книги из ГПНТБ / Денисов А.С. Теплоизоляционные жаростойкие торкрет-массы на основе вермикулита

бильного оборудования колеблется от 0,5 до 0,9 т/м3 (чаще всего.около 0,8 т/м5). Объемная кусковая масса тяжелых шамотных изделий составляет около 2100 кг/м3, а объемная кусковая масса легковесного шамота марок БЛ-0,8 и БЛ-1,0 соответственно равна 800 и 1000 кг/м3.

В связи с тем что размеры кусков исходного про­ дукта для получения шамотного песка весьма значи­ тельны, дробление ведут по двухступенчатой с&еме. Для первичного дробления используют отбойно-центробеж­ ные или щековые, а для вторичного — молотковые дро­ билки. При дроблении шамотных изделии образуется большое количество пылевидной фракции (размер час­ тиц менее 0,15 мм): при дроблении тяжелых шамотных изделий —до 40 %, при дроблении шамотного легковеса — до 25% [17]. Так как при увеличении количества пыле­ видной фракции повышается объемная масса наносимо­ го пневмоспособом защитного слоя (при одновременном снижении прочностных характеристик слоя), содержа­ ние фракции менее 0,15 мм в продукте дробления ша­ мота или шамотного легковеса (так же, как и в про­ дукте дробления керамзитового гравия) ограничивается 10% по весу.

Использование в составе торкрет-массы керамзито­ вого или шамотного песка не позволяет снизить объем­ ную массу защитного слоя ниже 1200 кг/м3, поэтому в качестве основного легковесного заполнителя использу­ ют вспученный вермикулит.

Вспученный вермикулит. В природных условиях вер­ микулит образуется из магниево-железистых слюд (фло­ гопита и биотита) при замещении щелочей ионами маг­ ния и внедрении в структуру минерала воды [18]. Хи­ мический состав вермикулита может быть условно запи­ сан следующим образом:

22MgO • 5АІ20 з• Fe20 3 -22Si02 • 40H2O.

Зерна вермикулита сложены из пакетов слюдяных частиц, между которыми располагаются гидратные слои. При быстром нагревании вермикулита до температуры, превышающей 150°С (обычно 800—900°С), вода гидратных слоев переходит в парообразное состояние, что со­ провождается образованием значительного внутреннего давления паров воды и расширением зерен вермикулита в направлении, перпендикулярном плоскостям спайно­ сти. Степень вспучивания вермикулита зависит от ко­

личества гидратной воды и скорости нагрева частиц при их вспучивании и обычно составляет от 20 до 30. Так как прогрев зерен вермикулита неравномерен и нерав­ номерно распределение воды по толщине зерна, они вспучиваются также неравномерно. Особенности струк­ турного строения зерен вермикулита, нарушение контак­ тов между отдельными их пластинками в процессе вспу­ чивания обусловливают легкое разрушение зерен вер­ микулита уже при незначительном механическом воз­ действии, что часто, затрудняет использование вспучен­ ного вермикулита в составах масс, наносимых пневмо­ способом. Основную трудность при этом представляют образование большого количества пылевидной фракции и резкое увеличение удельной открытой поверхности за­ полнителя (табл. 2),

Резкое увеличение открытой удельной поверхности заполнителя приводит к тому, что обычно используемо­ го в составах торкрет-масс порошкообразного вяжущего не хватает для соединения зерен заполнителя. При уве­ личении расхода цемента прочность нанесенного слоя увеличивается, однако одновременно возрастает объем­ ная масса и ухудшаются теплоизоляционные свойства нанесенного слоя. ,

Одним из эффективных способов повышения физико­ механических характеристик слоя, нанесенного пневмо-

способом, является предварительная пропитка зерен вер­ микулита клеящим материалом с последующей сушкой или даже частичным оплавлением [19].

В качестве клеящего материала могут быть исполь­ зованы глиняный шликер, раствор карбоксилметилцеллюлозы (КМЦ), битуминозное связующее петролатум, растворимое стекло и другие вещества. При выборе клеящего материала учитывают его стоимость и дефи­ цитность, его влияние на процессы твердения основного

временно увеличивается толщина пленки клеящего ма­ териала на поверхности зерен, а также уменьшается глубина проникания клеящего материала внутрь зе­ рен вермикулита. В результате уменьшается количество дополнительных связей внутри зерен обработанного вер­ микулита, т. е. одновременно с увеличением объемной массы обработанного вермикулита его деформативные и прочностные характеристики улучшаются в меньшей степени, нежели в случае использования более подвиж­ ных составов клеящего материала (табл. 3).

Качество обработанного вспученного вермикулита мо­ жет быть повышено также кратковременной его обра­ боткой на вибросите. При этом .одновременно с отсевом крупных комков переувлажненного клеящим материа­

ворами одного клеящего материала, имеющими различ­ ную концентрацию (табл. 4).

