Легкий жаростойкий бетон ячеистой структуры

Легкий жаростойкий бетон ячеистой структуры // Строительные материалы. 2003 . №8. C. 17-19

В современных условиях эффективная эксплуатация промышленных тепловых агрегатов невозможна без использования легких жаростойких материалов, обладающих повышенной теплоизолирующей способностью. В печестроении все большее применение находят легкие жаростойкие конструкционные и теплоизоляционные бетоны.

Применение таких бетонов обеспечивает ряд преимуществ при строительстве и эксплуатации тепловых агрегатов. Это - значительная экономия материалов и технологического топлива; возможность увеличивать габариты элементов для сборки конструкций футеровок, снижать их массу; изготовлять монолитные конструкции футеровок с повышенной теплоизолирующей способностью; интенсифицировать технологические процессы; эффективно защищать строительные конструкции и технологическое оборудование от вредного воздействия высоких температур; создавать нормальные условия труда обслуживающего персонала в горячих цехах [1].

К таким материалам относятся жаростойкие бетоны на пористых заполнителях и ячеистые бетоны. В зависимости от средней плотности, прочностных и деформативных характеристик легкие жаростойкие бетоны могут применяться в качестве конструкционных или теплоизоляционных материалов в одно- или многослойных конструкциях, в целом создавая эффективную легковесную футеровку тепловых агрегатов.

Многими учеными и организациями разработаны и исследованы составы легких жаростойких бетонов на портландцементе с различными микронаполнителями, на глиноземистом и высокоглиноземистом цементах, жидком стекле с различными отвердителями, на фосфатном связующем, силикат-глыбе, шлакощелочных вяжущих [2].

В таких бетонах в качестве легких заполнителей в основном использовались искусственные материалы: керамзит, вспученные перлит и вермикулит, аглопорит, фосфорит и другие. Тонкомолотыми добавками в таких составах служили молотые шамот, хромит, глинозем и другие.

Анализ литературных данных показывает, что для создания легких жаростойких бетонов в основном используется один из самых простых способов формирования пористой структуры ? введение в состав пористых заполнителей. Используя в составах различные соотношения между крупными и мелкими заполнителями, вяжущими и затвердителями, авторы получили легкие жаростойкие бетоны плотностью 400?1500 кг/м3 с прочностью при сжатии 1,5?30 МПа.

Недостатками таких бетонов являются необходимость использования в составах материалов, обладающих близкими коэффициентами термического расширения, что не всегда возможно, а также неоднородность структуры из-за наличия участков с повышенной плотностью и теплопроводностью цементного камня. Эти факторы существенно снижают теплоизолирующую способность и долговечность таких бетонов.

На наш взгляд, более эффективным для теплоизоляции является применение легких жаростойких бетонов ячеистой структуры.

Расширению номенклатуры жаростойких ячеистых бетонов способствовали разработки по созданию материалов путем использования таких способов создания ячеистой структуры, как образование пузырьков газа в суспензии за счет химических реакций (газовый способ при использовании минеральных связующих) и метод самораспространяющегося экзотермического синтеза (способ применения высокой экзотермии и газовыделения, наблюдаемых при реакциях взаимодействия металлического алюминия с фосфатными связующими) [3]. Такие жаростойкие газобетоны, полученные с использованием высокоогнеупорных материалов, используются при эксплуатационных температурах до 1300?1800?С и обладают средней плотностью 400-1800 кг/м3.

Однако, на наш взгляд, газовые способы при производстве жаростойких ячеистых бетонов малоэффективны в связи с относительной сложностью технологии, неоднородностью получаемых материалов, их пониженной долговечностью.

Более технологичен и менее сложен пеновый способ формирования пористой структуры.

Что касается разработок в области жаростойких пенобетонов, то они ограничены. В частности, известны жаростойкие пенобетоны на портландцементе, в которых в качестве тонкомолотой добавки используется шамот. Эксплуатационная температура применения таких бетонов до 1200?С. Они отличаются повышенной усадкой и резким снижением прочности в области температур 800?900?С [4].

