Experimentální analýza vláknových kompozitů zatížených vysokými teplotami

Abstract

Disertační práce se tematicky člení na dvě základní části. Obsahuje teoretickou rešerši věnující se oblasti žárobetonů a žáruvzdorných kompozitů s komplexnějším zaměřením na problematiku hlinitanového cementu. Součástí teoretické rešerše je rovněž studium účinku vysokých teplot na cementové kompozity. Dále je věnována pozornost různým typům vláken vhodných k vyztužení cementových kompozitů uplatnitelných v prostředí vysokých teplot. Dílčí část popisuje účinek hydrotermálního ošetřování na cementové jemnozrnné kompozity. Součástí disertační práce je kapitola shrnující metodiku použitých experimentálních metod a popisující materiály, ze kterých se skládaly studované cementové kompozity. Stěžejní část disertační práce spočívá v experimentálním programu sestávajícím se z více dílčích a prohlubujících částí. Převažujícím zkušebním vzorkem sloužícím pro potřeby provedených analýz byl trámek o rozměrech 40×40×160 mm, na kterém proběhla analýza objemové hmotnosti, pevnosti v tahu za ohybu, pevnosti v tlaku (měřeno na fragmentech po ohybové zkoušce), dynamického modulu pružnosti a lomové energie. Vzhledem k zaměření disertační práce byly uvedené parametry vyšetřovány na vzorcích referenčních – vysušených – a na vzorcích vystavených teplotnímu zatížením v úrovni 600 °C a 1000 °C po dobu 240 minut. Prvotní experimenty byly provedeny na cementových pastách z hlinitanového cementu o odlišných hodnotách vodního součinitele. Dále byl proveden rozsáhlý experimentální program zaměřený na studium vlivu substituce hlinit anového cementu metakaolinem či cihelným prachem na mechanické parametry před a po výpalu. Studovány byly rovněž odlišné dávky čedičových vláken (maximálně 4 %) a keramických vláken(maximálně 8 %). Hlavní plnivovou složku použitého kompozitu tvořily dvě frakce přírodního, drceného čedičového kameniva (0-4 mm a 2-5 mm). Na vybraných směsích z hlediska multikriteriálního hodnocení dosažených mechanických a reologických vlastností proběhla detailnější analýza spočívající v provedení teplotního zatížení odstupňovaném po 100 °C do maximální teploty 1000 °C. Dále byl vyšetřován vliv hydrotermálních podmínek ošetřování na residuální mechanické vlastnosti po teplotním zatížení v případě směsí s cihelným prachem, čedičovými a keramickými vlákny. Pro ověření chování vybraných kompozitů na vzorcích odpovídajících reálným prvkům byly zhotoveny obdélníkové desky. Zmíněné deskové vzorky o rozměrech 400×300×38 mm byly podrobeny teplotnímu zatěžování v úrovni 600 °C a 1000 °C a rovněž cyklickému teplotnímu zatěžování se šesti opakováními. Analýzu mechanických parametrů doplnilo studium pórové struktury. Vliv teplotního zatížení v úrovni 600 °C a 1000 °C na samotná čedičová vlákna byl analyzován za použití elektronové mikroskopie.

The dissertation consists of two main parts.It contains a theoretical state of the art research that is focused on refractory composites with more complex focus on alumina cement. The state of the art part also contains a study of the effect of elevated temperatures on cement composites. This part also describes various types of fibers suitable for composites applicable inn high temperature environments. The partial is focused on the effect of hydrothermal curing conditions on cement based composites. There is also a chapter summarizing the methodology of performed experimental methods and describing the input materials for studied fiber-reinforced composite. The main part of the dissertation consists of an experimental program consisting of several partial and deepening parts. The predominant test specimen for performed experimental program was a prism with dimensions 40×40×160 mm. This specimen was used for determination of bulk density, flexural strength, compressive strength, dynamic modulus of elasticity and fracture energy. Due to the aim of the dissertation, above mentioned parameters were investigated on dried specimens (reference) and on specimens exposed to thermal loading (600 °C and 1000 °C for 240 minutes). The introduction of experimental program contains the study of alumina cement pastes with different water to cement ratio. An extensive study was focused on the effect of aluminous cement substitution with metakaolin or ceramic powder on mechanical characteristics before and after thermal loading. Different dosage of basalt fibers (max. 4 %) and ceramic fibers (max. 8 %) were also studied. Natural crushed basalt aggregate (0-4 mm and 2-5 mm) was the filler of investigated composite. Based on multi-criteria evaluation of mechanical and rheological properties, selected mixtures were analysed after detailed thermal loading with gradient 100 °C (from 100 °C to 1000 °C). In addition, the effect of hydrothermal curing conditions on residual mechanical properties after thermal loading was also investigated. In order to verify the behaviour of selected composite on the real elements, the rectangular slabs with dimensions of 400×300×38 mm were produced. These slabs were exposed to thermal loading of 600 °C and 1000 °C as well as cyclic thermal loading (six cycles) of the same level. The analysis of mechanical properties was supplemented by the pore structure study. The influence of thermal loading on basalt fibers itself was analysed by using electron microscopy.