Т а б л и ц а 4

Следует подчеркнуть, что предварительное упрочне­ ние зерен вермикулита глиняным шликером за счет вве­ дения в них огнеупорной глины несколько повышает ог­ неупорность самого вермикулита и защитного слоя на его основе.

Существенное повышение физико-механических ха­ рактеристик защитного слоя благодаря предварительно­ му упрочнению зерен вермикулита характерно для слу­ чая использования в составе торкрет-массы порошкооб­ разного вяжущего. При замене порошкообразного вяжу­ щего жидким связующим (растворимым стеклом, фос­ фатными связующими и т. п.), а также при увлажнении массы не водой, а, например, глиняным шликером пред­ варительное упрочнение вермикулита не оказывает су­ щественного влияния на конечные физико-механические и эксплуатационные характеристики защитного слоя.

Однако и в этом случае предварительная обработка вермикулита может быть рекомендована из следующих соображений. Вспученный вермикулит обладает огром­ ной внутренней условно открытой поверхностью и в си­ лу этого легко адсорбирует из воздуха влагу, вследст-

вне чего заблаговременно приготовленные торкрет-мас­ сы на основе вспученного вермикулита и порошкооб­ разного вяжущего имеют тенденцию к быстрому слежи­ ванию и комкованию при относитёльной влажности воз­ духа более 85—90%. Обработка вермикулита клеящим материалом снижает величину активной поверхности зе­ рен, адсорбирующей влагу из воздуха, и одновременно изменяет адсорбционные характеристики этой поверхно­ сти. В конечном счете это повышает стойкость готовой сухой торкрет-массы против слеживания и комкования и удлиняет срок ее годности. Поэтому в большинстве случаев (и особенно при заводском изготовлении тор- крет-масс) следует рекомендовать предварительную об­ работку вермикулита, несмотря на то, что при этом возникает необходимость в проведении дополнительных технологических операций.

Проектирование составов теплоизоляционных жаростойких торкрет-масс на основе вспученного вермикулита

Составы легких теплоизоляционных бетонов и рас­ творов, укладываемых трамбованием или вибрировани­ ем, обычно проектируют из условия получения требуе­ мой объемной массы готового изделия (защитного слоя) при одновременном обеспечении необходимых для ук­ ладки пластических свойств сырой смеси компонентов. Прочность затвердевшего изделия или защитного слоя часто является второстепенной характеристикой и пред­ полагается, что она линейно зависит от объемной мас­ сы.

Проектирование составов смесей, укладываемых спо­ собом полусухого торкретирования, несколько отличает­ ся от традиционных способов проектирования легких бетонов: состав торкрет-массы можно подбирать без учета подвижности сырой смеси, так как свеженанесенный слой уже ів первые минуты после нанесения дол­ жен обладать достаточной структурной прочностью. Влажность свеженанесенной торкрет-массы на основе вспученного вермикулита при назначении ориентировоч­ ного состава массы может быть принята постоянной и равной 30—34% (по маосе сухих компонентов). Кроме того, необходимо обеспечить хорошую сыпучесть нано­

симой массы, чтобы способом торкретирования предот­ вратить зависание массы в торкрет-аппарате; оптималь­ ные прочность и деформативность частиц легкого запол­ нителя для предотвращения их чрезмерного разруше­ ния, увеличения удельной поверхности заполнителя и уменьшения количества отскока и отлета, а также опти­ мальное соотношение компонентов и общего грануло­ метрического состава смеси.

Сыпучесть торкрет-маосы определяется величиной ее внутреннего трения и зависит от соответствующей ха­ рактеристики каждого компонента и его количества в смеси. Вспученный вермикулит Потанинского месторож­ дения (наиболее предпочтительный для приготовления торкрет-массы) средней и мелкой фракций (наибольшая крупность зерен до 5 мм) представляет собой хорошо сыпучий материал с незначительным внутренним трени­ ем, поэтому торкрет-массы на его основе, как правило, легко проходят сквозь загрузочные отверстия торкретаппаратов и не образуют сводов внутри шлюзовой и рас­ ходной камер торкрет-аппарата. Однако хорошая сыпу­ честь торкрет-массы является необходимым, но недо­ статочным условием при проектировании ее состава. Повышение количества вермикулита сверх некоторого оптимального предела одновременно со снижением внутреннего трения массы приводит к снижению прочно­ сти нанесенного слоя: защитный слой на основе весьма сыпучей смеси вспученного вермикулита и глиноземи­ стого цемента, взятых в соотношении 0,6:1 (по массе) при объемной массе менее 700 кг/м3, имеет предел проч­ ности при сжатии около 3 кгс/см2. Поэтому для сохра­ нения достаточно высокой сыпучести массы и одновре­ менно повышения прочностных характеристик защитно­ го слоя в торкрет-массы вводят более прочный компо­ нент (керамзитовый или шамотный песок), образующий жесткий скелет нанесенного слоя. Кроме того, жесткие

общего объема компонентов. Верхний предел содержа­ ния скелетобразующего компонента не должен превы­ шать 40% общего объема смеси компонентов, так как в противном случае ухудшаются технологические свой­ ства массы (увеличивается количество отскока), что

обусловливается повышением вероятности столкновения вылетающих из сопла упругих частиц скелетобразующей добавки с поверхностью ранее нанесенных частиц (табл. 5).

