Экспериментальное определение деформационных характеристик негорючего композиционного материала на основе минеральных вяжущих

Композиционные материалы (КМ) на основе полимерных смол наряду с известными достоинствами (высокие физико-механические характеристики, хемостойкость) имеют существенный недостаток ‒ низкую теплостойкость и горючесть. На рис. 1и2 отражено падение физико-механических характеристик стеклопластиков на основе эпок-сивинилэфирных смол при повышенных температурах. Так, например , модуль упругости стеклопластика на основе смолы Derakane 411 при температуре 120 °С падает в 16,2 раза в сравнении с 20 °С, а прочность ‒ в 9,9 раз . Модуль упругости стеклопластика на основе смолы Derakane 470 при температуре 150 °С в срвнении с 20 °С падает в 2,43 раза, а прочность ‒в 2,3 раза.

Рис. 1. Изменение модуля упругости ( Е ) КМ (стеклопластика) при повышенных температурах: 1 ‒ Derakane 411+ТР-0,25; 2 ‒ Derakane 470+стекломат

Необходимость обеспечения пожаростойкости технологического оборудования из КМ в категории НГ и Г 1 заставляет исследовать свя-зующие на негорючей основе, к которым относятся минеральные вя-жущие вещества, подразделяемые, в свою очередь на воздушные, твердеющие и сохраняющие прочность только на воздухе (гипсовые, магнезиальные, воздушная известь, жидкое стекло); гидравлические, твердеющие и набирающие прочность как на воздухе, так и в воде (гидравлическая известь, портландцемент, глиноземистый цемент); ав-токлавного твердения (известково-глиноземистые , известково-шлако-вые , нефелиновые цементы).

Рис. 2. Изменение предела прочности (о) КМ при повышенных температурах: 1 ‒ Derakane 411+ТР-0,25; 2 ‒ Derakane 470+стекломат

Сырьем для производства минеральных вяжущих являются различные горные породы и некоторые побочные продукты метал-лургической, энергетической, химической и других отраслей про-мышленности. Наибольший интерес представляет жидкое стекло, так как является экологически чистым, нетоксичным, пожаробезо-пасным, дешевым и доступным сырьем, обладающим регулируемы-ми плотностью и силикатным модулем, а также позволяющим ис-пользовать его в технологии, по которой получают КМ на основе полимерных материалов.

В рамках исследовательской программы было изготовлено шесть видов образцов на основе жидкого стекла (натриевого) с разным арми-рующим материалом.

Образцы на основе жидкого стекла и стекломата, используемого в качестве армирующего материала, были подвергнуты испытаниям на определение показателей пожарной опасности по ГОСТ 30244-94. Ис-пытания проводились на метрологически аттестованном оборудова-НИИ: -териалов «Шахтная печь». Образцы закреплялись вертикально в дер-жателе и подвергались воздействию заданной температуры внутри печи не менее 30 минут. В процессе проведения испытаний регистри-ровались следующие показатели: ; про- должительность устойчивого пламенного горения и потери массы об-разцов после проведения испытаний. В результате испытаний при воз-действии высокой температуры образцы сохранили свою форму и бы-ли признаны негорючими,т. . имеющими категорию пожарной безо-пасности НГ.

Пять видов образцов было исследовано на определение деформа-, 20 ° :

Образец № 1 ‒ жидкое стекло с ОПВ (остаток после выщелачива-НИЯ);

Образец № 2 ‒ жидкое стекло с песком;

Образец № 3 ‒ жидкое стекло с купершлаком;

Образец № 4 ‒ стекломат, пропитанный жидким стеклом;

Образец № 5 ‒ ткань базальтовая, пропитанная жидким стеклом.

Испытания образцов № 1‒3 проводились на электромеханиче-ской испытательной машине Instron 5882 в Центре экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехниче-ского университета, которая используется для статических испытаний широкой гаммы материалов на растяжение-сжатие , а также на трехто-чечный и четырехточечный изгиб . Образцы № 4‒5 испытывались на четырехточечный изгиб на оборудовании ОАО «УНИИКМ».

