жаростойкая бетонная смесь

Формула изобретения

Жаростойкая бетонная смесь, включающая портландцемент М 400, песок и щебень фракции 5-20 мм, полученные дроблением боя шамотных огнеупоров с последующим их рассевом на фракции, тонкомолотый наполнитель - в виде шлама, полученного совместным мокрым помолом боя шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров до размера частиц 30-200 нм с предварительным введением в воду натриевого жидкого стекла с плотностью 1,23 г/см³ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент М 400	8-15
указанный наполнитель из боя шамотных огнеупоров	8-15
указанный наполнитель из боя
высокоглиноземистых огнеупоров	3,7-5,9
указанный песок	24,5-26,4
указанный щебень	35-36,3
указанное жидкое стекло	0,2-0,35
вода	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бетонам специального назначения и может быть использовано в производстве товарных жаростойких бетонов и конструкций тепловых агрегатов, подвергающихся длительному воздействию высоких температур и их резких перепадов.

В настоящее время известны и используются в строительстве тепловых промышленных объектов жаростойкие бетоны на разных видах заполнителей и добавок с повышенным расходом портландцемента для повышения начальной прочности бетонов (после сушки). Но портландцемент как гидравлическое вяжущее вещество, содержащее гидратированные клинкерные минералы, после обжига при температуре 800°С дает резкий сброс прочности, поэтому по ГОСТ 20910-90 [3] остаточная прочность после обжига при этой температуре допускается до 30%.

Таким образом, при повышенном расходе цемента сброс прочности может достигать 70%. При этом происходит значительная усадка бетона и повышается склонность его к растрескиванию. А термостойкость при резких перепадах температур не превышает 10 водных теплосмен. Это способствует снижению долговечности бетонов при длительном воздействии высоких температур и их резких перепадах.

Известна бетонная смесь на заполнителях из доменных шлаков [1], включающая, мас.%: портландцемент 16-22, гидрат глинозема, песок шлакопемзовый фр. 0-5 мм - 28-36, щебень шлакопемзовый фр. 5-20 мм - 15-29, суперпластификатор С-3 - 0,5-1,5, вода - остальное.

Недостатками этой смеси являются: повышенный расход цемента и дефицитного и дорогостоящего суперпластификатора, который при обжиге выгорает, снижая плотность затвердевшего бетона и его прочность и термостойкость. При обжиге клинкерные минералы обезвоживаются, что приводит к увеличению усадки и склонности к растрескиванию, а также к сбросу прочности, который может достигать 70% от прочности сухих образцов. Эти недостатки усугубляются и выгоранием органического суперпластификатора. Гидрат глинозема является дорогостоящим и дефицитным, требующим ввоза его из других регионов. Применение шлаковых заполнителей, имеющих пониженную температуру плавления, позволяет использовать такой бетон до температур службы не выше 1100°С.

При применении шамотных заполнителей и наполнителей жаростойкий бетон на портландцементе может применяться до 1200°С, а при пониженном расходе цемента и до 1300°С.

Технической задачей изобретения явилось повышение плотности, прочности, остаточной прочности после обжига при температуре 800°С и термостойкости жаростойкого бетона, снижение усадки и склонности к растрескиванию. Решение этой задачи достигается тем, что в составе предлагаемой жаростойкой бетонной смеси на портландцементе М 400, песка и щебня фракции 5-20 мм, полученных дроблением боя шамотных огнеупоров с последующим их рассевом на фракции, тонкомолотый наполнитель вводится в виде шлама, полученного совместным помолом боя шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров до размера частиц 30 - 200 нм, с предварительным введением в воду натриевого жидкого стекла с плотностью 1,23 г/см, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент М400	8-15
наполнитель из боя шамотных огнеупоров	8-15
наполнитель из боя высокоглиноземистых огнеупоров	3,7-5,9
песок	24,5-26,4
щебень	35-36,3
жидкое стекло	0,2-0,35
вода	остальное.

Снижение расхода цемента за счет наноразмерных наполнителей позволяет уменьшить сброс прочности бетона и его усадку, а следовательно, и склонность к растрескиванию при действии высоких температур. Повышается термостойкость жаростойкого бетона при резких перепадах температур.

