Жаростойкий шлакощелочной бетон Российский патент 2020 года по МПК C04B28/26 

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 Na_1,75(Al_1,75Si_0,25O₄) 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

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.

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