Основной причиной усадочных деформаций большинства пенобетонов как общестроительного, так и специального назначения является, на наш взгляд, низкая стойкость и несущая способность пены.

Стойкость пены определяется качеством пенообразователя, его количеством, способом вспенивания. Несущая способность пены определяется тем, что твердые частицы пенобетонной смеси должны располагаться на поверхности адсорбционного слоя пленок пены, не разрывая его. При недостаточной стойкости и несущей способности пены пленки разрываются, происходит усадка, повышается плотность массы, нарушается ее строение. Повышенная концентрация пенообразователя в пенобетонной смеси также оказывает негативное влияние, поскольку пенообразователь, обволакивая частицы вяжущего, существенно замедляет его схватывание и снижает прочность пенобетона.

С точки зрения получения безусадочных материалов ячеистой структуры наибольший интерес представляют наполненные пенобетоны, в состав которых для повышения прочности и снижения усадки вводится твердый тонкодисперсный минерализатор [5].Использование пенового способа позволяет достичь высокой степени пористости (до 85-90%), получить более стабильную равномерную структуру, что не всегда удается при газовом способе. Однако пенобетоны, приготовленные на основе портландцемента, глиноземистого и и высокоглиноземистых цементов, имея температуру применения 1000?1600?С, значительно, на 45?65% снижают свою прочность после обжига при температуре 800-900?С.

Кафедрой ?Строительные материалы? СамГАСА разработаны составы и способ изготовления материалов плотной структуры, приобретающих начальную прочность за счет процессов контактно-конденсационного твердения вяжущего и набирающих конечную прочность при обжиге [6, 7].

Самарской государственной архитектурно-строительной академией совместно с ЗАО ?НИИКерамзит? проводятся комплексные научно-исследовательские работы по созданию жаростойких бетонов ячеистой структуры, не снижающих, а наращивающих свою прочность при первом обжиге теплового агрегата, где они используются.

Структурообразование таких материалов происходит следующим образом:

? формирование ячеистой структуры бетона происходит на стадии приготовления формовочной смеси за счет введения в состав порообразующих добавок;

? начальная прочность бетона формируется за счет гидратационного твердения вяжущего;

? конечная прочность бетона формируется за счет процессов твердофазового спекания при первом рабочем обжиге в тепловом агрегате, где он используется.

В качестве исходных компонентов ячеисто-бетонных смесей нами использовались следующие материалы: глиноземистый цемент М 500, отработанный катализатор производства серы, пиритные огарки, керамзитовая пыль, пеноконцентрат. Ниже приведена краткая характеристика некоторых из этих материалов.

Отработанный катализатор производства серы представляет собой округлые гранулы диаметром 3?7 мм с удельной поверхностью 100?125 м2/г, на 95?97% состоящие из химически активного компонента γ. В качестве примесей в нем присутствуют сера, сульфаты и углерод [8].

Пиритные огарки образуются при обжиге флотационных колчеданов в печах кипящего слоя. Основным компонентом является оксид железа. В качестве примесей содержатся кремнезем и закись железа.

Воздушная кальциевая негашеная известь имела активность 84%.

Керамзитовая пыль - отход, образующийся при обжиге керамзитового гравия во вращающихся печах. Она представляет собой продукт, содержащий 30?35% тонкодисперсной фракции с размером частиц менее 0,14 мм и 65?70% песчаной фракции с размером частиц 0,14?2,5 мм. Активность по связыванию СаО 115 мг/г [9].

В качестве пенообразующей добавки использовался пеноконцентрат ?Унипор? протеинового состава.

