Что такое жаростойкий бетон
Новости компании
Жаростойкий бетон— это специально изготовленный бетон, способный не изменять требуемые физико-механические свойства при длительном воздействии высокой температуры (более 200°С). В зависимости от вяжущего вещества различают жаростойкие бетоны на портландцементе и шлакопортландцементе, на высокоглиноземистом и глиноземистом цементе и на жидком стекле.
Жаростойкий бетон предназначается для промышленных агрегатов (облицовки котлов, футеровки печей и т.п.) и строительных конструкций, подверженных нагреванию (например, для дымовых труб). При действии высокой температуры на цементный камень происходит обезвоживание кристаллогидратов и разложение гидроксида кальция с образованием СаО. Оксид кальция при воздействии влаги гидратируется с увеличением объема и вызывает растрескивание бетона. Поэтому в жаростойкий бетон на портландцементе вводят тонко измельченные материалы, содержащие активный кремнезем.
Существуют следующие виды жаростойких бетонов
По предельно допустимой температуре применения жаростойкие бетоны подразделяются на 14 классов:
|
Класс |
Предельно допустимая температура применения, °С: |
|
3 |
300 |
|
6 |
600 |
|
7 |
700 |
|
8 |
800 |
|
9 |
900 |
|
10 |
1000 |
|
11 |
1100 |
|
12 |
1200 |
|
13 |
1300 |
|
14 |
1400 |
|
15 |
1500 |
|
16 |
1600 |
|
17 |
1700 |
|
18 |
свыше 1800 |
По прочности на сжатие жаростойких бетонов в соответствии с СТ СЭВ 1406-78 установлены следующие классы: В1; В1,5; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40.
Различают жаростойкие бетоны следующих марок:
по средней плотности: D300; D400; D500; D600; D700; D800; D900; D1000; D1100; D1200; D1300; D1400; D1500; D1600; D1700; D1800;
по термической стойкости в водных теплосменах (бетоны плотной структуры со средней плотностью 1200-2900 кг/м3): Твд5, Твд10, Твд15, Твд25, Твд35, Твд40
по термической стойкости в воздушных теплосменах: Твз5, Твз10, Твз15, Твз20, Твз25 (бетоны плотной структуры 500-1100 кг/м3) Твз5, Твз10 (бетоны ячеистой структуры 600-1000 кг/м3)
по морозостойкости (бетоны плотной структуры со средней плотностью 1200-2900 кг/м3): F15, F25, F35, F50, F75
по водонепроницаемости (бетоны со средней плотностью 1200-2900 кг/м3): В2, В4, В6, В8
Для жаростойких бетонов марок средней плотности D300-D1100 термическая стойкость в водных теплосменах, морозостойкость и водонепроницаемость не нормируется. Для жаростойких бетонов марок по средней плотности D300 и D400 не нормируется термическая стойкость в воздушных теплосменах.
В зависимости от способа укладки и уплотнения бетонной смеси, различают жаростойкие бетоны: вибрированные, трамбованные, прессованные, торкретированные (нанесение пневмо- или механическим способом).
Материалы для производства жаростойких бетонов
Жаростойкий бетон изготовляют на портландцементе с активной минеральной добавкой (пемзы, золы, доменного гранулированного шлака, шамота).
Шлакопортландцемент уже содержит добавку доменного гранулированного шлака и может успешно применяться при температурах до 700°С. Портландцемент и шлакопортландцемент нельзя применять для жаростойкого бетона, подвергающегося кислой коррозии (например, действию сернистого ангидрида в дымовых трубах). В этом случае следует применить бетон на жидком стекле. Он хорошо противостоит кислотной коррозии и сохраняет свою прочность при нагреве до 1000°С.
Еще большей огнеупорностью (не ниже 1580°С) обладает высокоглиноземистый цемент с содержанием глинозема 65-80%; в сочетании с высокоогнеупорным заполнителем его применяют при температурах до 1700°С.
