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
TERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI ŽÁROBETONŮ (ŽB) 1 Chování ŽM za vysokých teplot popisují vztahy veličin ŽM = žáromateriál
NAPĚTÍ [σ] DEFORMACE [ε] TEPLOTA [T] ČAS [t]
21
TERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI ŽÁROBETONŮ (ŽB) 1 Chování ŽM za vysokých teplot popisují vztahy veličin ŽM = žáromateriál
2
NAPĚTÍ [σ] DEFORMACE [ε] TEPLOTA [T] ČAS [t]
Závisí na vlivu struktury materiálu
DEFORMACE
vratná nevratná PŘECHODOVÁ TEPLOTA
cca 0.4-0.5·Ttání 21
TERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI ŽÁROBETONŮ (ŽB) 1 Chování ŽM za vysokých teplot popisují vztahy veličin ŽM = žáromateriál
2
NAPĚTÍ [σ] DEFORMACE [ε] TEPLOTA [T] ČAS [t]
3
Vysoké termomechanické vlastnosti
Co nejnižší obsah složek Použití surovin s minimem nečistot
Závisí na vlivu struktury materiálu
DEFORMACE
vratná nevratná PŘECHODOVÁ TEPLOTA
cca 0.4-0.5·Ttání 21
POUŽITÍ ŽÁROMATERIÁLŮ (ŽM) VE VYZDÍVKÁCH
Nutné zajistit stabilitu = minimálně 2/3 z tloušťky vyzdívky nejsou vystaveny NEVRATNÝM DEFORMACÍM
KLENBA 250 mm
(šamot)
A
265 0C 1150 0C 1400 0C
A
nosná vrstva 20
STATICKÉ TERMOMECHANICKÉ (TM) ZKOUŠKY EXPERIMENTÁLNÍ USPOŘÁDÁNÍ
program
program
program
měření
měření
měření
I.
I.
II.
III.
program
měření
IV.
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
19
STATICKÉ TERMOMECHANICKÉ (TM) ZKOUŠKY EXPERIMENTÁLNÍ USPOŘÁDÁNÍ
program
program
program
měření
měření
měření
I.
I.
II.
program
NAPĚTÍ PŘI měření ZKOUŠKÁCH
III.
IV.
Pevnost a modul pružnosti
tlakové ! rovnoměrné zvyšování síly působící na vzorek popř. za současné registrace deformace, při konst. teplotě tahové II. Únosnost v žáru smykové ! rovnoměrné zvyšování teploty při konst.napětí ve vzorku, registrace závislosti deformace na teplotě torzní III. Tečení kombinované ! měření deformace v závislosti na čase, při konstantním napětí
IV.
Relaxace napětí
! měření deformace v závislosti na čase, při konstantním deformace a teplotě
19
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·b2
Rychlost ohřevu: 50C/min Rychlost zatěžování: 0.15 MPa/s
PEVNOST V OHYBU Z KONSTRUKČNÍHO HLEDISKA SE POVAŽUJE ZA NEJDŮLEŽITĚJŠÍ
18
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 = ε25- ε5/20 (%·h-1)
Rychlost ohřevu: 50C/min Zatížení: 0.05-0.2 MPa
17
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 5-25 h výdrže
-1) - ε5/20 (%·h ε· 5-25 = ε25tečení mezi
·
ε5-25 = ε25- ε5/20 (%·h-1) Rychlost ohřevu: 50C/min Zatížení: 0.05-0.2 MPa
17
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
OBECNÝ PRŮBĚH VYSOKOTEPLOTNÍHO TEČENÍ TĚLES v tahu (ohybu) nebo smyku 3 fáze PRIMÁRNÍ SEKUNDÁRNÍ TERCIÁLNÍ
T = konst. σ = konst.
