Жаростойкий шлакощелочной бетон
Изобретение относится к производству строительных материалов, которые могут быть использованы для изготовления футеровок тепловых агрегатов, футеровок печных вагонеток туннельных печей и футеровок, работающих в условиях высоких температур и повышенной цикличности. Жаростойкий шлакощелочной бетон, получаемый в результате твердения бетонной смеси, содержащей в своем составе шамот фракций 0-5 мм, самораспадающийся феррохромовый шлак, едкий натр и воду, при этом дополнительно введен в состав шлак от выплавки ферротитана фракции 0-2,5 мм, каолин сухого обогащения, глинозем реактивный тонкодисперсный. Техническая задача: получение жаростойкого шлакощелочного бетона с температурой применения более 1400°С с остальными физико-механическими характеристиками, не уступающими известным прототипам. 3 табл.
Предложение относится к производству строительных материалов, которые могут быть использованы для изготовления футеровок тепловых агрегатов, футеровок печных вагонеток туннельных печей и футеровок, работающих в условиях высоких температур и повышенной цикличности.
Известны бетоны, содержащие в своем составе шамотный заполнитель, тонкомолотую добавку, (шамот и обожженный гидратированный глиноземистый цемент), феррохромовый шлак и жидкое стекло [Патент РФ № 590291, МПК С04В 19/04 30.01.1978]; шамотный заполнитель фракций 5-10 мм и менее 5 мм, самораспадающийся феррохромовый шлак, едкий натр, воду [Патент РФ №2284305, МПК С04В 28/08 27.09.2006].
Недостатками бетонов этих составов являются невысокая механическая прочность, низкая термостойкость, низкая температура применения.
Известен бетон, содержащий в своем составе шамот фракций 5-10 мм и менее 5 мм, самораспадающийся феррохромовый шлак, едкий натр, огнеупорное волокно, портландцемент, воду [Патент РФ №2437854, МПК С04В 28/08 27.12.2011].
Недостатком бетона данного состава является низкая температура применения.
Наиболее близким техническим решением является шлакощелочной бетон состава, содержащего шамот фракций 5-10 мм и менее 5 мм, самораспадающийся феррохромовый шлак, едкий натр, огнеупорное волокно, портландцемент, воду [Патент РФ №2437854, МПК С04В 28/08 27.12.2011].
Однако данный материал получен с более низкими температурами применения (1300-1350°С).
Задачей предложения является получение жаростойкого шлакощелочного бетона с температурой применения более 1400°С при сохранении прочих прочностных характеристик на уровне.
Технический результат достигается за счет того, что в состав бетонной сырьевой смеси для изготовления жаростойкого шлакощелочного бетона, включающей шамот фракций 0-5 мм, самораспадающийся феррохромовый шлак, едкий натр, воду, согласно изобретению дополнительно введены шлак от выплавки ферротитана фракции 0-2,5 мм, каолин сухого обогащения и реактивный глинозем тонкодисперсный в следующем соотношении компонентов (мас.%):
шамот фракции 0-5 мм - 31,5-61,6;
шлак от выплавки ферротитана фракции 0-2,5 мм - 0,1-34,6;
самораспадающийся феррохромовый шлак - 15,9-18,0;
каолин сухого обогащения - 2,9-3,2;
глинозем реактивный тонкодисперсный - 3,1-3,5;
едкий натр - 2,2-2,5;
вода - 9,8-11,1.
Введение в состав сырьевой смеси для жаростойкого шлакощелочного бетона модифицирующей добавки каолина сухого обогащения по ТУ 5729-089-00284530-00, имеющего усредненный химический состав, масс.%: 35,1 Al2O3, 49,2 SiO2, 1,7 Fe2O3, приводит к изменению фазового состава цементного камня жаростойкого бетона в процессе тепловой обработки. За счет взаимодействия добавки каолина со щелочным затворителем в условиях тепловой обработки в цементом камне образуются цеолитные фазы - каркасные гидроалюмосиликаты натрия, что позволяет повысить остаточную прочность и термостойкость жаростойкого бетона.