Столь же высокой огнеупорности позволяют достигнуть фосфатные и алюмофосфатные связующие: фосфорная кислота алюмофосфаты и магнийфосфаты.
Жаростойкие бетоны на фосфатных связующих можно применять при температурах до 1700°С, они имеют небольшую огневую усадку, термически стойки, хорошо сопротивляются истиранию.
Заполнитель для жаростойкого бетона должен быть не только стойким при высоких температурах, но и обладать равномерным температурным расширением.
Бескварцевые изверженные горные породы как плотные (сиенит, диорит, диабаз, габбро), так и пористые (пемза, вулканические туфы, пеплы) можно использовать для жаростойкого бетона, применяемого при температурах до 700°С.
Для бетона, работающего при температурах 700-900°С, целесообразно применять бой обычного глиняного кирпича и доменные отвальные шлаки с модулем основности не более 1, не подверженные распаду.
При более высоких температурах заполнителем служат огнеупорные материалы: кусковой шамот, хромитовая руда, бой шамотных, хроммагнезитовых и других огнеупорных изделий.
Требования к материалам для изготовления жаростойких бетонов
1. Вяжущее
В табл.1приведены виды вяжущих для жаростойкого бетона, нормативные документы, требованиям которых они должны отвечать, а также дополнительные требования, учитывающие специфику их применения в жаростойком бетоне.
Таблица 1
|
№ п.п. |
Вяжущее |
Нормативный документ |
Дополнительные требования |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
1 |
Портландцемент, портландцемент с минеральными добавками, быстротвердеющий портландцемент |
ГОСТ 10178 |
Марка цемента не ниже 400. Для бетонов с предельно допустимой температурой применения выше 300 °С употребляют только с тонкомолотой добавкой |
|
2 |
Шлакопортландцемент |
ГОСТ 10178 |
Марка не ниже 400. Необходимость введения тонко молотой добавки определяется величиной остаточной прочности бетона, которая должна быть не ниже требований табл. 9 |
|
3 |
Глиноземистый цемент |
ГОСТ 969-77 |
Марка цемента не ниже 400 |
|
4 |
Высокоглиноземистый цемент |
ТУ 21-20-60-84 и ТУ 6-03-339-78 |
Марка не ниже 400. Для бетонов, предназначенных для работы в условиях агрессивной водородной среды, содержание оксида железа не должно превышать 0,05 % и оксида кремнезема 0,1 % |
|
5 |
Жидкое стекло силикат натрия растворимый |
https://www.complexdoc.ru/ntd/483158 ГОСТ 13078 |
Модуль жидкого стекла 2,4-3. Модуль определяется поГОСТ 13078-81*или по прил. 1. Плотность жидкого стекла 1,34-1,38г/см3 |
|
6 |
Ортофосфорная кислота |
ГОСТ 10678 |
Концентрация ортофосфорной кислоты 50 или 70 % в зависимости от состава бетона. Методика разведения кислоты дана в прил.2 |
2. Отвердители
Для обеспечения процессов твердения жаростойких бетонов на жидком стекле необходимо введение отвердителей, требования к которым приведены в табл.2. Нефелиновый шлам является вторичным продуктом производства алюминия из нефелиновой породы и для употребления должен быть размолот до удельной поверхности, значения которой приведены в табл.2. Шлаки, саморассыпающиеся в результате силикатного распада, так же являются вторичными продуктами ферросплавных и металлургических заводов и могут использоваться без дополнительного помола.