В результате испытаний были определены модуль упругости и предел прочности данных образцов (табл. 1). Из табл . 1 видно, что модуль упругости и предел прочности изотропных материалов (образ-цов № 1‒3) выше , чем анизотропных (образцов № 4‒5), но данные ма-териалы могут быть применены в основном в строительных работах, а для изготовления сложного оборудования методом намотки, формо-вания (с использованием армирующего наполнителя) преемственной является технология изготовления ПКМ, по которой получены образ-цы № 4‒5. На основе образцов № 4‒5 были проведены испытания при повышенных температурах, в ходе которых было испытано 2 группы образцов на четырехточечный изгиб:              ‒ в качестве арми- рующего материала применялся стекломат, вторая группа ‒ армирую-щий материал базальтовая рогожа. Изменение деформационных харак-теристик при повышенных температурах показано на рис. 3и 4. Так, в интервале температур 20‒100 °С происходит падение модуля упруго-сти и предела прочности образцов на основе жидкого стекла со стек-ломатом в среднем в 2,86 раза, которое сокращается до 2,6 раз винтер-вале температур 100‒700 °С.

Рис. 3. Изменение предела прочности (о) КМ на основе жидкого стекла при повышенных температурах: (армирующий материал : 3 ‒ стекломат, 4 ‒ базальтовая рогожа)

Рис. 4. Изменение модуля упругости ( Е ) КМ на основе жидкого стекла при повышенных температурах (армирующий материал : 3 ‒ стекломат, 4 ‒ базальтовая рогожа)

Для образцов же на основе жидкого стекла и базальтовой рогожи изменение значений модуля упругости и предела прочности разное : интервале температур 20‒100 °С происходит падение модуля упруго-сти в 4,7 раза, а предела прочности ‒в2 раза; в интервале температур 100‒700 °С падение сокращается до 0,95 и 1,17 раз соответственно . Значения модуля упругости и предела прочности данных образцов, по-лученные при испытании, отражены в табл. 2.

Деформационные характеристики образцов на основе жидкого стекла

Деформационные характеристики образцов при повышенных температурах*

Таблица 2

Связующее	Наполни-тель	Е ( ГПа) при температуре (°С)				о(МПа) при температуре (°С)
		20	60	100	700	20	60	100	700
Жидкое стекло	Стекломат	4,57	2,05	1,57	0,57	17,5	7,6	6,1	2,45
	Базальтовая рогожа	3,92	1,82	0,83	0,87	11,3	8,65	5,65	4,82

*Ширина испытываемых образцов 28‒30мм .

Таблица 1

Номер образца	Температура , °	Размеры образца, мм	Е ,	G, МПа
1	20	180×29×10	3	23,9
2	20	180×29×10	7,78	26,83
3	20	180×27×11	12,7	32,82
4	20	195×28×10	4,57	17,5
5	20	178×28×9	3,92	11,3

Ширина образца существенно влияет на результат испытаний. Так, образцы шириной 20 мм занижают результат испытаний (факти-ческий модуль упругости Е ) для анизотропного материала в среднем на 35 %, это вызвано влиянием «эффекта перерезанных нитей», поэто-му значение модуля упругости испытанных образцов будут выше в среднем на 35 % (табл. 3).

Таблица 3

Деформационные характеристики образцов при повышенных температурах с учетом влияния «эффекта перерезанных нитей»

Связующее	Наполнитель	Е ( ГПа) при температуре (°С)
		20	60	100	700
Жидкое стекло	Стекломат	6,17	2,77	2,12	0,77
	Базальтовая рогожа	5,29	2,46	1,12	1,17

Образцы на основе жидкого стекла демонстрируют более ста-бильные показатели деформационных характеристик при повышенных температурах, чем образцы на полимерной основе. Так, например , для образцов на основе смол Derakane в интервале температур 20‒150 °С падение модуля упругости происходит в среднем в 9,3 раза, для образ-цов же на основе жидкого стекла в интервале температур 20‒100 °С‒ в 3,8 раза, а в интервале 100‒700 °С падение сокращается в среднем до 1,85 раз; падение предела прочности происходит в среднем в 6,1 раза для образцов на основе смол Derakane, а для образцов на основе жид-кого стекла в 2,44 с сокращением до 1,83 раза в данных интервалах температур соответственно .

Таким образом, КМ на основе жидкого стекла в интервале темпе-ратур 100‒700 °С, имея невысокие, но стабильные деформационные характеристики, остаются работоспособными, поэтому являются пер -спективными материалами, позволяющими получать на традиционном для ПКМ оборудовании материал негорючий, экологически чистый, химстойкий (кроме HF), с высокой теплостойкостью (до 700 °С), а также конкурентноспособный .