Огнеупорные бетоны
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Огнеупорными бетонами называют безобжиговые композиционные материалы с огнеупорностью от 1580°С и выше, состоящие из огнеупорного заполнителя, вяжущего материала, добавок и пор, затвердевающие при нормальной или повышенной температуре и обладающие ограниченной усадкой при температуре применения.
Огнеупорные мелкоштучные (нормальных размеров) изделия как массовые огнеупорные материалы, несмотря на высокие показатели свойств, имеют и свои специфические технико-экономические недостатки. Производство мелкоштучных огнеупорных изделий трудно поддается механизации и автоматизации, и в настоящее время уровень механизации на огнеупорных заводах составляет немного больше 50%. Механизация кладки различных промышленных печей из нормальных изделий не превышает 5 % и, что особенно важно отметить, требует высококвалифицированного труда каменщиков и часто выполняется в неблагоприятных санитарно-гигиенических условиях. В результате развития техники строительства и эксплуатации печей выявилась целесообразность производства огнеупорных бетонов и замена ими мелкоштучных изделий. Такая замена позволяет полностью механизировать и автоматизировать производство огнеупоров и индустриализировать строительство печей, заменив труд каменщика трудом монтажника.
Огнеупорный бетон по структуре является аналогом строительных бетонов. Он состоит из заполнителя и вяжущего и отличается от обычного строительного тем, что имеет огнеупорность выше 1580 °С и сохраняет достаточную строительную прочность в службе, т.е. огнеупорный бетон изготовлен из огнеупорных материалов.
Огнеупорные бетоны отличаются от обычных огнеупоров тем, что в результате применения специальных вяжущих материалов образуется прочная камнеподобная структура при нормальной или несколько повышенной температурах, которая не разрушается при высоких температурах службы. Таким образом, при производстве огнеупорных бетонов отпадает необходимость высокотемпературного обжига. В этом отношении огнеупорные бетоны и безобжиговые мелкоштучные огнеупорные изделия аналогичны.
Огнеупорные бетоны имеют некоторые преимущества перед обожженными изделиями. При монолитной бетонной футеровке полностью отсутствуют швы в кладке. Обжиг изделий, как правило, происходит в окислительной атмосфере, и фазовый состав обожженных изделий характеризуется соответственно оксидными формами тех или иных компонентов. Служат же эти огнеупоры во многих случаях в восстановительной среде или при температурах, когда оксидные формы становятся неустойчивыми, поэтому в обожженных изделиях любого типа в службе происходят изменения фазового состава, сопровождающиеся часто изменением объема минералов, приводящим к разупрочнению изделий.
В технологии обожженных изделий, в процессе их охлаждения, происходит кристаллизация минералов из жидкой фазы, образовавшейся при высоких температурах. В службе наблюдается обратный процесс — растворение этих минералов в жидкой фазе. Поскольку объемы жидкого и твердого состояний различны (для оксидных веществ объем расплава примерно на 10—15 % больше, чем твердого состояния), то при кристаллизации образуется субмикроскопическая пористость, обусловливающая повышение свободной энергии огнеупора. Другими словами, структура и фазовый состав обожженных изделий часто не соответствуют условиям службы. В огнеупорных бетонах
структура и фазовый состав в значительной степени создаются в службе и поэтому находятся в соответствии (равновесии) с условиями службы.
Огнеупорные бетоны всегда более термостойки и менее теплопроводны, чем соответствующие обожженные изделия. Во многих случаях огнеупорные бетоны оказываются лучше, чем обожженные изделия. Вместе с тем огнеупорные бетоны всегда менее прочны, особенно к истиранию. Поэтому вообще нельзя противопоставлять огнеупорные бетоны обожженным изделиям.
Огнеупорные порошки называют заполнителями (крупный, мелкий, тонкомолотый).
