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.