文摘

介绍了纤维增强复合材料的发展历程与增加阻力升高温度,可以另外增加了热液固化。然而,这些复合材料的生产非常能源密集型的,这就是为什么设计的过程反映出的废物方面环境material-fine陶瓷粉应用于水泥替代。研究复合材料由玄武岩骨料、陶瓷纤维应用到8%,calcium-aluminous水泥(CAC),陶瓷粉25%,质量(5%)作为水泥替代、增塑剂、和水。所有研究混合物受到热负荷三个热水平:105°C, 600°C, 1000°C。实验评估方面的执行初始和剩余材料特性;流测试新鲜的混合物、体积密度、抗压强度、抗弯强度、断裂能和动态弹性模量进行调查找出最佳剂量的陶瓷纤维。产生的复合材料包含4%的陶瓷纤维与各种修改特定的水热条件下陶瓷粉是治愈又受到温度升高。的一个最有价值的额外的水热固化的复合材料的好处在于残余力学性能越高,让成功利用治愈复合保温层在土木工程。混合物含有陶瓷粉水泥替代后表现出热液固化残余挠曲强度增加35%;另一方面,纯粹的混合物表现出更高的绝对值增长到10%。

1。介绍

快速进展领域的具体技术和材料工程启用现代类型的高实用水泥基复合材料的配方远远超过普通结构混凝土的特性。新开发的复合材料的目的可以在特殊应用中找到特定条件和环境的特征。关键结构部件暴露在极端温度攻击的风险,需要额外的保护。这就是为什么耐火水泥复合在当前土木工程需要重要的角色。

历史上,最成功和广泛的解决方案结构的防火复合强化了石棉纤维的应用。由于许多研究工作集中在石棉的健康风险1),使用这种材料几十年来一直是严格禁止的。石棉描述的负面影响,例如2- - - - - -4),包含了实质纤维化(石棉肺),间皮瘤,肺癌,等等。吸入石棉纤维的原因列举的疾病。石棉已被现代材料,通常用于高强度和高实用应用程序,也就是说,玄武岩,碳、玻璃和陶瓷5]。

水泥基耐火材料复合材料中的纤维应用程序的原因是多重的。他们大大有助于抗弯性能、延性和体积的增加稳定在消除热接触的微裂纹传播。合适的水泥基复合材料的耐高温纤维除了涉及三个中间方面:稳定的矩阵和填料使用,纤维的电阻温度升高,和质量矩阵和纤维之间的界面结合,尤其是温度升高达到转移压力。当代我们能找到有效的继任者石棉使用陶瓷、碳、玻璃、玄武岩纤维(6,7]。玄武岩纤维的应用特征低价格和后续金融储蓄相比,碳纤维(8]。

聚乙烯纤维在结构混凝土的使用可能导致其安全行为的增加在暴露于火由于其燃烧性的表面剥落。其现象是基于内部压力的减少引起的原始蒸汽通过创建通道系统后纤维会被烧毁,它创建一个逃脱的原始蒸汽9,10]。然而,聚丙烯纤维的减少可能会导致一个小的抗压强度(室温)11]。这个解决方案并不能提高力学性能在高温的作用之后,实际上限制了他们的应用程序。

钢纤维用于加强热阻结构混凝土的(12]。然而,钢纤维不适合耐火材料复合的目的,由于力学性能明显降低约600°C和随后的再结晶13]。

最优的纤维量,适用于水泥复合生产,取决于类型的组合,使用骨料、水泥、外加剂,特别是用纤维材料及其表面处理。剂量的1.0%体积的玄武岩纤维通常可以消除表面的裂纹形成即使暴露于循环荷载在1000°C (14]。干燥过程也可能导致裂缝;因此,纤维限制裂纹扩展(15]。以前的研究证实,玄武岩纤维最佳用量,剩余的机械和断裂特性,在细粒度的水泥基复合位于1.0和2.0%之间(16)或4%的陶瓷纤维,分别17]。

骨折能源是一个重要因素的描述耐火材料的热损伤(18]。然而,测试安排高度影响的最终结果和他们的解释。单轴载荷下的断裂能量的决心是相当一个更合适的测试组织与双轴加载相比,这是明显的特别是在软化部分(19]。耐火材料复合材料的断裂特征被宫彻底研究et al。20.),他发现耐火浇注料具有最高价值的断裂能量并没有显示出最高的抵抗热冲击损伤。

