Сырьевая смесь для жаростойкого фибробетона повышенной термоморозостойкости Российский патент 2021 года по МПК C04B28/04 

Предложение относится к специальным жаростойким бетонам или жаростойким бетонным смесям на основе портландцемента, которые могут быть использованы для изготовления футеровочных плит, блоков и других изделий, а также футеровок факельных амбаров горизонтальных факельных установок, установок термического обезвреживания промстоков и флюидов, работающих в условиях высоких температур в процессе нагрева, и низких (отрицательных) температур окружающей среды (условия повышенной цикличности).

Известен состав тяжелого бетона для производства жаростойких бетонов, содержащий портландцемент М400, наполнитель из боя шамотных огнеупоров, наполнитель из боя высокоглиноземистых огнеупоров, песок и щебень фракции 5-20 мм, полученные дроблением боя шамотных огнеупоров с последующим их рассевом на фракции, натриевое жидкое стекло с плотностью 1,23 г/см³ [Патент РФ №2427549, МПК С04В 28/04 03.06.2010].

Известен также другой состав, содержащий портландцемент, добавки, получаемой путем мокрого помола кремнеземсодержащего компонента и щелочного компонента, шамотного щебня и шамотного песка, огнеупорный материал с содержанием Al₂O₃ более 68%, жидкое стекло плотностью 1,41-1,47 г/см³, кварцевый песок [Патент РФ №2427549, МПК С04В 28/04 03.06.2010].

Известен состав тяжелого бетона для производства жаростойких бетонов, содержащий шлакопортландцемент, пыль уноса производства ферросилиция, отсев доменного шлака, кислый и щелочной активаторы и кварцсодержащий наполнитель, шлак гранулированный фракции менее 1,25 мм, вводный раствор 33%-ной концентрации ортофосфорной кислоты и раствор, полученный от промывания водой осадка примесей, образующихся при растворении силикат-глыбы, кварцевая мука, пылевидный отход ферросплавного производства [Патент РФ №2608102, МПК С04В 28/08 11.09.2015].

Недостатками рассмотренных выше составов являются невозможность их использования в условиях цикличного нагрева и замораживания (отсутствия марки по морозостойкости).

Известен состав бетона, содержащий органические волокна, цемент, заполнитель с размером частиц D₉₀ не более 10 мм, пуццолановую добавку, у которой частицы имеют элементарный размер от 0,1 до 100 мкм, диспергирующее средство [Патент РФ №2274618, МПК С04В 28/02 от 08.02.2001]. Недостатком состава является низкая температура применения и невозможность его использования в условиях цикличного нагрева и замораживания (отсутствия марки по морозостойкости).

Известен состав бетонной смеси, содержащий карбид кремния черный мелких фракций и/или сростки и спеки карбида кремния зеленого мелких фракций, портландцемент, щебень гранитный, кварцевый песок, суперфосфат, поливиниловый спирт [Патент РФ №2309132, МПК С04В 28/04 от 11.01.2005], а также известен состав, содержащий портландцемент, гидрат глинозема, песок шлакопемзовый фракции до 5 мм, щебень шлаковый фракции 5-20 мм, суперпластификатор С-3 и воду [Патент РФ №2272013, МПК С04В 38/08 от 20.10.2004].

Недостатком этих состава является низкая температура применения, низкая термическая стойкость и невозможность его использования в условиях цикличного нагрева и замораживания (отсутствия марки по морозостойкости).

Наиболее близким техническим решением является состав для производства товарных жаростойких бетонов и конструкций тепловых агрегатов, подвергающихся длительному воздействию высоких температур и их резких перепадов, содержащий портландцемент М400, наполнитель из боя шамотных огнеупоров, наполнитель из боя высокоглиноземистых огнеупоров, песок и щебень фракции 5-20 мм, полученные дроблением боя шамотных огнеупоров с последующим их рассевом на фракции, натриевое жидкое стекло с плотностью 1,23 г/см³ [Патент РФ №2427549, МПК С04В 28/04 03.06.2010].

Однако данный материал не может использоваться в условиях цикличного нагрева и замораживания (отсутствия марки по морозостойкости).

Задачей предложения является получение жаростойкого бетона на портландцементе одновременно с высокими значениями по термической стойкости и морозостойкости, т.е. получение бетона, работающего как в зоне высоких, так и низких температур, и их цикличности.

