Metode de incercare a betoanelor refractare cu continut scazut de ciment

Utilizarea betoanelor refractare prezinta anumite avantaje cum ar fi: usurinta aprovizionarii, rapiditatea si usurinta punerii in lucru, costul scazut si exploatarea comoda. Totusi, caracteristicile fizico-mecanice ale betonelor refractare sunt inferioare comparativ cu cele ale produselor fasonate, de compozitie similara.

Astfel, apare necesitatea realizarii unor produse care sa prezinte caracteristici asemanatoare produselor arse, dar sa pastreze avantajele betonelor refractare. Aceasta se poate realiza prin scaderea conti­nutului de ciment din betoanele refractare [1 – 5], chiar pana la eliminarea lui.

In cele ce urmeaza, ne referim la realizarea unor betoane refractare cu continut ridicat de alumina (80–90% Al₂O₃) si dozaj scazut de ciment. Continutul relativ ridicat in oxid de calciu, adus in sistem de cimentul aluminos, determina, in betoanele refractare cu continut normal de ciment (~20%), diminuarea proprietatilor fizico-mecanice la temperaturi ridicate, la aceasta diminuare participand si raportul apa/ciment ridicat.

Betoanele refractare cu dozaj scazut (LCC) si ultra scazut (ULCC) de ciment prezinta avantaje importante fata de betoanele refractare clasice. Intre aceste avantaje: scaderea proportiei de apa, reducerea porozitatii structurii intarite, micsorarea pierderii de rezistenta mecanica in domeniul critic de temperatura, precum si imbunata­ti­rea refractaritatii.

Caracterizarea materialelor

Materiile prime utilizate in expe­rimentarile efectuate la realizarea betoanelor refractare au fost: cimentul aluminos, corindonul, bauxita si samota – cu rol de agregate. Ca ada­osuri, s-au utilizat: alumina reactiva, silicea amorfa, argila plastica si pulberi metalice, precum si diferiti electroliti cu rol de reducere a nece­sarului de apa, modificatori ai valorii pH-ului.

Cimentul

Pentru obtinerea maselor din beton supuse investigatiilor, s-a utilizat un ciment super aluminos de tip CA+CA₂, cu un continut in Al₂O₃ >70%.

In tabelul 1 este prezentata compozitia oxidica a cimentului utilizat.

Dupa cum se poate observa, continutul in alumina al cimentului refractar este ridicat, ajungand la 72,60%.

Analiza granulometrica a cimentului este prezentata in tabelul 2.

In tabelul 3 sunt prezentate va­lorile timpului de priza a apei de consistenta normala si rezistenta mecanica a cimentului utilizat la prepararea maselor refractare.

Agregatul

Pentru prepararea maselor de betoane cu un continut de alumina cuprins intre 80–90% Al₂O₃, s-au utilizat bauxita normala, samota D79 si electrocorindonul E94.

Compozitia oxidica a agregatelor este prezentata in tabelul 4, iar proprietatile lor fizice in tabelul 5.

Din tabelul 6 rezulta ca samota granulara este saraca in fractie fina; de aceea, se impune o prelucrare ulterioara a sa, in scopul majorarii componentelor granulometrice cu dimensiuni reduse, deoarece acest agregat se va utiliza in amestec cu electrocorindonul pentru a realiza betonul alternativ cu 80-90% Al₂O₃.

Aditivi, adaosuri, electroliti

La prepararea maselor experimen­tale s-au folosit adaosuri cu actiune complementara, care promo­veaza, alaturi de lierea hidraulica, lierea de coagulare-condensare, liere chimica si liere ceramica la temperaturi inalte [6, 7] (tabelul 7).

Rezultate

Pentru realizarea betoanelor refractare, adaosurile si electrolitul au fost amestecate, ca parti fine, impreuna cu cimentul aluminos, independent de agregatul refractar. Amestecul reprezinta matricea lianta a sistemului complex.

Masele uscate de beton, prezentate in tabelul 8, au fost obtinute prin amestecarea agregatului cu partea lianta.

Amestecurile uscate ale maselor de beton investigate au fost anali­zate din punct de vedere granulometric, datele rezultate fiind prezen­tate in tabelul 9.