耐火材料的生产非常能源密集型的,这就是为什么更环保工业过程正在研究中。除了先进的技术,通常是通过将各种解决二级或废料21,22]。利用哲学废料生产建筑材料表示当前的材料工程问题之一。先前的研究[23)是专注于研究高性能复合材料在水热条件下另外治愈。有趣的力学性能确认增加。完成实验项目的主要目标在于分析先进的耐火水泥与液压复合键。应对各种成分的复合材料温度升高也将废弃物进行了研究,为获得最优组合。这样选择的样本集是在重复生产另外治愈特定热液条件下利用完整的材料使用组件的能力。

2。材料和方法

2.1。陶瓷纤维

基于陶瓷绝缘材料通常用于生产元素,如毛毯、纸,和董事会24]。小直径陶瓷纤维由于其早期开发上都发生了巨大的变化,由于需要加固结构陶瓷基复合材料(CMC)材料应用于温度高达1000°C (25]。

陶瓷纤维常用的普通结构混凝土提高动态负载阻力;苏和徐26)描述了积极影响的0.1%和0.2%的陶瓷纤维(体积%)电阻负载动态和影响。

陶瓷纤维IZOWAT 12 g(图1)用于本实验项目的目的。他们的体积密度是200公斤·m⁻³,平均纤维直径的6μm和平均长度约5毫米。其化学成分见表1,限制使用的最高温度到1260°C,这反映了55%的最大内容的SiO (wt %)₂担保的生产商。

2.2。Calcium-Aluminous水泥(CAC)

债券是由液压calcium-aluminous水泥Secar 71年,这是由拉法基集团。CAC的详细化学成分,研究了如表所示1。这种类型的水泥的关键参数测量的氧化铝,这决定了最终的热阻。硬化CAC经历几个过程中逐步热接触。高温的影响开始脱水CAH的亚稳态现象的产品₁₀(曹·艾尔₂O₃h·10₂O)和C₃啊₈(3曹·艾尔₂O₃h·8₂根据XRD由(O)。27这些水化产品(CAH),₁₀和C₃啊₈)接触后没有检测到200°C。然而,直到150°C,自由和结构性的蒸发的水啊_x凝胶也发生。为温度200°C和300°C之间,剩下的水合物啊₃和C₃啊₆几乎完全脱水,但他们仍然可以观察到400°C通过XRD的结果(27]。我们可以说,C₁₂一个₇是第一个观察脱水产物,这是由非晶形成脱水CA在400°C的温度。后达到900°C, CA之间形成的反应(Al₂O₃)和C₂a的温度大约600°C, CA₂检测到与铝的反应₂O₃(28,29日]。生成的氧化铝是一个产品从热分解的呀₃。铝水泥复合材料强度最低达到800°C - 900°C, CAH的最终分解。

2.3。精密陶瓷粉

保温砖的性质导致增加要求准确的生产砖磨块。二次废料来自这个过程很好地陶瓷粉(FGCP)。卷返回到生产过程的一部分,而其余终止于垃圾填埋场。FGCP的火山灰特性已在古代建筑,以及各种研究工作30.- - - - - -32]。FGCP作为填料的使用自密实混凝土已被证实在33),尤其是新鲜的状态性能改善。添加FGCP稍微影响最终的机械性能(最大剂量用于[33)是25%)。必须指出FGCP已经通过暴露于高温砖生产过程,这可能是成功利用耐火浇注料的配方组成。这种方法被证实在先前的研究16,34]。此外,表1显示的化学成分研究FGCP,当的总量₂O₃13.98%,SiO₂是64.45%。粒度分布FGCP如图2。

2.4。玄武岩骨料

聚合或填料使用在一般情况下,确定复合应用程序的温度范围,形成高达80%的体积。天然聚合常用的耐火材料由玄武岩复合材料提出了;然而,对于特定的应用程序,必须承认其实际矿物学和化学成分,决定下的稳定热接触(35,36]。它已经被记录(37- - - - - -39],玄武岩具有导热系数低、耐高温的作用。对于严重的应用程序,超过1000°C,人工骨料如火泥、瓷、金刚砂(使用40]。调查包含的复合自然碎玄武岩骨料从捷克采石场Dobkovičky。这个供应商提供了几粒大小的组合。基于先前的实验(35,36),结合两个分数,0/4毫米和2/5毫米,被选中。图2提供了筛分试验的结果。

