Жаростойкий шлакощелочной бетон
HEAT-RESISTANT SLAG-ALKALINE CONCRETE

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.
2
3
2
2
3
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 AlO, 49,2 SiO, 1,7 FeO, 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.
2
3
1,75
1,75
0,25
4
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-AlO 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(AlSiO) с температурой плавления 1850°С, что позволяет повысить температуру применения жаростойкого шлакощелочного бетона.
2
3
2
2
2
3
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 AlO, 18,3 CaO, 11,2 TiO, 0,5 SiO, 0,5 FeO, 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.
2
3
2
2
3
Шамот марки ЗШБ, фракции 0-5 мм, соответствующий 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.
2
2
3
2
3
Самораспадающийся феррохромовый шлак - белит по ТУ 14-139-201-2012, имеющий усредненный химический состав, мас.%: 45 CaO, 25 SiO, 10,0 AlO, 8,0 CrO, 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/м<sup>3</sup>
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/м<sup>3</sup>
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