Таблица 2
|
№пп |
Отвердители |
Нормативный документ |
Дополнительные требования |
|
1 |
Кремнефтористый натрий технический |
ТУ 6-08-01-1-81 |
Содержание Na2SiF6не менее 93 % |
|
2 |
Нефелиновый шлам |
Химический состав: СаО -50...... 55 %; SiO2- 25 ... 30 %; FeO не более 4 %; Al2O3- не более 5 %, п.п.п. - не более 4,5 %. Удельная поверхность не менее 2500 см2/г |
|
|
3 |
Шлаки саморассыпающиеся в результате силикатного распада |
ТУ 14-11-181-79 |
Химический состав: SiO2-25...... 30 %, СаО - 40...... 50 %, Fe2O3+ FeO не более 1 %, А12О3- 4..8 % и других примесей не более 20 %. Удельная поверхность не менее 3000 см2/г |
3. Тонкомолотые добавки
Тонкомолотые добавки вводят в жаростойкий бетон на портландцементе для связывания свободного гидроксида кальция и обеспечения стойкости бетона в условиях воздействия высоких температур; в жаростойкий бетон на жидком стекле - для повышения температуры применения, улучшения удобоукладываемости бетонной смеси и обеспечения плотной структуры бетона; в жаростойкий бетон на ортофосфорной кислоте - для обеспечения твердения, улучшения удобоукладываемости бетонной смеси и обеспечения плотной структуры бетона. Тонкомолотые добавки могут быть промышленного изготовления или приготовлены размолом соответствующих материалов до удельной поверхности не менее 2500 см2/г, в которых содержание свободных оксида кальция СаО и оксида магния MgО в сумме не должно превышать 3 %, а карбонатов - не более 2 %.
Виды тонкомолотых добавок и основные требования к ним приведены в табл.3.
Таблица 3
4. Заполнители
Заполнители, применяемые в жаростойких бетонах, могут быть промышленного изготовления или приготовлены на месте производства работ дроблением соответствующих материалов.
Кусковой шамот и шамот из вторичных огнеупоров должны иметь водопоглощение не более 12 % массы материала. Для боя шамотных изделий и других заполнителей водопоглощение не нормируется.
Для заполнителей, используемых в бетоне с предельно допустимой температурой применения выше 1200 °С, огнеупорность должна быть не менее величин, указанных в табл.5.
Таблица 5
|
№ п.п. |
Тонкомолотая добавка |
Нормативные документы, которым должны отвечать добавки |
Содержание основных компонентов, %0 |
Рекомендуется применять для бетонов |
|
|
с предельно допустимой температурой, °С, не более |
с вяжущим |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
1 |
Шамотная |
ГОСТ 23037-78* |
Аl2О3- 28 - 45, Fе2O3- не более 5,5 |
1200 |
Портландцемент |
|
1200 |
Быстротвердеющий портландцемент |
||||
|
1200 |
Жидкое стекло |
||||
|
1300 |
Ортофосфорная кислота концентрации 50 % |
||||
|
1400 |
То же, 70 % |
||||
|
2 |
Муллитокорундовая |
То же |
Аl2О3-72-90, Fе2O3-- не более 1,5 |
1800 |
Ортофосфорная кислота 70 %-й концентрации |
|
3 |
Корундовая |
То же |
Аl2О3- св. 90, Fe2O3- не более 1 |
1800 |
То же |
|
4 |
Магнезитовая (периклазовая) |
То же |
MgO - не менее 80 |
1600 |
Жидкое стекло |
|
5 |
Глиноземистый цемент (при снижении активности молоть до удельной поверхности 2500 см2/г) |
ГОСТ 969-77 |
1000 |
Портландцемент |
|
|
6 |
Силикат-глыба с удельной поверхностью 2500 см2/г |
