Жаростойкие бетоны

Для футеровки топок в конструкциях газоходов, дымовых труб при строительстве тепловых электростанций, в элементах защитных стен и перекрытий АЭС применяют жаростойкие бетоны. Обычный тяжелый цементный бетон пригоден для изготовления строительных конструкций, подвергающихся длительному воздействию температуры лишь до 200° С. В зависимости от предельно допустимой температуры применения жаростойкие бетоны разделяют на классы - от 3 до 16 (предельная температура применения соответственно от 300 до 1600). Их также классифицируют:
- по огнеупорности - на жароупорные с огнеупорностью ниже 158СС, огнеупорные - от 1580 до 1770°С и высокоогнеупорные - свыше 1770°С;
по плотности в высушенном состоянии - на тяжелые с ро> 1500 кг/м3 и легкие- ро< 1500 кг/м3;
по виду применяемого вяжущего - на портландцементе, шла-копортландцементе, глиноземистом цементе, жидком стекле, периклазовом цементе, алюмофосфатной связке и др. На портландцементе, быстротвердеющем цементе и шлако-портландцементе изготавливают бетоны классов от 3 до 12 в зависимости от вида заполнителей и тонкомолотых добавок.
В качестве тонкомолотых добавок применяют целый ряд дисперсных материалов, обладающих активностью по отношению к СаО, - на основе золы-уноса, глиняного кирпича, доменного гранулированного шлака, шамота. Тонкомолотые добавки вводят в бетонные смеси обычно, когда максимальная температура службы бетона превышает 350°С, количество их назначается, как правило, не менее 30% массы смешанного вяжущего - 100- 150кг/м3, но при применении чистоклинкерного портландцемента и повышении температуры эксплуатации бетона может достигать 600 - 700 кг/м3. Реакционная способность добавок по отношению к СаО при повышенных температурах возрастает, когда кремнезем или другие оксиды (глинозем, оксид хрома) в добавках находятся в аморфном или стекловидном состоянии. Так, реакция взаимодействия между СаО и аморфным кремнеземом идет уже при 500 - 600°С, а для кристаллического кварца она только начинается при 600 °С. Использование добавок, содержащих кварц, нежелательно и из-за способности его к полиморфным превращениям, вызывающим нарушение структуры. Нежелательно также использование таких добавок как глины, диатомит и других, приводящих к значительному увеличению усадочных явлений. Для повышения огнеупорных свойств бетонов применяют соответствующие добавки из огнеупорных материалов - хромита, магнезита, хромомагнезита. Степень измельчения добавок должна быть примерно такая же, как и цемента, от нее в значительной мере зависит их реакционная способность.
На рис. 8.27. приведены по данным К. Д. Некрасова кривые изменения прочности при сжатии цементного камня в зависимости от вида тонкомолотой добавки. Введение тонкомолотой добавки уменьшает , как правило, сброс прочности особенно после воздействия температуры 600°С. Лучшие результаты получены при введении тонкомолотого шамота. Введение в цемент тонкомолотых добавок, не содержащих компонентов способных связывать оксид кальция и улучшать жаростойкие свойства цементного камня, приводит к резкому падению прочности.
Огнеупорность портландцемента в зависимости от минералогического состава находится в интервале 1700- 1750°С. Введение тонкомолотых добавок приводит к значительному снижению огнеупорности за счет образования эвтектик. Только такие добавки как тонкомолотый хромит не образуют эвтектик и повышают огнеупорность.
Предельная рабочая температура жаростойких бетонов определяется температурой деформации (размягчения) под нагрузкой 0,2 МПа. Температура начала размягчения портландцемента без тонкомолотых добавок находится в пределах от 970 до 1130°С, а температура 40%-ной деформации от 1370 до 1480°С. Тонкомолотые добавки повышают температуру размягчения, если образуют при нагревании с цементом соединения, обладающие высокой огнеупорностью и незначительной растворимостью в расплаве. К таким добавкам относятся хромит и магнезит. Цементный камень без тонкомолотой добавки разрушается под действием нагрузки 0,2 МПа при температуре 1460°С, тогда как образцы с 3 мае.ч. магнезита при температуре более 1700°С.