Введение наноразмерного наполнителя из боя высокоглиноземистых огнеупоров позволяет исключить использование дефицитного и дорогостоящего привозного гидрата глинозема и в то же время увеличить содержание глиноземистой составляющей, увеличивающей огнеупорность и термостойкость бетона. Наноразмерные наполнители из боя шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров в смеси с цементом имеют повышенную активность, создавая комплексное наполненное связующее вещество за счет взаимодействия аморфных оксидов SiO₂ и Al₂O₃ из огнеупоров с Са(OH)₂, выделяющейся при затворении и твердении цементного камня с образованием нерастворимых низкоосновных силикатов кальция, заполняющих в нем поры и повышающих плотность цементного камня. Наноразмерные наполнители не раздвигают зерна крупного заполнителя, а только заполняют в нем поверхностные поры и повышают сцепление связующего с заполнителями. Кроме того, такие наполнители повышают пластичность и удобоукладываемость бетонной смеси, что позволяет отказаться от использования выгорающего дефицитного и дорогостоящего суперпластификатора С-3. Введение в состав бетона разжижителя натриевого жидкого стекла, который одновременно повышает подвижность и удобоукладываемость бетонной смеси при меньшем расходе воды и в то же время не выгорает при высоких температурах службы бетона, позволяет повысить плотность, прочность и огневые свойства затвердевшего бетона.

В качестве мелкого и крупного заполнителей рекомендуется использовать бой шамотных огнеупоров, получаемых при ремонтах футеровок тепловых агрегатов и очищенных от примесей шлаков и металла. Эти материалы являются отходами металлургической промышленности, недорогие и недефицитные. Их применение в составах жаростойких бетонов способствует оздоровлению окружающей среды промышленной зоны этих производств.

В предлагаемом составе по сравнению с известными составами жаростойких бетонов на основе шамотных заполнителей пониженное содержание песка обеспечивает заполнение пустот в крупном заполнителе без раздвижки зерен щебня. Это способствует обеспечению максимально плотной упаковки зерен минеральной смеси, повышению плотности затвердевшего бетона и не требует повышенного расхода цемента на обволакивание мелких зерен песка.

Составы исследованных бетонов по предлагаемому изобретению, по известному изобретению [1] и по прототипу [2] представлены в таблице 1.

Таблица 1
Составы исследованных бетонов.
Наименование исходных материалов	Расход материалов, мас.% / в кг на 1 м5 бетонной смеси
В предлагаемых составах	В известном составе	По прототипу
1	2	3	4
Портландцемент М400	8/176	9/198	12/264	15/330	22 / 484	19,2/422
ТМД шамотн., 30-200 нм	15/330	14/308	11 / 242	8/176	-	-
То же фр. <0,14 мм	-	-	-	-	-	-
То же из доменного шлака	-	-	-	-	-	5,8/125
То же из боя высокоглиноз. огнеуп. Фр. 30-200 нм	3,7/81	4/88	4,8/106	5,9/130	-	-
Гидрат глиноз. фр.<0,14 мм	-	-	-	-	20 / 440	-
Песок фр. 0-5 мм шамотн.	26,4/581	26,2/577	25,6/563	24,5/539	-	30,8/679
То же из доменных шлаков	-	-	-	-	30 /660	-
Щебень фр.5-20 мм из боя шамотных огнеуп.	36,3/800	36,0/792	35.4/779	35.0/770	-	30,8/679
То же из домен шлаков	-	-	-	-	15/330	-
Пластификатор С-3	-	-	-	-	1,5/33	-
Натриевое жидкое стекло	0,2/4,3	0,3/6,5	0,3/6,5	0,35/7,7	-	-
Вода	10,4/ 228,8	10,5/ 231	10,9/ 240	11,25/ 247,3	11,5/253	13,4/295
Ср. плотность бет. смеси, кг/м3	2201	2201	2201	2201	2200	2200

Для определения свойств жаростойких бетонов предлагаемых составов предварительно осуществляли дробление и рассев боя очищенных шамотных огнеупоров для получения заданных размеров фракций песка и щебня. А для получения наполнителей с наноразмерными частицами до 200 нм осуществляли совместный мокрый помол отсева боя шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров, взятых в указанном в таблице 1 соотношении. В воду для мокрого помола вводили добавку разжижителя - жидкого стекла, что позволяло снизить количество воды до 15% от массы сухих материалов, не снижая текучести шлама. Слив шлама после помола осуществлялся через сито 0,063 мм, что позволяло отделить частицы крупнее 200 нм и вернуть их в мельницу на повторный помол. За счет повышенной текучести шлама удалось снизить удобоукладываемость бетонной смеси при меньшем водосодержании.