Введение в состав бетонной смеси для получения жаростойкого шлакощелочного бетона добавки глинозема реактивного тонкодисперсного по ТУ 14-194-280-07 изм. 1, с содержанием α-Al2O3 не менее 99% позволяет дополнительно повысить остаточную прочность и термостойкость жаростойкого бетона за счет микроармирования цементного камня высокопрочными частицами добавки. Одновременное применение каолина и реактивного глинозема в оптимальных количествах позволяет получить жаростойкий шлакощелочной бетон с высокой термостойкостью и классом по температуре применения И13, что обусловлено синергетическим эффектом от их совместного использования. В присутствии реактивного глинозема при нагреве выше 800°С и обезвоженных цеолитных фаз при 800°С образуется соединение Na1,75(Al1,75Si0,25O4) с температурой плавления 1850°С, что позволяет повысить температуру применения жаростойкого шлакощелочного бетона.
Введение в состав бетонной смеси для получения жаростойкого шлакощелочного бетона шлака от выплавки ферротитана (продукт плавленый глиноземистый ППГ-65) по ТУ 23.20.13-069-00186482-2011, имеющий усредненный химический состав, масс.%: 57,3 Al2O3, 18,3 CaO, 11,2 TiO2, 0,5 SiO2, 0,5 Fe2O3, 4,5 MgO, взамен шамотного заполнителя в количестве 50% по объему позволяет повысить класс жаростойкого шлакощелочного бетона по предельно допустимой температуре применения до И14 при обеспечении высокой прочности и термостойкости за счет большей огнеупорности и прочности шлака от выплавки ферротитана по сравнению с шамотом. Кроме того, шлак от выплавки ферротитана является реакционно активным по отношению к щелочному затворителю, что помогает обеспечить высокую адгезию цементного камня со шлаковым заполнителем в контактной зоне.
Шамот марки ЗШБ, фракции 0-5 мм, соответствующий ГОСТ 23037-99 «Заполнители огнеупорные. Технические условия», имеющий усредненный химический состав, мас.%: 31,0 Al2О3, 68,0 SiO2, 0,5 Fe2O3, 0,5 CaO+MgO.
Самораспадающийся феррохромовый шлак - белит по ТУ 14-139-201-2012, имеющий усредненный химический состав, мас.%: 45 CaO, 25 SiO2, 10,0 Al2O3, 8,0 Cr2O3, 10,0 MgO.
Едкий натр технический чешуированный по СТО 00203312-017-2011, изм. 1,2 с содержанием гидроксида натрия не менее, мас.%: 98,5.
В таблице 1 приведен состав смеси для получения жаростойкого шлакощелочного бетона согласно заявленному изобретению.
В таблице 2 представлены свойства полученного жаростойкого шлакощелочного бетона, изготовленного согласно составу таблицы 1. Воду в дозировке 9,9-11,1% добавляли в смесь после тщательного перемешивания в лабораторном бетоносмесителе интенсивного действия. Формование образцов осуществлялось с помощью виброуплотнения. После чего бетонная смесь подвергалась тепловой обработке по следующему режиму:
- выдержка при 20°С в течение 2 часов;
- подъем температуры до 80°С в течение 3 часов;
- изотермическая выдержка при 80°С в течение 4 часов;
- подъем температуры до 120°С в течение 4 часов;
- выдержка при 120°С в течение 5 часов;
- охлаждение до температуры 40°С в течение 4 часов;
После прохождения режима тепловой обработки формы разбирались.
В таблице 3 приведен состав и свойства прототипа.
Плотность определялась по ГОСТ 12730.1-78. Прочность на сжатие определялась по ГОСТ 10180-2012. Термостойкость определялась по ГОСТ 20910-2019. Максимальную температуру применения определяли, как температуру, соответствующую 4% и 40% деформации под нагрузкой по ГОСТ 20910-2019.
