatečného teplotního spádu v pracovní vrstvě vyzdívky. 6. Při použití NCC nižší citlivost k tvorbě trhlin při vysoušení ŽB vyzdívky. Děkuji za pozornost. 1