Сырьевая смесь для жаростойкого фибробетона повышенной термоморозостойкости
RAW MIX FOR HEAT-RESISTANT FIBER-REINFORCED CONCRETE OF INCREASED THERMAL FROST RESISTANCE

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).
3
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/см [Патент РФ №2427549, МПК С04В 28/04 03.06.2010].
2
3
3
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 AlO более 68%, жидкое стекло плотностью 1,41-1,47 г/см, 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).
90
Известен состав бетона, содержащий органические волокна, цемент, заполнитель с размером частиц D 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).
3
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/см [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.
2
l
l
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 см/г, фибра с соотношением /d = 50 – 150, где  – 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
2
2
2
3
2
3
Введение в состав сырьевой смеси  для жаростойкого бетона активной минеральной добавки с удельной поверхностью не менее 4500 см/г, имеющей усредненный химический состав, мас.%: 35,0-45,0 SiO 8,0 AlO, 35,0-45,0 CaO, 15,0 MgO, 0,2-1,0 FeO 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:
2
содержание Ca(OH);
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.
l
Введение в состав сырьевой смеси для жаростойкого бетона фибры с соотношением /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.
2
3
2
2
3
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 AlО, 68,0 SiO, 0,5 FeO, 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:
о
выдержка при 20±5С 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;
о
остывание до температуры 20±5С 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/м<sup>3</sup>
2100
Плотность бетона после нагрева до 800<sup>о</sup>С, кг/м<sup>3</sup>
2000
Прочность бетона на сжатие после сушки, МПа
48,0
74,0
Прочность бетона на сжатие после нагрева до 800<sup>о</sup>С, МПа
35,5
53,3
Остаточная прочность, %
74,0
72,0
Термостойкость Т<sub>1</sub>, 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/м<sup>3</sup>
2050
2070
2085
2100
Плотность бетона после нагрева до 800<sup>о</sup>С, кг/м<sup>3</sup>
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<sup>о</sup>С, МПа
30,6
30,7
30,7
31,1
Остаточная прочность, %
73,9
73,1
71,1
67,9
Термостойкость Т<sub>1</sub>, число водных теплосмен
27
25
24
22