ГОСТ 13079-81* |
1000 |
То же |
|
|
7 |
Бетонная из лома жаростойкого бетона на жидком стекле с шамотным заполнителем |
ТУ 21 ЛитССР15-76 |
Na2O - не более 4 |
1100 |
|
|
8 |
Бетонная из лома жаростойкого бетона на портландцементе с шамотным заполнителем |
ТУ 21 ЛитССР 49-80 |
СаО - не более 41, Аl2О3- не менее 14 |
1100 |
|
|
9 |
Бетонная из лома жаростойкого бетона на глиноземистом цементе с шамотным заполнителем |
ТУ 21 ЛитССР 49-80 |
СаО -не более 25, Al2O3- не менее 33 |
1100 |
|
|
10 |
Кордиеритовая |
ГОСТ 20419-83* |
Содержание минерала кордиерит не менее 80, MgO-12-14, Fe2O3- не более 2,5 |
1100 |
|
|
11 |
Хромитовая |
MgO - менее 40, Сr2О3- не менее 25 |
600 |
||
|
12 |
Керамзитовая |
ГОСТ 9759-83 |
SiO2, - 55 - 80, Аl2О3- 7 - 21 |
1000 |
|
|
13 |
Из катализатора ИМ 2201 отработанного |
ТУ 383021-78 |
Аl2О3- 60 - 80, Сг2О3- 10- 13, SiO2- 8 - 10 |
1200 1100 |
Жидкое стекло |
|
14 |
Из золы-унос |
ГОСТ 25592-83 |
Аl2О3- не менее 20, сульфатов в пересчете на SO3- не более 4, потери при прокаливании не более 8 |
1100 |
Портландцемент |
|
15 |
Из шлаков ферромарганца и силикомарганца |
SiO2-29 -35, Аl2О3- 8 -9, CaO -42 -45, Fe2O3-0,9-l, MgO-7-8, SO3-2,5 -2,7, MnO-4,5 -8 |
800 |
Жидкое стекло |
|
|
16 |
Из боя глиняного кирпича |
SiO2- 55 - 80, Аl2О3- 7-21 |
1000 |
Портландцемент |
|
|
17 |
Из доменного, отвального, гранулированного и литого шлака |
ГОСТ 5578-76 |
СаО и MgO - в сумме не более 48, в том числе MgO - не более 10, сульфатов в пересчете на SO3- не более 5 |
800 |
То же |
|
18 |
Из обожженных отходов обогащения асбеста |
ТУ 21-РСФСР-1-297-84 |
SiO2-40-45, MgO- 23 - 37, СаО - 1 - 9 |
1200 |
Жидкое стекло |
|
19 |
Из шлака гранулированного силикомарганца |
SiO2- 44 - 50 |
1100 |
То же |
|
|
Заполнитель |
Огнеупорность, °С, не менее |
|
Шамотный и из боя шамотных легковесных изделий |
1580 |
|
Титаноглиноземистый |
1650 |
|
Хромоглиноземистый |
1700 |
|
Периклазошпинельный |
1800 |
|
Муллитокорундовый |
1850 |
|
Корундовый |
1900 |
|
Магнезитовый |
Более 1900 |
Для заполнителей, применяемых в бетоне со средней плотностью после сушки менее 900 кг/м3, средняя насыпная плотность заполнителя должна быть не более величин, указанных в табл.6
Таблица 6
|
Заполнитель |
Средняя насыпная плотность, кг/м3 |
|
Перлит Керамзит Вспученный вермикулит Из боя шамотных легковесных изделий |
300-500 350-800 100-200 500-800 |
Рекомендуемый зерновой состав заполнителей для жаростойкого бетона, кроме керамзита:
Таблица 7
|
Заполнитель |
Максимальная крупность зерен, мм |
Полный остаток, % массы, на сите с отверстиями размером, мм |
|||||||
|
20 |
10 |
5 |
2,5 |
1,2 |
0,6 |
0,3 |
0,14 |
||
|
Мелкий |
5 |
0,5 |
10-30 |
20-55 |
40-70 |
70-95 |
80-100 |
||
|
Крупный |
20 |
0-5 |
30-60 |
90-100 |
|||||
|
10 |
0-5 |
90-100 |
|||||||
Рекомендуемый зерновой состав керамзитового заполнителя:
Таблица 8
|
Размер отверстий сита в свету, мм |
20 |
10 |
5 |
1,25 |
0,14 |
|
Полный остаток на ситах, % массы |
0-5 |
25-40 |
45-65 |
70-75 |
80-100 |
Особое внимание следует уделять чистоте заполнителя. Наличие в заполнителе включений известняка, доломита, гранита и др. не допускается.