Se poate observa o deosebire intre granulatiile maselor experimentale de beton I si II in ceea ce priveste distributia componentei grosiere. Aceasta se datoreaza distributiei granulometrice diferite a agregatelor refractare: bauxita normala pentru compozitia I si ames­tecul de samota cu electrocorindon pentru compozitia II, fapt confirmat de existenta unei granulometrii asemanatoare intre compozitia I si masa de comparatie III, preparate din acelasi agregat refractar. Trebuie remarcata, totodata, proportia asema­natoare dintre componenta grosiera a maselor investigate. Aceasta dove­deste respectarea curbei granu­lometrice proiectate in vederea rea­lizarii structurilor de inalta compactitate, aspect ce trebuie avut in vedere in corelatie cu valorile procentuale ale fractiei fine.

Se constata, de asemenea, existenta unei componente ultrafine (sub 0,06 mm), insemnata ca pondere, care are un rol foarte important in cresterea compactitatii structurale.

Datele analizelor chimice prezentate in tabelul 10, atat pentru betoanele cu continut scazut de ciment cat si pentru betonul de comparatie cu un continut normal de ciment, evidentiaza faptul ca betoanele refractare studiate au continutul in Al₂O₃ cuprins intre 82,23% si 82,88%.

Au fost confectionate, prin tur­nare-vibrare, epruvete cu dimensiunile 40×40×160 mm, iar dupa trei zile de intarire libera, acestea au fost uscate la 110 0C, apoi tratate termic, la temperaturi diferite si ulterior, evaluate din punct de vedere mecanic.

In figurile 1 si 2 sunt prezentate rezistentele meca­nice la incovoiere si respectiv, compresiune, ale betoa­nelor realizate, in functie de tempe­ratura de tratament termic.

Dupa cum s-a anticipat, proprietatile fizico-mecanice ale betoa­nelor experimentale I si II (cu dozaj redus de ciment – 10% si adaosuri) sunt superioare celor corespunzatoare betonului de referinta III cu dozaj normal de ciment (20%) si neaditivate, atat la intarire normala cat si in conditii de tratament termic.

Analizand datele prezentate in figurile 1 si 2 se poate observa ca, spre deosebire de betonul de refe­rinta (III), unde se constata o pierdere importanta a rezistentei mecanice in intervalul critic de temperatura (600-1200 0C), in cazul betoa­nelor experimentale I si II intensitatea acestui fenomen este mult diminuata.

Acest spor de rezistenta meca­nica, favorabil betoanelor experimentale cu dozaj redus de ciment si adaosuri, se mentine si la temperaturi inalte, cand se dezvolta sistemul de intarire ceramica, in timp ce in betonul de referinta (III) cu dozaj normal de ciment (20%) este neutilizat la 1.550 0C din cauza depre­cierii avansate a rezistentei meca­nice (fig. 1 si 2).

In figura 3 este reprezentata densitatea aparenta, r, in functie de temperatura de tratament termic a betoanelor refractare studiate, iar in figura 4 se arata evolutia porozitatii aparente a acestora.

Structura betoanelor refractare aluminoase cu dozaj redus de ciment si aditivate se caracteri­zeaza printr-o porozitate scazuta si o densitate mai mare, in comparatie cu betonul de referinta III, atat la intarirea libera cat si in conditii de tratament termic.

Daca la 1.550 0C caracteristicile fi­zico-mecanice ale betoanelor expe­rimentale I si II se mentin la valori optime ale parametrilor calitativi, nu acelasi lucru se poate spune si despre betonul de comparatie III, care se caracterizeza printr-o structura compromisa.

In ceea ce priveste porozitatea aparenta, valorile mai scazute aratate de betoanele experimentale I si II se datoreaza, in primul rand, matricei liante a acestora, care este mai compacta decat matricea betonului clasic cu 20% ciment.

Comportamentul mai bun la temperaturi ridicate, demonstrat de betoanele cu ciment putin si adaosuri, se datoreaza modificarilor structurale mai reduse si aparitiei unor noi formatiuni morfologice. Astfel, investigatiile realizate prin difractie de raze X pe probe de compozitia matricei liante specifica betoanelor cu ciment putin si adaosuri, realizate prin metoda pastelor, au pus in evidenta, la temperaturi ridicate corespunzatoare lierii cera­mice, formarea compusilor minera­logici: aluminatul monocalcic, CA (liniile 2.97 Å; 2.60 Å; 2.51 Å), dialuminatul de calciu, CA₂ (liniile 3.52 Å; 4.44 Å; 2.76 Å), anortitul, CAS₂ (liniile 4.02 Å; 3.23 Å) si mulitul, A₃S₂ (liniile 3.39 Å; 3.43Å).