Технический результат достигается за счет того, что в состав бетонной сырьевой смеси для изготовления жаростойкого бетона, включающий портландцемент, жаростойкий шамотный заполнитель, согласно изобретению дополнительно введены активная минеральная добавка с удельной поверхностью не менее 4500 см²/г, фибра с соотношением l/d = 50 – 150, где l – длина волокон, d – диаметр волокон, наноразмерный углеродный наполнитель, суперпластификатор на основе модифицированных поликарбоксилатных эфиров, в следующем соотношении компонентов (мас.%):

жаростойкий шамотный заполнитель 57,3 портландцемент 20,2-26,8 активная минеральная добавка 5,4-12,0 суперпластификатор 0,2 вода 10,3 фибра 0,025-0,03 наноразмерный углеродный наполнитель 0,00001-0,1

Введение в состав сырьевой смеси для жаростойкого бетона активной минеральной добавки с удельной поверхностью не менее 4500 см²/г, имеющей усредненный химический состав, мас.%: 35,0-45,0 SiO₂ 8,0 Al₂O₃, 35,0-45,0 CaO, 15,0 MgO, 0,2-1,0 Fe₂O₃ приводит к получению коллоидно-дисперсной структуры цементного камня, образованию структуры цементного камня с повышенной релаксационной способностью, которая снижает негативное влияние от расширения и сжатия частиц в процессе нагрева и остывания, а также замораживания и оттаивания, что приводит к повышению термостойкости, морозостойкости и термоморозостойкости. Кроме того, при введении активной минеральной добавки снижается:

содержание Ca(OH)₂;

объем капиллярных пор;

содержание продуктов гидратации алюминатных фаз.

При этом содержание низкоосновных гидросиликатов кальция типа С-S-Н увеличивается. Все вышеперечисленные факторы приводят к повышению плотности, прочности, морозостойкости, водонепроницаемости.

Введение в состав сырьевой смеси для жаростойкого бетона фибры с соотношением l/d = 50 – 150 позволяет получить повышение прочности цементного камня за счет способности воспринимать более высокие растягивающие и сжимающие напряжения. Результат достигается вследствие объемнопроизвольного микродисперсного армирования. Геометрические параметры фибры выбраны как наиболее оптимальные, обеспечивающие однородность перемешивания и заанкеривание в цементном камне.

Введение в состав сырьевой смеси для жаростойкого бетона суперпластификатора на основе модифицированных поликарбоксилатных эфиров позволяет добиться максимального водоредуцирующего эффекта, что приводит к увеличению плотности и прочности бетона.

Введение в состав сырьевой смеси для жаростойкого бетона наноразмерного углеродного наполнителя значительно улучшает такие характеристики бетона, как прочность на сжатие, морозостойкость, термостойкость и термоморозостойкость. Данное изменение происходит благодаря взаимодействию нано добавки с частицами цемента на нано уровне с образованием более однородной структуры, а также соединений, способствующих увеличению прочности и стойкости цементного камня к циклическим изменениям температур.

Кроме того, в качестве заполнителя использован шамотный заполнитель марки ЗШБ по 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. Размер и содержание фракций которого подбирались с помощью американского метода проектирования зернового состава асфальтобетонных смесей «Superpave», где Y – содержание фракций с крупностью зерен, мельче заданного размера «Х», %:

где D – наибольшая крупность зерен в смеси, мм.

В составе смеси в качестве вяжущего используется портландцемент класса ЦЕМ I 42,5 Н по ГОСТ 31108-2016.

В таблице 1 приведены составы сырьевой смеси для жаростойкого бетона согласно заявленному изобретению.

В таблице 2 представлены свойства жаростойкого фибробетона повышенной термоморозостойкости, изготовленного согласно составов таблицы 1. Воду в дозировке 10,3 % добавляли в смесь после тщательного перемешивания в лабораторном смесителе принудительного действия. Формование образцов осуществлялось с помощью виброуплотнения. После чего, бетонная смесь подвергалась режиму температурно-влажностного твердения согласно ГОСТ 20910-2019 «Бетоны жаростойкие. Технические условия» по следующему режиму:

выдержка при 20±5^оС и относительной влажности 90-100% в течение 7сут;

подъем температуры до 105±5°С в течение 2 часов;

выдержка при 105±5°С в течение 48 часов;

остывание до температуры 20±5^оС в течение 2 часов;

После прохождения режима твердения формы разбирались.

В таблице 3 приведен составы и свойства прототипа.

Плотность определялась по ГОСТ 12730.1-78. Прочность на сжатие определялась по ГОСТ 10180-2012. Термостойкость и остаточная прочность определялась по ГОСТ 20910-2019. Морозостойкость определялась по ГОСТ 10060-2012 (третий ускоренный метод). Термоморозостойкость определялась как совокупность методик ГОСТ 10060-2012 и (третий ускоренный метод) и ГОСТ 20910-2019 (приложение В) по инструкции ТИ 003-72675614-2015 «Метод определения термоморозостойкости (ООО «УралНИИстром», ООО «НИИЖБ»).

Согласно данным таблиц 1-3 следует, что патентуемый состав в отличие от прототипа позволяет получать жаростойкий бетон с возможностью его использования в условиях цикличного нагрева и замораживания, с остальными физико-механическими характеристиками, не уступающими прототипу. Данный бетон необходимо применять для изготовления футеровочных плит, блоков и других изделий, а также футеровок факельных амбаров горизонтальных факельных установок, установок термического обезвреживания промстоков и флюидов, работающих в условиях высоких температур в процессе нагрева, и низких (отрицательных) температур окружающей среды (условия повышенной цикличности).