Размеры наночастиц наполнителей определены с помощью сканирующего зондового микроскопа марки Solver NT-MDT, выпускаемого Зеленоградским физико-технологическим институтом нанотехнических и микроскопических исследований. Форма и размеры частиц наполнителей из боя шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров после совместного мокрого помола под микроскопом представлены на фиг.1 и 2.

Анализ данных этих фигур позволяет сделать вывод, что после мокрого помола смеси шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров зерна шлама имеют размеры не более 200 нм, указанных в заявке. Поверхность частиц и высота рельефа также не превышает указанных размеров. Такая форма и размеры наполнителей способствуют достижению поставленной цели: снижения расхода цементного вяжущего и одновременно повышения физико-механических и огневых свойств жаростойких бетонов на портландцементе. Одновременно решаются и вопросы утилизации отходов металлургических производств.

После весовой дозировки всех компонентов из жаростойких бетонных смесей предварительно смешивали портландцемент с наполнителем и водой, а затем вводили заполнители, перемешивали до однородности и готовили образцы-кубы размерами 100×100×100 мм и 70×70×70 мм. Влага, содержащаяся в наполнителях мокрого помола, учитывалась при дозировке воды, взятой для затворения бетонной смеси каждого состава. Натриевое жидкое стекло, вводимое с наполнителем, повышало подвижность и удобоукладываемость бетонной смеси при меньшем расходе воды. Расход жидкого стекла с плотностью 1,23 г/см³ рассчитывали в процентах от массы сухих материалов, загружаемых в мельницу. Расход воды составлял 15% от массы сухих материалов. При этом текучесть шлама была достаточной для перекачивания его насосами и подачи по трубопроводу.

Уплотнение образцов-кубов осуществлялось на виброплощадке с частотой 3000 об/мин и амплитудой 0,3 мм до достижения слитного состояния (1-1,5 мин). Твердение образцов происходило при пропаривании по режиму 3+6+3 часа с последующим высушиванием до постоянной массы. Жаростойкие бетоны по ГОСТ 20910-90 [3] при таких условиях твердения набирают 100% прочности.

Результаты испытаний исследованных составов сведены в таблицу 2.

Таблица 2
Свойства жаростойких бетонов
Наименование свойств	Величины свойств в составах
	1	2	3	4	известн.	прототип
Средняя плотность, кг/м3, сухих бетонов	2050	2070	2085	2100	2060	1970
То же обожженных при 800°С, кг/м3	1990	2000	2010	2025	1980	1760
Прочность при сжатии сухих бетонов, МПа	41,4	42,0	43,2	45,8	37,4	25,7
То же обожженных при 800°С, МПа	30,6	30,7	30,7	31,1	24,7	8,87
Остаточная прочность, %	73,9	73,1	71,1	67,9	66	34,5
Термостойкость, число водных теплосмен	27	25	24	22	21	10

Анализ результатов этой таблицы позволил сделать следующие выводы.

1. Предлагаемые составы жаростойких бетонов, несмотря на пониженный более чем в 2 раза расход цемента по сравнению с известными составами, не уступают и даже превосходят их по прочности при сжатии как в сухом, так и в обожженном при температуре 800°С состоянии. При этом следует отметить, что с уменьшением расхода цемента остаточная прочность бетонов повышается.

2. Средняя плотность предлагаемых составов значительно выше известного состава на шамотных заполнителях, что свидетельствует о более плотной упаковке зерен, способствующей снижению усадки в обжиге и повышению термостойкости. Почти такая же плотность известного состава на шлаковых заполнителях достигнута только за счет более тяжелых шлаковых заполнителей и не может служить доказательством максимально плотной упаковки зерен.

3. По сравнению с известным составом на шамотных заполнителях остаточная прочность после обжига при температуре 800°С у предлагаемых составов более чем в 2 раза выше, что свидетельствует о большей долговечности бетонов при длительном воздействии высоких температур.

4. Термостойкость бетонов предлагаемых составов также в 2 раза превышает известный состав на шамотных заполнителях, что свидетельствует о большей устойчивости их к резким перепадам температур. Почти такая же термостойкость бетонов на шлаковых заполнителях объясняется более высоким коэффициентом термического расширения шлаковых заполнителей по сравнению с шамотными, а не достижением максимально плотной упаковки зерен в бетоне.

Использованные источники

1. Патент RU 2272013, С04В 38/08, С04В 28/04, опубл 20.03.2006, БИ № 8.

2. Справочное пособие к СНиП 3.09.01-85 Технология изготовления жаростойких бетонов. М.: Стройиздат, 1991. Приложение 6.

3. ГОСТ 20910-90. Бетоны жаростойкие. Технические условия.