При нагревании обычных цементных бетонов деструктивные процессы происходят не только в цементном камне, но и в заполнителях. Такие процессы обусловлены неравномерным температурным расширением полиминеральных кристаллических пород, каковыми являются, например, граниты. Непригодны в качестве заполнителей бетонов, работающих в условиях нагревания, материалы, содержащие свободный кварц (песчаник, кварцевые пески, кварциты и др.). Наиболее опасным является превращение (3-кварца в а-кварц при 573 °С, связанное с уменьшением плотности зерен и, соответственно, эффектом объемного расширения.
Обычные заполнители используют при температуре до 200"С. Известняки и доломиты, широко применяемые как заполнители для тяжелого бетона, начинают разлагаться примерно при 600°С, однако их нагрев уже до 200"С приводит к снижению прочностных характеристик бетона.
Выбор заполнителей для жаростойких бетонов зависит от максимальной температуры их эксплуатации. Заполнители из таких излившихся изверженных пород, не содержащих свободного кварца, как андезиты, диабазы, базальты, вулканические лавы, туфы, пеплы, пемза при введении в бетонные смеси тонкомолотых добавок могут использоваться в условиях температуры до 700 - 800°С. В таком же диапазоне температуры используются нераспадающиеся доменные отвальные шлаки с модулем основности не более 1, а также топливные шлаки и бой обыкновенного глиняного кирпича.
Для легких жаростойких бетонов используют в качестве заполнителей керамзит, перлит, вермикулит.
Наибольшее распространение как заполнитель жаростойких бетонов получил шамот. К шамотным относятся материалы с содержанием А12О3+ТЮ2 от 30 до 45%. Их получают обжигом огнеупорных глин и каолинов до спекания. Обожженный продукт сортируют, измельчают и рассеивают по фракциям.
Для жаростойких бетонов с наиболее высокой температурой применения в качестве заполнителей используют бой магнезитовых, хромомагнезитовых, корундовых и других огнеупоров.
Тяжелые жаростойкие бетоны на портландцементе изготавливают обычно классов В15 - В40.
Легкие жаростойкие бетоны имеют прочность, соответствующую классам В2,5 - В15 и плотность 500 - 1200 кг/м3. Минимально допустимая остаточная прочность бетонов после нагревания до 800°С составляет 30 - 50% начальной прочности.
При работе тепловых агрегатов жаростойкие бетоны подвергаются резким колебаниям температуры, что является одной из основных причин появления трещин и отколов на футеровке. Термическая стойкость бетонов зависит от вида вяжущих, заполнителей и тонкомолотых добавок, водовяжущего отношения. Для пор-тландцементных бетонов с шамотным заполнителем при нагреве до 800°С уже через 10- 15 циклов появляется волосяные, а 20- 25 циклов открытые трещины. Для повышения термостойкости бетонов применяют дисперсное армирование температуростойкими волокнами из асбеста, базальта и др. Для повышения термической трещиностойкости необходимо подбирать состав бетона с минимальным различием температурных деформаций крупного заполнителя и растворной части. Нагрев жаростойкого бетона на портландцементе желателен не ранее чем через 7 суток нормального твердения.
Важным показателем трещиностойкости жаростойких бетонов является усадка. Она обусловлена в основном усадкой цементного камня, которая возрастает не только с увеличением водоцемент-ного отношения, но и с повышением температуры нагрева. Усадка бетонов при сушке составляет 0,04-0,07%. При 800- 1100"С линейная усадка жаростойкого бетона возрастает до 0,2 - 0,7%. Величина усадки увеличивается с повышением расходов цемента и тонкомолотой добавки.
Коэффициент термического расширения жаростойкого бетона в основном зависит от расширения заполнителя и колеблется в интервале 4-11106. Качество жаростойких бетонов в значительной мере зависит от режима сушки и первого нагрева.
Жидкое стекло в качестве вяжущего для жаростойких бетонов применяют с модулем от 2,4 до 3,0 и плотностью от 1,36 до 38 г/см3. Ускорение твердения жидкого стекла и повышение прочности бетонов достигается введением добавки отвердителя - кремнефтористого натрия. Отвердителями жидкого стекла служат также нефелиновый шлам, феррохромовый шлак, технический глинозем, глиноземистый шлак, клинкерный портландцемент.
Бетоны на основе жидкого стекла используют при температурах 600 - 1600 °С, начальная прочность их на сжатие обычно не превышает 10 - 20 МПа, однако остаточная прочность после нагревания до 800°С значительно выше, чем для портландцементных бетонов - 50 - 90%. Эти бетоны при применении соответствующих заполнителей в условиях высоких температур стойки к кислотам (кроме НР), расплавам солей, другим агрессивным средам. Однако для ряда составов не допускается воздействие пара и воды.

Бетоны на основе глиноземистого и высокоглиноземистого (не менее 75% А12О3) цементов эксплуатируются при температурах 1300- 1700°С. При их изготовлении не требуются тонкомолотые добавки, заполнителями служат обычно хромит, электрокорунд и другие высокоглиноземистые материалы. Поскольку твердение глиноземистого цемента характеризуется высокой экзотермией при применении его в конструкциях, толщина которых превышает 400 мм, необходим интенсивный отвод тепла. Температура в толще бетона в первые сутки твердения не должна превышать 40°С, прочность бетонов на глиноземистом цементе соответствует классам В20 - В40 и достигается через 3 суток нормального твердения.
Огнеупорные бетоны, обладающие высокой термической стойкостью и сопротивляемостью истирающим воздействиям, получают с применением фосфатных вяжущих. Ими служит ортофос-форная кислота или ортофосфаты различной степени замещения. Тонкомолотыми добавками в таких бетонах являются обычно высокоглиноземистые (не менее 62% АI2О3) порошки. При нагревании ортофосфорная кислота вступает в реакцию с АI2О3, образуя высокоогнеупорные алюмофосфатные связки. Бетоны на алю-мофосфатных связках применяют при температурах нагрева до 1600 - 1800°С. Их прочность на сжатие достигает 70 МПа. После нагревания до 800 °С снижения прочности не наблюдается. Термическая стойкость - 39 - 60 водных теплосмен при начальной температуре 800"С. В отличие от жаростойких бетонов на других вяжущих алюмофосфатные бетоны вместо огневой усадки после нагревания до максимальной температуры характеризуются расширением (до 0,2%).

Авторы: Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин

• Представленная тут информация посодействует оптимизации расходов на бетон в Химках.
• С помощью нашей системы Вы сможете купить бетон в Одинцовском районе с доставкой и на условиях самовывоза.
• Один из самых популярных вопросов: Бетон какой подвижности выбрать? - расчеты для посетителей нашего сайта.