Т а б л и ц а 5 .

Влияние количества скелетобразующей добавки . на величину отскока

В результате выпадения сравнительно легких частиц скелетобразующей добавки из струи торкрета в нане­ сенном слое относительно увеличивается содержание более тяжелых частиц цемента, объемная кусковая масса которых превышает объемную кусковую массу скелетобразующей добавки в 1,5—6 раз. Естественно, это помимо потери части материала приводит к увели­ чению объемной массы нанесенного слоя и ухудшению его теплофизических характеристик.

Выбор оптимального соотношения компонентов торкрет-массы зависит от физико-механических харак­ теристик примененного для приготовления массы вер­ микулита: от его деформативности, структурной проч­ ности, объемной массы и т. д. В процессе вспучивания ~ч вермикулита, а также при его обработке упрочняющим клеящим материалом, последующей сушке и смешива­ нии с остальными компонентами торкрет-массы харак­ теристики вермикулита могут изменяться весьма значи­ тельно (см. табл. 3). Еще более изменяются характе­ ристики вермикулита при подаче его в составе торкретмассы по материальному шлангу, ударе о защищаемую поверхность и соударении со скелетобразующими части-

цамн. При этом зерна вермикулита разрушаются на отдельные пластинки и 'более мелкие агрегаты, а так­ же слипаются в направлении, поперечном плоскостям спайности. Конечные характеристики вермикулита за­ висят от целого ряда факторов: длины материального шланга, скорости подачи массы по. материальному шлангу, концентрации твердых частиц в воздушном по­ токе, количества жестких скелетобразующих частиц в массе и т. д. Измельчение и смятие частиц вермикулита приводит к увеличению его объемной кусковой массы до 350—500 кг/мй и росту открытой удельной поверхно­ сти в 2—2,5 раза. В конечном итоге объемная масса нанесенного слоя увеличивается (против расчетной), а его прочностные характеристики снижаются.

Наиболее существенные факторы, изменяющие ха­ рактеристики компонентов торкрет-массы, могут быть нейтрализованы на стадии приготовления массы. Так, могут быть предусмотрены упрочнение слабых зерен заполнителей и режимы пневмоукладки массы, при ко­ торых материалы разрушаются минимально. Увели­ чение удельной поверхности заполнителя может быть компенсировано использованием порошкообразного вяжущего с повышенной удельной поверхностью (на­ пример,, вибродомолотого цемента). С этой же целью порошкообразное вяжущее может быть заменено водо­ растворимым связующим (растворимое стекло, фосфат­ ные связки) или же использовано комплексное вяжу­ щее, включающее порошкообразное (глиноземистый цемент) и суспензионное или жидкое вяжущее (глиня­ ный шликер).

Специфические требования к сухим массам, наноси­ мым пневмоспособом, а также практически не поддаю­ щиеся учету изменения количественного соотношения компонентов массы и качественные показатели отдель­ ных компонентов обусловливают методы подбора соста­ вов торкрет-массы, в значительной мере основанные на данных, полученных в ходе предварительных опытов.

Расчетные способы проектирования составов торк­ рет-массы на основе вермикулита. Одним из наиболее простых способов проектирования составов торкретмасс является метод, аналогичный способу абсолютных объемов, применяемому при проектировании тяжелых бетонов. Физический смысл основного уравнения этого способа заключается в равенстве суммы объемов ком-

где Ѵц, Кв, Кд и Км. в — соответственно объемы цемента, верми­ кулита, окелетобразующей добавки и

.межзерновой воды (общее количество воды за .вычетом воды, поглощенной зернами заполнителя).

Объем компонента в уравнении (1) может быть за­ менен частным от деления массы компонента на его объемную кусковую массу:

Расход цемента для каждого вида заполнителей оп­ ределяют эмпирическим способом, и для случая исполь­ зования в качестве компонентов массы вермикулита, упрочненного глиняным шликером, керамзитового песка из керамзитового гравия марки 600 и песка из шамот­ ного легковеса марки БЛ-0,8 он может быть принят по табл. 6. Объемная кусковая масса цемента практически равна его удельной массе и для глиноземистого цемен­ та составляет 3,1—3,3 кг!л.

Т а б л и ц а 6

Оптимальные расходы глиноземистого цемента