В качестве огнеупорных заполнителей применяют материалы, устойчивые в условиях воздействия высоких температур и не образующие с вяжущим легкоплавких эвтектик. В принципе всякий огнеупорный безусадочный материал может быть заполнителем. Размер зерен заполнителя находится в пределах 2—30 мм. Огнеупорные порошки, содержащие все фракции, необходимые для производства бетона, и сухие вяжущие вещества, называют бетонными смесями. Смеси вместе с водой или жидкими затворителями называют бетонными массами.
Огнеупорные бетоны классифицируют по типу изделий: бетонные блоки, бетонные смеси, бетонные массы, и виду вяжущих.
ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ
Под вяжущим веществом огнеупорных бетонов понимают дисперсионную систему, состоящую из дисперсной фазы (огнеупорного материала крупностью ниже 0,09 мм — цемента) и дисперсионной среды — химической связки.
Вяжущее(дисперсная система) = огнеупорный цемент(дисперсная фаза) + химическая связка (дисперсионная среда).
Таким образом, вяжущее для огнеупорных бетонов — это дисперсная система, состоящая из огнеупорного цемента и химической связки и обеспечивающая твердение бетонов при низких температурах, сохранение прочности при средних температурах и формирование износоустойчивой структуры вплоть до высоких температур с минимальным снижением огнеупорности.
К таким вяжущим предъявляются следующие требования: они должны обладать адгезионными свойствами, обеспечивать достаточную прочность бетона при твердении; не разупрочняться при нагревании; способность формированию износоустойчивой структуры бетона; не снижать огневых свойств бетона.
Для каждого вида огнеупорных цементов существует свой, наиболее рациональный состав химической связки, обусловливающий получение огнеупорных бетонов с наилучшими свойствами. Выбор рационального состава цемента и химической связки — один из основных вопросов в технологии огнеупорных бетонов.
Вяжущие для огнеупорных бетонов классифицируются на 5 видов: гидратационные, силикатные, фосфатные, сульфатно-хлоридные и органические. Каждый из этих видов вяжущих состоит из огнеупорного цемента и химической связки.
1. Гидратационные вяжущие представляют собой дисперсные системы, в которых дисперсная фаза представлена высокоглиноземистым, глиноземистым, барийалюминатным, периклазоалюминатным и портландским цементами, а дисперсионная среда — водой.
2. Силикатные вяжущие — дисперсные системы, в которых дисперсная фаза представлена различными огнеупорными цементами, а дисперсионная среда — щелочными силикатами, этилсиликатами, кремнезолем и другими растворами, содержащими золи кремнекислоты, стабилизированные различными (главным образом щелочными) добавками.
3. Фосфатные вяжущие — дисперсные системы, в которых в качестве дисперсной фазы используют различные огнеупорные цементы, а в качестве дисперсионной среды — ортофосфорную кислоту (Н3РО4) или водные растворы фосфатов. Обычно в фосфатных вяжущих используют растворы следующих фосфатов: Аl(H2РО4)3, А12(НРO4)3, AlPO4 — алюмофосфатные связки, (А1, Сr)2 (НРO4)3— алюмохромофосфатная связка, Mg(Н2РO4)2 — магнийфосфатная связка, Са(Н2РO4)2 —кальцийфосфатная связка, (NаРO3), — полифосфат натрия, Na5P3O10 — триполифосфат натрия. Кроме этих основных солей, используют технические смеси ортофосфорной кислоты с глиной (глинистофосфатная связка), с доломитом (доломитофосфатная связка) и др.
4. Сульфатно-хлоридные вяжущие — это дисперсные смеси, в которых дисперсная фаза представлена преимущественно магнезиальными цементами, а дисперсионная среда — сульфатами или хлоридами магния, железа и алюминия. Кроме этих соединений, могут быть использованы отработанные растворы травильных ванн.
5. Органические вяжущие — дисперсные системы, в которых дисперсная фаза представлена различными огнеупорными цементами, а дисперсионная среда — органическими соединениями — термореактивными смолами, пеками, СДБ и др.
Возможны комбинированные вяжущие, состоящие из смесей различных цементов и химических связок.