Заполнители для жаростойкого бетона, получаемые кратковременным обжигом природных пород (перлит и вермикулит), не должны содержать недовспученных зерен.
Расчет состава жаростойкого бетона
Для расчета определяют: активность цемента; количество частиц менее 0,14 мм в мелком заполнителе; кажущуюся плотность заполнителя (плотность в куске); оптимальную насыпную плотность смеси мелкого и крупного заполнителей (без зерен мельче 0,14 мм) ; плотность материала.
Усредненные характеристики заполнителей, которые можно использовать только для расчета ориентировочного расхода материалов, приведены в таблице. Для получения более точных данных необходимо определять опытным путем насыпную плотность и водопоглощение.
Расход смеси мелкого и крупного заполнителей Р3, кг на 1 м3бетонной смеси, определяется по формуле
Р3= 1000/( + ) (1)
где Киз - коэффициент избытка вяжущего теста;
- кажущаяся плотность заполнителей, г/см3
- насыпная плотность заполнителей, г/см3,
- пустотность заполнителя.
α = 1-ρЗ/ ρЗ.К.(2)
Коэффициент избытка вяжущего теста Кизявляется одной из важнейших величин, обеспечивающих заданную удобоукладываемость бетонной смеси и влияющих на прочностные характеристики жаростойких бетонов.
Для жаростойких бетонов на жидком стекле коэффициент избытка определен экспериментальным путем и составляет 1,5.
Для жаростойких бетонов на цементных вяжущих для определения коэффициента избытка устанавливают водовяжущее отношение В/Вв, необходимое для обеспечения заданной прочности бетона, по формуле
В/ВВ= nAB/(R+ l,3nAB) (3)
где n коэффициент качества заполнителя (см.таблицу) ; R - контрольная прочность на сжатие, МПа; АB- активность вяжущего (0,5-0,75 АЦ).
АВ= АЦ/(1+д) (4)
где АЦ- активность цемента, МПа; д - количество тонкомолотой добавки в частях массы цемента.
Коэффициент избытка вяжущего теста определяют по формуле
lgKИЗ= 0,64 - B/BBlgЗy (5)
где у - удобоукладываемость бетонной смеси, с.
Расход смеси мелкого и крупного заполнителей (сумма объемов) на 1 м3бетонной смеси находится в пределах 0,9 -1,4 м3.
Для тяжелых и облегченных бетонов расход заполнителя составляет 0,9 1,1 м3, для легких - 1 - 1,4 м3.
|
Заполнитель |
Насыпная плотность г/см3 |
Кажущаяся плотность (плотность в куске), г/см3 |
Плотность, г/см3 |
Водопоглощение, % |
Коэффициент качества заполнителя n |
|
Из боя обыкновенного глиняного кирпича |
1,2 |
1,7 |
2,53 |
15-20 |
0,35 |
|
Керамзитовый и аглопоритовый |
0,3-0,8 |
0,6-1,7 |
2,55 |
0,3-0,4 |
|
|
Шамотный |
1,4 |
2-2,25 |
2,65 |
5-15 |
0,4 |
|
Муллитовый |
1,8 |
2,3-2,6 |
2,9-3,1 |
2-5 |
0,6 |
|
Муллитокорундовый |
2,2 |
2,45-3 |
3,1-3,6 |
2-5 |
0,6 |
|
Корундовый |
2,7 |
2,8-3,1 |
3,6-4 |
0,8-5 |
0,6 |
|
Кордиеритовый |
1,3 |
1,85 |
2,6 |
7 |
0,4 |
|
Магнезитовый |
2 |
2,7 |
3,4-3 |
4-9 |
|
|
Периклазошпинельный |
2,8 |
3,3 |
3,7 |
4-9 |
|
|
Из доменных литых, отвальных и гранулированных шлаков |
0,6-2,2 |
1,8-2,7 |
2,75 |
2-12 |
0,5 |
|
Шлаковая пемза |
1,2 |
1,7 |
|||
|
Из шлаков титаноглиноземистых (ферротитана) |
1,7 |
2,3 |
2,9 |
0,1-1 |
0,6 |
|
Базальтовые |
1,8 |
3 |
3,1 |
0-1 |
0,6 |
|
Диабазовые |
1,8 |
3 |
3,1 |
0-1 |
0,6 |
|
Андезитовые |
1,7 |
2,9 |
3 |
0-1 |
0,6 |
|
Диоритовые |
1,7 |
2,9 |
3 |
0-1 |
0,6 |
|
Бетонные из лома жаростойких бетонов с шамотным заполнителем |
1,4 |
2 |
2,65 |
10-15 |
0,4 |
Примечание. Коэффициент n является эмпирическим и учитывает влияние вида и прочности заполнителя на прочность бетона
Расход мелкого РЗ.Ми крупного - РЗ.Кзаполнителей для бетона на цементных вяжущих определяют по формуле
РЗ.М= РЗ.К= РЗ/2 (6)
где РЗ- см. формулу (1).
