2. Исходные материалы для огнеупорных и жаростойких бетонов
В отличие от огнеупорных жаростойкие бетоны имеют огнеупорность ниже 1580°С и могут эксплуатироваться обычно до 1200-1300°С.
В огнеупорных бетонах в качестве наполнителей и заполнителей применяются огнеупорные материалы – аналоги обжиговых огнеупоров. В огнеупорных бетонах кремнеземистого состава – аналогов динаса можно, кроме того, использовать природный кварцит, кварцевый песок.
В жаростойких бетонах в качестве наполнителей заполнителей могут использоваться, кроме того, тугоплавкие и даже легкоплавкие материалы огнеупорностью 1350-1580°С и менее 1350°С. Обязательным для этих материалов является сохранение высоких прочностных показателей и постоянство коэффициента линейного температурного расширения в процессе нагрева. К таким материалам относятся: строительная керамика, металлургические кислые и нейтральные шлаки, шлаки и золы ТЭС и т.п.
Наполнители должны характеризоваться тонкостью помола, обычной для цементов, т.е. примерно 85% материала должно проходить через сито с ячейкой 0,08 мм.
Заполнители, предварительно обоженные и не подверженные модификационным превращениям, могут иметь максимальную крупность зерен до 20 мм. Материалы, не претерпевшие перерождения при нагреве, например, кварцит, применяют обычно с максимальной крупностью зерен до 5-10 мм.
Заполнители должны характеризоваться однородным химическим и минералогическим составами. Требования к их гранулометрическому составу такие же, как и для заполнителей, предназначенных для обычных бетонов. Методы подбора составов бетонов тоже аналогичны.
В качестве вяжущих для жаростойких бетонов рационально использовать:
шлакопортландцемент и жаростойкий портландцемент (портландцемент + 25-50% тонкомолотых добавок типа шамота, золы-унос ТЭС); предельная температура применения бетонов до 1200°С;
глиноземистый цемент для бетонов с предельной температурой службы до 1300°С;
жидкостекольные вяжущие (композиции жидкого стекла, тонкомолотого жаростойкого наполнителя и отвердителя для жидкого стекла).
В качестве вяжущих для огнеупорных бетонов можно применять:
высокоглиноземистый цемент в сочетании с рядовыми и высокоглиноземистыми заполнителями;
жидкостекольные вяжущие в сочетании со всеми огнеупорными наполнителями и заполнителями;
аналогичные вяжущие на основе водорастворимых фосфатов;
магнезиальные вяжущие в сочетании с основными и нейтральными наполнителями и заполнителями.
3. Жаростойкие бетоны
Бетоны на основе портландцемента. Продукты твердения портландцемента в процессе нагрева при температуре 600-800°С превращаются в 2СаO·SiO2, волластонит СаO·SiO2 и известь СаО. При этом цементный камень теряет около 80% исходной прочности. Однако, если он охлаждается ниже 600°С, то полностью разрушается за счет модификационного превращения b - 2СаO·SiO2 ® g - 2СаO·SiO2 и гашения извести.
При введении в портландцемент молотых доменного граншлака, шамота, золы ТЭС и т.п. происходит взаимодействие гидроксида кальция и высокоосновных гидросиликатов с аморфным кремнеземом добавок с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция, которые при нагреве превращаются в волластонит с меньшим нарушением структуры цементного камня. Кроме того, при высоких температурах идут твердофазовые реакции между составляющими цементного камня и добавок. Все это увеличивает остаточную прочность цементного камня после нагрева при 800°С до 30-40% от исходной. Расход тонкомолотых жаростойких добавок-наполнителей должен составлять при этом 25-50% от массы смешанного вяжущего.
При постоянной температуре службы до 1000°С в качестве заполнителей в бетонах можно использовать стабильные к силикатному распаду металлургические шлаки (доменный, ваграночный, сталелитейный). Термическая стойкость таких бетонов низкая – до 10 циклов попеременного охлаждения 800°С « вода.
Более термостойкие бетоны с предельной температурой службы до 1000°С можно получить, используя в качестве наполнителя и заполнителей кислые материалы: лом строительной керамики, золы и шлаки ТЭС, природные щелочные алюмосиликатные породы и т.д.
Максимальной термостойкостью (до 30 циклов водных теплосмен 800°С « 20°С) и предельной температурой применения до 1200°С характеризуются бетоны на шамотных наполнителях и заполнителях.
Бетоны на основе глиноземистого цемента.
Глиноземистый цемент примерно в 5 раз дороже портландцемента, поэтому его следует использовать в бетонах, технические показатели которых нельзя получить при использовании портландцемента.
При нагреве выше 800°С затвердевший камень глиноземистого цемента теряет 40-60% исходной прочности. С рядовыми шамотными заполнителями глиноземистый цемент уже при 1325°С образует значительное количество легкоплавкой эвтектики, что ограничивает предельную температуру применения таких бетонов 1300°С. снизить количество расплава и увеличить температуру применения бетонов на глиноземистом цементе можно за счет использования высокоглиноземистых наполнителей и заполнителей, что не всегда экономически рационально.
Бетоны на основе жидкостекольных вяжущих могут быть воздушного и гидратационного твердения. В бетонах воздушного твердения в качестве отвердителя, обычно, натриевого жидкого стекла используют кремнефторид натрия – Na2SiF6. В бетонах гидратационного твердения отвердителем могут служить саморассыпающиеся металлургические шлаки, содержащие g - 2СаО·SiO2 (феррохромовый, электросталеплавильный, мартеновский и др.), нефелиновый шлам и т.п.
В зависимости от вида наполнителей и заполнителей на основе жидкостекольных вяжущих можно получать бетоны с исходной маркой 200-300 и предельной температурой применения 1000-1100°С. При снижении исходной прочности до 5-10 МПа за счет ограничения расхода жидкого стекла и отвердителей можно повысить предельную температуру применения бетонов до 1300°С и выше.
Характерной особенностью бетонов на основе жидкого стекла является образование значительного количества высоковязкого силикатного и алюмосиликатного расплавов уже при температурах выше 600°С, что на несколько порядков снижает модуль упругости бетонов, делает их способными к релаксации температурных напряжений, возникающих при быстром нагреве или охлаждении. Поэтому жидкостекольные бетоны, особенно на шамотных заполнителях, характеризующихся низким коэффициентом линейного температурного расширения, имеют более высокую термостойкость (до 60 водных теплосмен 800«20°С), чем аналогичные составы на основе портландского и глиноземистого цементов.