Подбор составов пенобетонных смесей осуществлялся опытным путем, исходя из условия получения образцов необходимой плотности при максимальной прочности и термостойкости. В результате было определено необходимое соотношение между компонентами, мас. %:

? глиноземистый цемент ? 12?16;

? отработанный катализатор производства серы ? 7?8;

? пиритные огарки -2,5-3,5;

? керамзитовая пыль ? 20?24;

? ?Унипор? ? 1,5?2,5;

? вода - остальное.

Для получения жаростойкого пенобетона отработанный катализатор производства серы подвергался сухому помолу до удельной поверхности 2000?2500 см2/г. Глиноземистый цемент, молотый отработанный катализатор производства серы, пиритные огарки, керамзитовая пыль дозировались в необходимых количествах по массе и тщательно перемешивались. Одновременно в лопастном быстроходном смесителе готовилась стойкая пена на основе пеноконцентрата ?Унипор? и воды с кратностью вспенивания 8?10. В полученную пену всыпалась подготовленная смесь сухих компонентов при постоянном интенсивном перемешивании и доводилась до однородного состояния.

Из полученной пенобетонной смеси по литьевой технологии формовались образцы-кубы с ребром 50 мм.

После формования и схватывания цемента образцы выдерживались во влажных условиях трое суток для набора начальной прочности. Затем образцы высушивались при температуре 105?150?С до полной потери ими влаги в течение 5-6 ч. Образцы обжигали по ускоренному режиму: подъем температуры до максимальной со скоростью 300?С/ч, выдержка при максимальной температуре 1400?С - 3 ч, охлаждение 7 ч.

Таким образом, в процессе приготовления пенобетонной смеси формировалась ячеистая структура материала. В результате химического взаимодействия глиноземистого цемента с водой происходило гидратационное твердение и пенобетонные изделия в течение трех суток твердения во влажной среде набирали прочность, достаточную для монтажа футеровки.

При первом рабочем розжиге теплового агрегата, отфутерованного пенобетонными изделиями, на первой стадии из изделий удалялась остаточная влага. Затем при подъеме температуры происходило значительное (в 5-5,6 раза) повышение прочности изделий за счет целенаправленных процессов твердофазового спекания активной формы глинозема с остальными компонентами в широком температурном интервале, при которых образуется непрерывный ряд твердых растворов и упрочняющих соединений между компонентами.

Повышенная активность к химическому взаимодействию с другими компонентами проявляется до 940оС, а умеренная - до 1200оС, то есть до температуры перехода в [10].

Ускорение спекания глинозема наблюдается в присутствии Fe2O3. Температура начала образования твердого раствора в системе Al2O3 - Fe2O3 около 900?С. При повышении температуры до 1400?С количество оксида железа в составе твердого раствора увеличивается [11].

Соотношение между компонентами подбиралось расчетным путем по их химическому составу и молекулярным массам оксидов Аl2О3, Fe2O3, SiO2, СаО так, чтобы они при обжиге не оставались инертными и образовывали между собой твердые растворы или соединения. При этом возможны следующие реакции:

а) деструкция гидросиликатов кальция при температуре выше 700?С, образовавшихся в результате гидратационного твердения:




После изготовления, набора прочности и термообработки образцы подвергались испытаниям, при которых были получены следующие результаты:

? предел прочности при сжатии, после термообработки при температуре:

120?С - 2,8-3,2 МПа

1300?С - 14-16,2 МПа

1400?С - 16,8-17,9 МПа;

? средняя плотность 450?600 кг/м3;

? термическая стойкость, теплосмен:

800?С - вода 20-22

1300?С - вода 5-7;

? остаточная прочность при сжатии (Rt?С/R120?c)∙100%:

после обжига при 1300?С - 500-510%

после обжига при 1400?С - 560-600%;

? коэффициент теплопроводности 0,14-0,18 Вт/(м∙оС).

Из приведенных выше данных видно, что полученные жаростойкие пенобетоны за трое суток твердения набирают достаточную прочность для монтажа футеровки, при обжиге в 5,6 раза повышают прочность.

Таким образом, разработанные жаростойкие пенобетоны мо&#