2.5。混合设计和组合

在这项研究中使用的细粒度的复合材料设计增加粘合剂的一部分,这是典型的耐高温复合材料含有更多的纤维。通常的粘合剂质量/填充率大约是1.3/1.0。然而,水泥含量下降到0.67/1.0(粘结剂/填料)改善经济参数,同时也尊重选择的热负荷的要求。增塑剂梅花鹿1035(基于polycarboxylate醚)被用来确保足够的可加工性新鲜的混合物,以及减少水/水泥比率,这是设定在0.25。较低的水/水泥比由于水化CAC也很重要。先前的研究并没有证实产生负面影响的有机化合物,包括其易燃性(41]。陶瓷纤维应用于剂量0.25%,4.0%,8.0%。详细的介绍了研究混合物的成分表2。

和易性测量是按照捷克迫击炮(标准42流表),装备的大板,因为预计很高的流量值。流的价值平均从两个互相垂直的方向。

2.6。热负荷

制作标本都存储在一个潮湿的环境,直到28天的时代,当所有标本在105°C 72小时干自由水蒸发。干燥过程后,样品被分成三组:一个引用在105°C(干),和两组不同的热负荷(600°C和1000°C)在一个自动的电炉。每组由三个标本混合物(总共9标本每个混合物进行测试)。电炉的温度梯度达到10°C /分钟的速度,直到选定的温度了。图中描述的热负荷,示意图3,花了240分钟。在那之后,电炉是自然冷却。

2.7。水热固化

选定的混合物,达到最佳的机械和剩余财产分配结果从最初的实验计划,在水热条件下被治愈。标本存储36小时后在模具重复生产,在潮湿的条件下,确定热水地治愈混合物的时代。固化过程,持续240分钟,是由温度控制;压力对应的饱和蒸汽的属性。固化的过程选择如图4和反映了之前的经验23]。

2.8。机械性能

抗弯和抗压强度是衡量使用移动标本40×40×160毫米的尺寸,按照CSN EN 196 - 1 (43]。抗弯强度是决定利用三点弯曲试验结果,支持跨100毫米。测试都使用一个通用加载机MTS30,允许测试由变形控制,自动记录的测试。测试速度设置为0.2毫米/分钟裂纹萌生,和测试之后被裂缝打开自动控制,使用clip-engage伸长计固定在15毫米的切口深度。断裂能量计算的基础上,根据RILEM推荐测试记录(1)[44]。断裂能量的原理图来解释5。挠度测量使用几个伸长计,消除由支持推动。 在横截面面积 , 是断裂能量(J·m⁻²),棱镜的高度(米)棱镜的宽度(米),切口的深度(米)力(N),偏转(毫米)。

抗压强度是由使用欧盟40加载机和测量弯曲试验后留下的碎片。受到区域区分开了试验压力设备测量大约40×40毫米。体积密度测量的基础上,研究了样品的实际尺寸和重量主要监测逐步热负荷的影响。

可能损害可以描述和量化利用无损超声脉冲法(45,46]。脉冲超声波速度是衡量Proceq权威实验室⁺测试设备和脉冲换能器(54千赫)和接收器。测试安排对应的要求标准CSN EN 73 137147按照(),2)。这种无损方法适用于监测材料转换引起的热负荷(48]。 在哪里动态弹性模量(GPa),测量材料的体积密度(公斤·米⁻³),脉冲超声波速度(m·s⁻¹),是环境的特点(-)(47]。

3所示。结果与讨论

最初的实验项目的一部分进行确定最佳组合的陶瓷纤维和水泥替代的剩余属性。衰退和流量的依赖越来越多的FGCP可以清楚地观察到在混合物,分别为0.25%,4.0%,和8.0%的陶瓷纤维。流值显示和易性的降低由于越来越多的陶瓷纤维。流的评估测试,和可加工性的依赖在纤维和FGCP的总量,在图描述6。

具体结果如表所示3。衰减由于热负荷的图解积分法在数据选择的属性是显而易见的7和8。

3.1。体积密度

暴露在热负荷600°C引起体积密度下降约5%,相比干的状态。近似6.7%体积密度下降为特征的影响温度加载到1000°C。最高的容重发生减少干燥和600°C之间。它是由物理、化学结合水的蒸发。陶瓷纤维的总剂量和FGCP显著影响体积密度的值。之间的差异0.25%的陶瓷纤维和8.0%的陶瓷纤维是可量化的2.7%(大部分减少与越来越多的陶瓷纤维)。FGCP剂量的影响耐火材料混合的复合导致平均减少4.6%(越来越多的FGCP导致体积密度下降)。

