Development and mechanical performance analysis of high-temperature resistant concrete composite

Abstract

Refractory castables, or refractory aggregates and ultra-fine particles mixed with calcium aluminate cement and deflocculants, were created in the 1980s to protect industrial furnaces operating at high temperatures in metallurgy, chemistry, and the petrochemical industry. These materials demonstrate outstanding performance even over 1000 °C and can withstand compressive stresses, which emerge in typical applications due to high temperatures and mechanical loads. The extraordinary material performance has led to interest in using these materials for developing building protection systems against fires and explosions. Still, this application requires structural reinforcement to resist tensile stresses in the concrete caused by mechanical loads, making the bonding of reinforcement crucial. The different temperature expansion properties of the castables and reinforcement steel further complicate the bar interaction mechanisms with concrete. The dissertation conducts extensive tests to evaluate various combinations of refractory and reinforcing materials to develop a reinforced composite resilient to thermal and mechanical loads. These tests revealed the acceptable efficiency of conventional castables (CC), analysing the material cost and bond resistance balance. However, the typical CC strength of 50 MPa is insufficient to ensure the bonding performance of steel bars after treatment at 400 °C, and the plain bars lose their bond with the concrete, regardless of the concrete strength, due to the different thermal expansion properties of the materials. On the contrary, ribbed stainless Type 304 steel bars and the CC material, modified with 2.5% micro-silica (by weight of dry materials) to achieve a 100 MPa cold compressive strength (CCS), are promising candidates for developing the refractory composite. A finite element model has also been created to predict steel reinforcement’s bonding performance in refractory castables under a temperature impact of up to 1000 °C. The dissertation includes an introduction, three chapters, general conclusions, and a list of references. The First Chapter reviews the literature on testing methodologies and reinforcement behaviour in refractory composites under high temperatures, identifying gaps in existing research. The Second Chapter describes the experimental programme, detailing the testing setup, materials used, and data collected from materials characterisation, pull-out experiments, and bending beam tests. The Third Chapter analyses experimental results and develops a finite element model to simulate the bond behaviour of stainless-steel reinforcement in refractory concrete after high-temperature treatment. The author’s list of publications on the dissertation topic consists of three journal articles (indexed in the Web of Science database with an Impact Factor) and three conference presentations.

Ugniai atsparūs betonai arba ugniai atsparių užpildų ir itin smulkių priedų mišiniai su kalcio aliuminato cementu ir deflokuliantais buvo sukurti praeito amžiaus devintą dešimtmetį, siekiant apsaugoti metalurgijos ir naftos perdirbimo pramonės aukštakrosnes nuo aukštos temperatūros poveikio. Šie betonai išlaiko savo savybes esant aukštesnei nei 1000 °C temperatūrai ir atlaiko gniuždymo įtempius, atsirandančius dėl aukštų temperatūrų ir mechaninių apkrovų poveikio. Dėl išskirtinių savybių šie betonai pradėti plačiau tyrinėti, siekiant juos pritaikyti statybinėms konstrukcijoms kaip apsaugą nuo gaisrų ir sprogimų. Tuo tikslu konstrukcijas būtina armuoti ir taip užtikrinti jų atsparumą tempimo įtempiams, atsirandantiems dėl mechaninių apkrovų poveikio. Todėl itin svarbu, kad būtų užtikrintas armatūros sukibimas su betonu, nes esant aukštoms temperatūroms sukibimo įtempių būvis kinta veikiamas skirtingų betono ir plieninės armatūros šiluminio plėtimosi. Disertacijoje atlikti išsamūs tyrimai, siekiant įvertinti įvairius ugniai atsparių betonų ir armatūros derinius bei sukurti šiluminiams ir mechaniniams poveikiams atsparų kompozitą. Tyrimai atskleidė, kad tradiciniai betonai pasižymi priimtinomis savybėmis, atsižvelgiant į medžiagų kainą ir sukibimo atsparumą, tačiau įprastas jų gniuždymo stipris (50 MPa) yra nepakankamas, kad užtikrintų plieninių strypų sukibimą temperatūrai pasiekus 400 °C; lygaus paviršiaus armatūros strypai praranda sukibimą su betonu nepriklausomai nuo betono stiprio (dėl medžiagų šiluminio plėtimosi skirtumų). Priešingai, rumbuotų nerūdijančiojo plieno (304 klasės) strypų ir tradicinių ugniai atsparių betonų, modifikuotų 2,5 % masės silicio oksido mikrodalelėmis, užtikrinant 100 MPa gniuždymo stiprį (kai bandiniai buvo pakaitinti aukštoje temperatūroje ir savaime atvėso), derinys pasirodė perspektyvus kurti ugniai atsparų betono kompozitą. Be to, sukurtas baigtinių elementų modelis leidžia prognozuoti plieninės armatūros sukibimo su ugniai atspariais betonais elgseną kaitinant medžiagą iki 1000 °C. Disertaciją sudaro įvadas, trys skyriai, bendrosios išvados ir literatūros sąrašas. Pirmame skyriuje nagrinėjamos bandymų metodikos ir armatūros elgsena ugniai atspariuose kompozituose, veikiant aukštoms temperatūroms, taip pat identifikuojamos esamos literatūros tyrimų spragos. Antrame skyriuje aprašoma eksperimentinė programa, naudotos medžiagos ir surinkti duomenys iš armatūros tempimo, armatūros ištraukimo iš betono kubelių bei sijų lenkimo bandymų. Trečiame skyriuje analizuojami gauti eksperimentiniai rezultatai ir kuriamas baigtinių elementų modelis, skirtas nerūdijančiojo plieno armatūros sukibimo su betonu elgsenai modeliuoti, kai bandinys buvo pakaitintas aukštoje temperatūroje ir savaime atvėso. Disertacijos tema parengtų publikacijų sąrašą sudaro 3 straipsniai moksliniuose žurnaluose (referuojamuose Web of Science duomenų bazėje) ir 3 straipsniai tarptautinių konferencijų medžiagoje.