Согласно данным таблиц 1-3 следует, что патентуемый жаростойкий шлакощелочной бетон, получаемый в результате твердения бетонной сырьевой смеси согласно формуле изобретения, имеет температуру применения не ниже 1400°С, с остальными физико-механическими характеристиками, не уступающими прототипу. Данный бетон необходимо применять для изготовления футеровок тепловых агрегатов, футеровок печных вагонеток туннельных печей, и футеровок, работающих в условиях высоких температур и повышенной цикличности.
Указанные особенности свидетельствуют о достижении поставленной задачи.
| Таблица 1 | ||
| Бетонная смесь для получения жаростойкого шлакощелочного бетона | ||
| Компоненты | Содержание в составе смеси, мас.% | |
| Состав 1 | Состав 2 | |
| Шамот фракции 0-5 мм | 61,6 | 31,5 |
| Шлак от выплавки ферротитана фракции 0-2,5 мм | 0,1 | 34,6 |
| Самораспадающийся феррохромовый шлак | 18,0 | 15,9 |
| Каолин сухого обогащения | 3,2 | 2,9 |
| Глинозем реактивный тонкодисперсный | 3,5 | 3,1 |
| Едкий натр | 2,5 | 2,2 |
| Вода | 11,1 | 9,8 |
| ИТОГО | 100,0 | 100,0 |
| Таблица 2 | ||
| Свойства жаростойкого шлакощелочного бетона | ||
| Состав 1 | Состав 2 | |
| Плотность, кг/м3 | 2150-2250 | 2450-2550 |
| Прочность на сжатие после тепловой обработки, МПа | 72,5 | 81,2 |
| Остаточная прочность, % | 87,2 | 90,3 |
| Температура, соответствующая 4-% деформации под нагрузкой, °С | 1340 | 1405 |
| Температура, соответствующая 40-% деформации под нагрузкой, °С | 1410 | 1490 |
| Термостойкость, циклы 800°С-вода | 106 | 101 |
| Таблица 3 | ||
| Состав и свойства прототипа | ||
| Материал/свойство | 1 | 2 |
| Шамот фракции 5-10 мм | 31,0 | 30,0 |
| Шамот фракции менее 5 мм | 30,0 | 28,0 |
| Самораспадающийся феррохромовый шлак | 23,5 | 25,5 |
| Едкий натр | 3,0 | 4,0 |
| Портландцемент | 1,0 | 1,5 |
| Огнеупорное волокно | 0,5 | 1,0 |
| Вода | 11,0 | 10,0 |
| ИТОГО | 100 | 100 |
| Плотность, кг/м3 | 1950-2100 | 1950-2100 |
| Прочность на сжатие после твердения, МПа | 71,0 | 85,0 |
| Прочность на изгиб после твердения, МПа | 8,5 | 12,1 |
| Прочность на сжатие после нагрева до 1000°С, МПа | 43,0 | 58,0 |
| Термостойкость, циклы 800°С-вода | 79 | 139 |
| Максимальная температура применения | 1350 | 1300 |
Жаростойкий шлакощелочной бетон, получаемый из бетонной смеси, содержащей шамот фракций 0-5 мм, самораспадающийся феррохромовый шлак, едкий натр и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит шлак от выплавки ферротитана фракции 0-2,5 мм, каолин сухого обогащения, глинозем реактивный тонкодисперсный в следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Шамот фракции 0-5 мм | 31,5-61,6 |
| Шлак от выплавки ферротитана фракции 0-2,5 мм | 0,1-34,6 |
| Самораспадающийся феррохромовый шлак | 15,9-18,0 |
| Каолин сухого обогащения | 2,9-3,2 |
| Глинозем реактивный тонкодисперсный | 3,1-3,5 |
| Едкий натр | 2,2-2,5 |
| Вода | 9,8-11,1 |