3.2。抗弯强度

最高的挠曲强度发生后减少暴露在600°C以上的高温,导致一个近似水平的48%,下降了52%。这种现象并不奇怪,基于一般知识可以从几个文献来源(例如,49])。400°C的温度,通常提到的极限,是点的液压债券开始分解。获得的结果在600°C证明平均减少49%的原始值(48.9%对0.25%的纤维,纤维的4.0% 50.3%,47.0%,8.0%的纤维)。结果显示在1000°C证明平均减少30.3%的原始值(33.9%对0.25%的纤维,纤维的4.0% 35.7%,21.2%,8.0%的纤维)。挠曲强度的平均值参考样本大约在同一水平,不依赖于纤维的总量(从8.6 MPa到9.1 MPa)。

3.3。抗压强度

热负荷不影响抗压强度的剩余价值中所示相同的学位是挠曲强度的测试。然而,增加少量剩余价值,随着FGCP替换,可以观察到。一组混合物含有陶瓷纤维的4%体积的基础上可以观察到抗压强度作为最优,这与先前的研究[17]。

3.4。动态弹性模量

动态弹性模量得到的值与体积密度的值密切相关。观察最高减少接触热负荷后在600°C,而1000°C的影响对动态模量没有显著影响。然而,微裂隙的出现显著恶化在测量过程中信号传输。

3.5。断裂能量

总结了断裂能量的值表3。断裂的能量与陶瓷纤维的数量被使用,它也遵循FGCP剂量的趋势。一般来说,它可以得出的结论是,这个属性增加大量FGCP上升,尤其是参考样本,没有热加载。温度升高导致的断裂能量的减少值。最大剂量的测试陶瓷纤维(8.0%)引起的断裂能量的最低价值后暴露在温度为1000°C。

最初的实验项目的主要目的主要是为了获得最合适的材料组合,然后可以进一步改进的剩余属性使用水热固化。样本的集合包含4%的陶瓷被选为最优选择陶瓷纤维产能利用率的。不同层次的混合水泥替代FGCP受到额外的测试。

3.6。水热固化的评价

额外的水热固化产生预期的增加在几乎所有的参数进行了评估。大部分的价值密度、抗压强度、抗弯强度、断裂能量的标本治愈高压釜装置介绍了表4。干燥后体积密度的高值描述热压处理过的复合材料,而体积密度略有下降后曝光,在实验室与标本相比治愈。水热固化的最重要的好处是明显的挠曲强度的值。在某些情况下,这种机械参数实现值两倍的值比较的参考样本。即使暴露在温度为1000°C,热压处理过的试样的抗弯强度达到较高值与参考样本。这一现象与不同的水化产物,改善纤维表面的凝聚力。相反的现象发生在抗压强度的情况下。在某些情况下,特别是在与更高剂量的FGCP混合物,标本在高压釜治愈的值低于治愈的实验室。断裂能量挠曲强度的趋势。增加断裂能量的值热水地治愈标本观察。

4所示。结论

实验开发适合生产的纤维增强复合材料热屏障被本文记录。能源消费与生产部分减少FGCP整合,应用是CAC替换。一个最佳组合,特别是关于陶瓷纤维的用量和CAC替换,决心。合适的和易性水平也获得,相对于剩余的机械和物理性能。实验项目证实,4%是最佳的材料解决方案。基于实验程序执行的结果,可以提出以下结论:(1)水热固化的积极影响是确认为目的的耐火陶瓷纤维增强水泥复合材料。挠曲强度,之前和之后都受到温度升高,达到一个特别优秀的水平。(2)无论是视觉标志还是伤害后观察热负荷后肉眼观察的标本。主题综合环境的适用性与气温升高也证实。(3)陶瓷纤维的用量,以及FGCP的总量显著影响新鲜的和易性混合物。0.25%的混合纤维实现self-flow的特点;然而,纤维没有导致断裂的性质。结合4.0%的纤维和15%的FGCP导致最优组合的可加工性。纤维的最大剂量研究,8.0%,导致混合物必须集中在铸件压实。(4)在机械方面,尤其是残留、属性的组合FGCP导致最佳值的4.0%和15%。(5)在水泥基复合材料对环境的影响的背景下,利用废弃物(FGCP)复合材料和水泥替代部分不可分割的一部分积极的影响造成的全部水泥消费和生产有限公司₂。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究工作已经由捷克科学基金会项目没有。P105/12 / G059。