ЖАРОСТОЙКАЯ БЕТОННАЯ СМЕСЬ Российский патент 2011 года по МПК C04B28/04 C04B111/20 

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.

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.

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