v tlaku MATEMATICKÝ POPIS k, n … konstanty časově klesá nezávislé (n<1) = k·tn [T] deformace a)ε rychlost s časem Podle následujícího lze odhadnout deformaci b) během zk. vztahu se zvětšuje průřez tělesapři delším tlakovém namáhání při dlouhodobém použití _ c) destrukce (odpadá terciální střední rychlost tečení ε =tečení ∆ε/∆t =aεlom) - ε /t -t 2
1 2 1
16
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] 15
MECHANISMUS CREEPU ŽB ! rozhodující je chování MATRIX (<45 µm)
SKLUZ PO HRANICÍCH ZRN
·
! εMĚŘENÁ = Σ εi změřená rychlost deformace je součtem simultánně probíhajících dějů ·
εMĚŘENÁ = Σ Ai σn·e(-Ei/RT) i
! řídící děj = NEJRYCHLEJŠÍ (v tomto případě)
·
ε = α·σ/η (δ/L)3 α … bezrozměrnná konstanta σ … napětí η … viskozita taveniny 2δ … tloušťka vrstvy mezi zrny 2L … rozměr zrna
14
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Obr. 3 Zkušební trámečky ŽB (rozměr 30x30x150 mm).
13
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
MOŽNOSTI ZVÝŠENÍ TM PARAMETRŮ ŽB 1300-13500C tvorba
Al2O3-CaO-SiO2
anortitu CAS2 t.t. 15530C gehlenitu C2AS t.t. 15930C
(5 ternárních eutektik pod 13500C) redukce obsahu cementu
snížení obsahu MS
náhrada SiO2
Al2O3-SiO2
Al2O3-CaO-MgO
Al2O3-CaO
(výše tající eutektika)
SPINELOVÉ ŽB (1-složkový systém)
Al2O3 TM vlastnosti ŽB převážně závisí na složení jemných podílů = MATRIX (<45 µm)
11
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 0 1000
ŽB2 (v žáru)
ŽB1 (v žáru)
1100
1200
1300
1400
1500
Teplota [0C]
odlišný průběh pro měření pevností v ohybu v žáru (HMOR) a za studena (MOR) 10
ZÁVISLOST DEFORMACE VZORKU NA T
deformace [1]
0,04
ŽB se spinel-korundovou vazbou
0,03
Tv = 12500C
dT/dt = 50C/min.
ŽB 1
σ = 0.1 MPa
0,02 0,01 0 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
teplota [ C]
VYSVĚTLENÍ POKLESU PEVNOSTÍ ŽB S TEPLOTOU (T): 1. Vznik taveniny v systému Al2O3-SiO2-CaO (nad 12000C). 2. Růst množství taveniny. 3. Pokles viskozity taveniny s T (η = A·e-Ei/RT). 9
ZÁVISLOST PEVNOSTI V OHYBU (HMOR) LCC V ZÁVISLOSTI NA OBSAHU MIKROSILIKY (MS)
Pevnost v ohybu [MPa]
4
ŽB se spinel-korundovou vazbou
T=
3
14000C
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
8
Relativní rychlost tečení [%]
RYCHLOST TEČENÍ V USTÁLENÉ OBLASTI 120 100
V ZÁVISLOSTI NA OBSAHU MIKROSILIKY (MS)
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
0
Obsah MS [hm.%]
VYSVĚTLENÍ ZHORŠENÍ TM PARAMETRŮ ŽB S ROSTOUCÍM OBSAHEM MS: 1. I při min. obsahu SiO2 v cementových ŽB se tvoří tavenina (cca 13000C). 2. Pevnost klesá v důsledku značné plastické deformace vzorku.
7
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
Obsah cementu
Obsah CaO
Obsah SiO2/CaO
14000C
15000C
LCC
5%
1.5 %
3.3/1
1.9 MPa
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
ZÁVISLOST DEFORMACE VZORKŮ NA T dT/dt = 50C/min.