Указанные особенности свидетельствуют о достижении поставленной задачи.

Таблица 1 Бетонная смесь для получения жаростойкого фибробетона повышенной термоморозостойкости Компоненты Содержание в составе смеси, мас.% 1 2 Жаростойкий шамотный заполнитель 57,3 57,3 Портландцемент 20,2 26,8 Активная минеральная добавка 12,0 5,4 Суперпластификатор 0,2 0,2 Вода 10,3 10,3 ИТОГО 100,0 100,0 Фибра (сверх 100%) 0,03 0,025 Наноразмерный углеродный наполнитель (сверх 100%) 0,1 0,00001

Таблица 2 Свойства жаростойкого фибробетона повышенной термоморозостойкости 1 2 Плотность бетона после сушки, кг/м³ 2100 Плотность бетона после нагрева до 800^оС, кг/м³ 2000 Прочность бетона на сжатие после сушки, МПа 48,0 74,0 Прочность бетона на сжатие после нагрева до 800^оС, МПа 35,5 53,3 Остаточная прочность, % 74,0 72,0 Термостойкость Т₁, число водных теплосмен 30 35 Морозостойкость F, циклов 400 600 ТермоморозостойкостьТм, число термоморозосмен 25 30

Таблица 3 Состав и свойства прототипа Материал/свойство 1 2 3 4 Портландцемент М400 8 9 12 15 ТМД шамотн., 30-200 нм 15 14 11 8 То же из боя высокоглиноз. огнеуп. Фр. 30-200 нм 3,7 4,0 4,8 5,9 Песок фр. 0-5 мм шамотн. 26,4 26,2 25,6 24,5 Щебень фр.5-20 мм из боя шамотных огнеуп. 36,3 36,0 35,4 35,0 Натриевое жидкое стекло 0,2 0,3 0,3 0,35 Вода 10,4 10,5 10,9 11,25 Плотность бетона после сушки, кг/м³ 2050 2070 2085 2100 Плотность бетона после нагрева до 800^оС, кг/м³ 1990 2000 2010 2025 Прочность бетона на сжатие после сушки, МПа 41,4 42,0 43,2 45,8 Прочность бетона на сжатие после нагрева до 800^оС, МПа 30,6 30,7 30,7 31,1 Остаточная прочность, % 73,9 73,1 71,1 67,9 Термостойкость Т₁, число водных теплосмен 27 25 24 22

Изобретение относится к специальным жаростойким бетонам или жаростойким бетонным смесям на основе портландцемента, которые могут быть использованы для изготовления футеровочных плит, блоков и других изделий, а также футеровок факельных амбаров горизонтальных факельных установок, установок термического обезвреживания промстоков и флюидов, работающих в условиях высоких температур в процессе нагрева, и низких (отрицательных) температур окружающей среды (условия повышенной цикличности). Жаростойкий фибробетон повышенной термоморозостойкости, получаемый в результате твердения бетонной смеси, содержащей в своем составе портландцемент, жаростойкий шамотный заполнитель, при этом дополнительно введена активная минеральная добавка (мас.%: 35,0-40,0 SiO₂ 8,0 Al₂O₃, 35,0-40,0 CaO, 15,0 MgO, 0,2-1,0 Fe₂O₃), фибра из синтетических термопластических волокон, наноразмерный углеродный наполнитель, суперпластификатор. Техническая задача направлена на получение жаростойкого бетона на портландцементе одновременно с высокими значениями по термической стойкости и морозостойкости, т.е. получение бетона, работающего как в зоне высоких, так и низких температур, и их цикличности. 3 табл.

Жаростойкий фибробетон повышенной термоморозостойкости, получаемый из бетонной смеси, содержащей портландцемент, жаростойкий шамотный заполнитель, воду, отличающийся тем, что дополнительно содержит активную минеральную добавку состава, мас.%: 35,0-40,0 SiO₂, 8,0 Al₂O₃, 35,0-40,0 CaO, 15,0 MgO, 0,2-1,0 Fe₂O₃, фибру из синтетических термопластических волокон с соотношением l/d = 50-150, где l - длина волокон, d - диаметр волокон, наноразмерный углеродный наполнитель, суперпластификатор на основе модифицированных поликарбоксилатных эфиров, в следующем соотношении компонентов (мас.%):

Жаростойкий шамотный заполнитель 57,3 Портландцемент 20,2-26,8 Активная минеральная добавка (мас.%: 35,0-40,0 SiO₂, 8,0 Al₂O₃, 35,0-40,0 CaO, 15,0 MgO, 0,2-1,0 Fe₂O₃) 5,4-12,0 Фибра из синтетических термопластических волокон 0,025-0,03 Суперпластификатор 0,2 Вода 10,3 Наноразмерный углеродный наполнитель 0,00001-0,1.