Расход мелкого и крупного заполнителей для бетона на жидком стекле определяют по формулам:
РЗ.К= РЗ/1,65 (7)
РЗ.М= РЗ- РЗ.К
Расход глиноземистого и высокоглиноземистого цементов и шлакопортландцемента вычисляют по формуле
РЦ= (1000 - РЗ/ρЗ.К)/(0,33 + В/ВВ) (9)
где РЗ, ρЗ.К- см. формулу (1).
Количество глиноземистого и высокоглиноземистого цементов и шлакопортландцемента на 1 м3тяжелых и облегченных бетонов составляет 400-600 кг, легких - 200-350 кг.
Расход портландцемента РЦ, кг, и тонкомолотой добавки РД, кг, для бетонов на портландцементе вычисляют по формулам:
РЦ= (1000 - ρЗ/ ρЗ.К/ 0,33 + д/ρД+ (1 + д)·В/ВВ(10)
PД= РЦ· д (11)
где РЗ; ρЗ.К- см. формулу (1), д - см. формулу (4), ρД- плотность тонкомолотой добавки, г/см3.
Количество портландцемента на 1 м3тяжелых и облегченных бетонов составляет 300-500 кг, легких 200-350 кг.
Количество тонкомолотой добавки всех видов (кроме силикат-глыбы) в жаростойком бетоне на портландцементе составляет 0,3 частей по массе, силикат-глыбы - 0,1 частей по массе цемента.
Расход воды РВ, кг (л), на 1 м3бетонной смеси на цементных вяжущих определяют по формуле
РВ= PЗW/100 + (РЦ+ РД) В/ВВ(12)
где РЗ- см. формулу (1); W - водопоглощение заполнителя, %; РЦ- см. формулу (9); РД- см. формулу (11).
Расход жидкого стекла вычисляют по формуле
РС.Ж= РЗα ρЗ.Ж(КИЗ- 0,3)/ ρЗ(13)
где РЗ, α, КИЗ, ρЗ- см. формулу (1); ρЗ.Ж- плотность жидкого стекла, г/см3.
Расход тонкомолотой добавки определяют по формуле
РД= 0,6VС.Ж·ρД(14)
где VС.Ж- объем жидкого стекла, который вычисляется по формуле (15)
VС.Ж= РС.Ж/ρС.Ж(15)
где ρД- плотность материала, из которого изготовлена тонкомолотая добавка, г/см3
Расход отвердителя РОзависит от расхода жидкого стекла по массе и составляет: для кремнефтористого натрия - 0,1-0,12 частей по массе для бетонов со всеми тонкомолотыми добавками (кроме магнезита) и бетона с тонкомолотым магнезитом - 0,08-0,1 частей по массе.
Для нефелинового шлама, саморассыпающегося шлака со всеми (кроме магнезита) тонкомолотыми добавками - 0,3 частей по массе с тонкомолотой добавкой из магнезита - 0,12 частей по массе.
Ориентировочно количество жидкого стекла на 1 м3бетона составляет 250-400 кг.