0,04
NCC
σ = 0.1 MPa
0,035
ULCC
deformace [1]
0,03
LCC
0,025 Typ ŽB
Tv
LCC
13100C
0,015
ULCC
14400C
0,01
NCC
14600C
0,02
0,005 0 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
teplota [0C]
5
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 = 15000C
80 53
60
σ = 0.1 MPa 34
40 20 0 LCC
ULCC Typ žárobetonu (ŽB)
NCC
4
TERMICKÁ ANALÝZA (TA) DTA
DIFERENČNÍ 10
0
teplota [ C]
DTA
VÁŽKOVÁ
VTA
0 -5
0
200
400
600
LCC
800
ULCC
1000
1200
1400
NCC
-10 -15
VTA
-20
0 0
-25 ∆m [%]
tepelný tok [mW]
5
200
400
600
800
1000
1200
1400
NCC
-2
ULCC
-4
LCC -6
0
teplota [ C]
3
TERMICKÁ ANALÝZA (TA) DTA
DIFERENČNÍ 10
0
teplota [ C]
DTA
VÁŽKOVÁ
VTA
0 -5
0
200
400
600
800
LCC
ULCC
1000
1200
1400
NCC
-10 -15
VTA
-20
0 0
-25 LCC, ULCC
200
400
600
800
-2 H
300-700
0C
-4.5 -4 H
→
1200
1400
-H
~ 220 0C rozklad gibbsitu AH3 → AH → A 250 0C rozklad C3AH6
1000
NCC
-2 ~ 100 0C únik fyzikálně vázané vody ∆m [%]
tepelný tok [mW]
5
C3AH1.5
-1.5 H
C3AH1.5 → C12A7; CA; CA2; CA7; A
0 teplota [ C] relativně rychlý ∆m do 300 0C,-6poté do 700 0C pomalejší úbytek m
ULCC LCC
3
TERMICKÁ ANALÝZA (TA) DIFERENČNÍ 10
0
teplota [ C]
DTA
VÁŽKOVÁ
DTA
VTA
0 -5
0
200
400
600
800
LCC
ULCC
1000
1200
1400
NCC
-10 -15 -20 -25 LCC,
NCC
0 0
ULCC
200
400
-2 ~ 100 0C únik fyzikálně vázané vody ∆m [%]
tepelný tok [mW]
5
-2 H
-H
~ 220 0C rozklad gibbsitu AH3 → AH → A 250 0C rozklad C3AH6 300-700
0C
-4.5 -4 H
→
~ 600 100 0C únik vody (rychlé) 800 volné1000 1200 VTA1400 od 100 0C do 700 0C pomalý úbytek způsobený tvorbou kontinuální sítě křemičitého hydrogelu NCC ULCC
C3AH1.5
-1.5 H
C3AH1.5 → C12A7; CA; CA2; CA7; A
0 teplota [ C] relativně rychlý ∆m do 300 0C,-6poté do 700 0C pomalejší úbytek m
LCC
3
TERMICKÁ ANALÝZA (TA) DIFERENČNÍ 10
0
teplota [ C]
DTA
VÁŽKOVÁ
DTA
VTA
tepelný tok [mW]
5 0 -5
0
200
400
600
800
LCC
1000
ULCC
1200
1400
NCC
-10 -15 -20
0 0
-25 ∆m [%]
Schéma polykondenzace solu SiO2
Si
NCC
OH + HO
Si
200
400
od 100 0C do 700 0C pomalý úbytek způsobený tvorbou kontinuální sítě křemičitého hydrogelu NCC ULCC
-2
-4
-6
~ 600 100 0C únik vody (rychlé) 800 volné1000 1200 VTA1400
Si
O
Si
+ H2O
LCC 0
vznik siloxanových vazeb teplota [
C]
3
Shrnutí výsledků TA: ! u NCC téměř veškerá H2O odchází při nízkých T (do 1200C), 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
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 SiO2/CaO v matrix. 4. Použití surovin s nízkým obsahem ostatních nečistot (Fe2O3, TiO2, alkálie). 5. Zajištění dostatečného teplotního spádu v pracovní vrstvě vyzdívky. 6. Při použití NCC nižší citlivost k tvorbě trhlin při vysoušení ŽB vyzdívky.
1
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 SiO2/CaO v matrix. 4. Použití surovin s nízkým obsahem ostatních nečistot (Fe2O3, TiO2, 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
