Жаростойкая бетонная смесь
Владельцы патента RU 2427549:
Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ГОУ ВПО ЛГТУ) (RU)
Закрытое акционерное общество "Союзтеплострой-Липецк" (ЗАО "Союзтеплострой-Липецк") (RU)
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. Жаростойкая бетонная смесь включает 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. Технический результат - повышение плотности, прочности, термостойкости, снижение усадки и склонности к растрескиванию. 2 табл., 2 ил.
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.
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 |