Compusii nou formati au un rol foarte important in compactizarea structurala si formarea legaturilor matrice-agregat. Aceasta legatura matrice-agregat este rezultatul a numeroase punti de legatura cera­mica, ce se dezvolta intre faza continua reprezentata de matricea lianta si faza discontinua, agregatul, intre care exista afinitati epitaxiale.

In figura 5 este prezentata refrac­taritatea celor trei betoane analizate.

Dupa cum se poate observa refractaritatea betoa­nelor cu dozaj mai scazut de ciment este mai ridicata, comparativ cu va­loarea aratata de betonul cu dozaj normal de ciment. Acest aspect este in concordanta cu valoarea redusa a continutului de ciment, stiut fiind ca­racterul fondant al acestuia in sistem.

Concluzii

a) Betoanele experimentale cu dozaj scazut de ciment si adaosuri prezinta rezistente mecanice, atat la intarire libera cat si la tratament termic, mai ridicate decat betonul cu dozaj normal de ciment (20%), datorita aditivilor utilizati. Acestia determina aparitia, pe langa lierea hidraulica, si a lierii prin coagulare-condensare si, eventual, a celei chimice.

b) Betoanele experimentale cu dozaj scazut de ciment prezinta o pierdere de rezistenta mai putin importanta fata de betoanele refrac­tare clasice, in intervalul critic de temperatura, datorita prezentei lierii de sinterizare; aceasta este o consecinta a utilizarii pulberii de sili­ciu ca agent de sinterizare, a aluminei reactive, precum si a folosiri argilei, respectiv a silicei amorfe.

c) Betoanele experimentale I si II prezinta o porozitate aparenta mai scazuta decat betonul etalon III, datorita faptului ca matricea lianta a acestora este mai compacta decat cea a etalonului.

d) Reducerea porozitatii matricei liante, care are loc prin aditivarea betoanelor, constituie una din explicatiile pentru care aceste noi betoane, cu matricea mai compacta, se caracterizeaza prin valori mai mari ale densitatii, comparativ cu betonul etalon neaditivat.

e) Refractaritatea betoanelor aditivate (1.680-1.690 0C) este superi­oara celei demonstrate de betonul etalon (1.650 0C), datorita proportiei diminuate a fazei liante pe care o contin aceste betoane.

Bibliografie

[1] L. Prost, L’industie Cera­mique (661), 279, 1973;

[2] Teoreanu, N. Angelescu, Mate­ri­ale de Constructii, XXI, 2-3, 68, 1991;

[3] N. Angelescu, V. Bertalan, in Proceeding of International Conference on Concrete in Hot Climates, 209, UAE, 1994;

[4] D. R. Lankard and co., Refractory Journal, 1, 6, 1986;

[5] N. Angelescu, Heating Behavior of Monolithics Bound by Coagulation, Cemento ve Beton, Dünyasi, vol. 8, no 44, Journal of TÇMB, July-August, 2003, ISSN 1301-0859;

[6] N. Angelescu, Fifth NCB International Seminar on Concrete and Building Materials, vol III, XII-112, New Delhi, India, 1996;

[7] I. Malier, Les bétons à hautes performances: du matériau à l’ouvrage. Presses de L’École Nationale des Ponts et Chaussées, Paris, 1990.

Acest articol a fost realizat in cadrul Programului Operational Sec­torial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 INVESTESTE IN OAMENI! Axa prioritara 1 „Edu­catia si formarea profesionala in sprijinul cresterii economice si dezvoltarii societatii bazate pe cunoastere”, Domeniul major de interventie 1.5. „Programe docto­rale si postdoctorale in sprijinul cercetarii”. Titlul proiectului: „Bursele doc­torale, premiza pentru cresterea competitivitatii si competentelor in cercetarea stiin­tifica”. Cod con­tract: POSDRU/ 88/1.5./S/63269.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 79 – martie 2012, pag. 40

Autori:
Cristina STANCU – SC CEPROCIM SA
Nicolae ANGELESCU – Universitatea Valahia, Targoviste
Marcela MUNTEAN – Universitatea Politehnica, Bucuresti