Development of Lightweight Refractory Composites Based on Aluminous Cement

Vývoj nových kompozitních materiálů je celosvětově mimořádně progresivní odvětví inženýrské činnosti. Principem kompozitů je kombinace rozdílných materiálů, kterou vzniká zcela nový materiál se specifickými vlastnostmi. Tato disertační práce přispívá do kategorie experimentálního výzkumu a vývoje speciálních kompozitů. Snahou této studie je příprava lehčených žárovzdorných kompozitů s dobrými mechanickými vlastnostmi, které by vedly k technicky ekonomickým řešením. Oheň patří k jednomu z nejnebezpečnějších aspektů betonových konstrukcí. Pokud je beton vystaven vysokým teplotám, jeho mechanické chování se dramaticky mění s nárůstem teploty. Důležitá není pouze maximální teplota, ale také doba, po kterou je konstrukce vystavena extrémní teplotě, a rychlost, s jakou teplota stoupá. To vše může vést k explozivnímu odprýskávání betonu s vážnými důsledky pro konstrukci a osoby v její blízkosti. Účelem navrhovaných kompozitů je působit jako tepelná bariéra ve volitelném tvaru a snížit tak přenos tepla z vysokoteplotního zdroje. Křemičité kamenivo a cementové kompozity na bázi portlandského cementu nejsou schopny odolat účinkům vysokých teplot, proto směsi v tomto experimentu jsou navrženy na bázi hlinitanového cementu a obsahují pouze složky, které odolávají vysokým teplotám. Pro účel výzkumu byly připraveny malé hranolové vzorky vystavené teplotám 105, 400, 600 a 1000 °C. Výstupem této práce je analýza vlivu žáruvzdorných komponentů a jejich reakce na postupné teplotní zatížení. Fyzikálními a mechanickými zkouškami byly zkoumány a vyhodnoceny různé kombinace lehčeného kameniva, provzdušňovací přísady a vláken v navržených směsích. Experimentální výsledky prokázaly pozitivní účinek použitých materiálů v žáruvzdorné kompozici. Mechanické vlastnosti navržených kompozitů dosáhly hodnot vysoké kvality, též i další užitné vlastnosti. Ani při zvýšené teplotě 1 000 °C nedošlo k nepříznivým účinkům, jako je zmíněné explozivní odprýskávání.The development of new composite materials is a worldwide extremely progressive branch of engineering activity. The principle of composite materials is a combination of different materials providing an entirely new material with specific properties. The effort of the present thesis is the preparation of lightweight refractory composites with good mechanical properties, which would reach technically economical solutions. Fire belongs to one of the most dangerous aspects of concrete structures. If concrete is subject to high temperatures, its mechanical behavior changes dramatically with the increase in temperature. It is not only the maximum temperature that is important, but also the time at which the structure is exposed to the extreme temperature and the rate at which the temperature rises. All that can lead to explosive spalling with serious consequences to the structure and people. The purpose of the proposed composite is to act as a thermal barrier in an optional form and reduce the heat transfer from a high-temperature source. Silica composites based on Portland cement and silica aggregates are not able to resist the effects of high temperatures, therefore, the mixtures in this experiment include only components that can resist high temperatures. For the experimental program, small prismatic specimens based on aluminous cement were prepared and exposed to temperatures of 105, 400, 600, and 1000 °C. One output of this study is the analysis of the influence of refractory compositions and their response to gradual temperature loading. Various compositions of lightweight aggregates, air-entraining additives, and fibers were investigated and evaluated by physical and mechanical testing. Experimental results have shown a positive effect of the used materials in a refractory composition. The mechanical properties of the designed composites have achieved values of high quality, as well as other utility properties. No adverse effects, such as explosive spalling, occurred even when the temperature had been increased to 1000 °C