Фибробетон, устойчивый к воздействию высоких температур



Как известно, влияние высокой температуры приводит к значительным изменениям прочности, трещиностойкости и в конечном итоге срока службы бетонов, применяемых в конструкциях теплотехнических сооружений. До настоящего времени подбор оптимальных составов жаростойких бетонов производили исходя из необходимости обеспечения остаточной прочности бетона на сжатие не менее 30 % после его нагрева при температуре 800°C. Однако в реальных условиях эксплуатации при действии высокой температуры и нагрузки бетоны с одинаковой прочностью на сжатие могут иметь различные показатели прочности на растяжение при изгибе, трещиностойкости и долговечности, что необходимо учитывать при выборе вида и состава бетона.

С целью повышения показателей прочности на сжатие и растяжение при изгибе был разработан состав легкого жаростойкого фибробетона [1], не требующего тепловой обработки. По сравнению с известными бетонами, предлагаемый состав при сохранении высоких жаростойких свойств обладает малой плотностью и достаточно высокой прочностью, особенно на растяжение при изгибе. Созданная с помощью газообразователей пористая структура бетона отличается прочными перегородками пор, образованными в результате использования глиноземистого шлака и сернокислого шлама, взаимодействующими с ортофосфорной кислотой и алюминиевой пудрой. Сернокислый шлам представляет собой продукт, образующийся травлением окалины при производстве стальных труб серной кислотой с последующей нейтрализацией известняком. Полученный при этом отход в виде шлама не находил применения и в больших количествах вывозился в отвал, ухудшая экологическое состояние в регионе. Химический состав шлама: Fe₂O₃ — (10–15) %; MgO — (3–5) %; SiO₂ — (7,0–7,3) %; CaSO₄ — (25–30) %; Cr₂O_3–1 %; CaF₂ — (25–30) % и др. Содержание в шламе оксидов Si, Cr, Mg и Fe является положительным фактором для применения в огнеупорных смесях, так как фосфатные системы H₃PO₄, содержащие эти катионы, обладают высокими прочностными и жаростойкими свойствами. Содержащийся в сернокислом шламе сернокислый кальций (до 30 %) взаимодействует с ортофосфорной кислотой по реакции:

В результате образовавшаяся серная кислота взаимодействует с находящейся в смеси алюминиевой пудрой по реакции:

Образовавшиеся соединения Al₂(SO₄)₃, Al(OH)₃, а также полученные в результате аналогичного взаимодействия алюминиевой пудры с ортофосфорной кислотой Al(H₂PO₄)₃ обеспечивают быстрый набор прочности.

Снижение плотности полученных изделий происходит за счет выделения водорода и применения вспученного вермикулитового песка фракции (0–5) мм, который отличается по сравнению с керамзитом значительно меньшей плотностью при сохранении высоких жаростойких свойств.

В отличие от известных легких жаростойких бетонов предлагаемая сырьевая смесь для производства легкого жаростойкого фибробетона, включающая алюминиевую пудру, ортофосфорную кислоту 60 %-ной концентрации, глиноземистый шлак, сернокислый шлам, вермикулит, дополнительно содержит фибровые волокна из проволоки «Хромель Т» (относительная длина — 60).

Сырьевая смесь после затвердевания может применяться в конструкциях теплотехнических сооружений, испытывающих помимо сжимающих значительные растягивающие напряжения. Для повышения сопротивления сжатию и растяжению в сырьевую смесь вводили металлические волокна-фибры, способные воспринимать на себя большие сжимающие и особенно растягивающие нагрузки. Проволока из сплава НХ 9,5 «Хромель Т», применяемая для изготовления термопар и содержащая в своем составе 8–10 % хрома и 90–92 % никеля, характеризуется большой прочностью на растяжение (до 500 МПа) и высокими огнеупорными свойствами. Сохранение заданной плотности полученных изделий в сопоставлении с известными составами [2] обеспечивается тем, что в предлагаемой сырьевой смеси увеличено количество вермикулита фракции 0–5 мм, при этом уменьшено количество глиноземистого шлака, отличающегося повышенной плотностью.
Таким образом, введение в сырьевую смесь металлических волокон-фибр, выполненных из проволоки НХ 9,5 «Хромель Т», а также увеличение расхода легкого наполнителя — вермикулита — при одновременном снижении количества более плотного глиноземистого шлака обеспечивает получение быстротвердеющей смеси повышенной прочности на сжатие и растяжение при сохранении малой плотности, высокой жаростойкости и времени отверждения.

Сырьевую смесь готовят в следующей последовательности.

К сернокислому шламу добавляют ортофосфорную кислоту 60 %-ной концентрации в количестве 32 % от общего объема и перемешивают в течение 1–2 мин. Отдельно приготавливают сухую смесь, состоящую из алюминиевой пудры, глиноземистого шлака, вермикулита фракции 0–5 мм и металлических волокон-фибр диаметром 0,5 мм и длиной 30 мм. Время перемешивания обусловлено равномерным распределением фибр в смеси и составляет 2–4 мин. Подготовленные в разных емкостях указанные смеси соединяют и затворяют оставшимся количеством (68 %) ортофосфорной кислоты 60 %-ной концентрации. Полученную сырьевую смесь интенсивно перемешивают до начала бурного тепловыделения и формуют в изделие. Скорость затвердевания смеси составляет 29–31 мин.

Для сравнения физико-механических свойств предлагаемого фибробетона и известных составов легкого жаростойкого бетона [2] были изготовлены образцы, которые подвергались испытаниям прочности на сжатие и на растяжение, термостойкости, усадки, деформации под нагрузкой и др. [3, 4]. Результаты испытаний приведены в таблице.

Анализ представленных в таблице данных показывает, что введение в сырьевую смесь металлических волокон-фибр из сплава «Хромель Т», имеющего высокие огнеупорные свойства, при указанных соотношениях входящих в нее компонентов способствует, согласно составу № 3, увеличению прочности на сжатие в 1,4 раза, а прочности на растяжение — в 2,1 раза при сохранении средней плотности изделий и одинаковом по сравнению с известным составом [2] времени отверждения.

Наличие данных о физической структуре легкого жаростойкого фибробетона, его сопротивление зарождению и подрастанию трещин при различных условиях внешней среды позволяет перейти к количественной оценке трещиностойкости. Применительно к условиям эксплуатации испытания проводились в нагретом состоянии при температурах 110, 300 и 800°С.

Таблица 1

Физико-механические свойства предлагаемых составов легкого жаростойкого фибробетона

Свойства легкого жаростойкого фибробетона	Известный состав [2]	Составы сырьевой смеси
		1	2	3
Время отверждения, мин.	28–30	29	30	31
Прочность на сжатие, МПа	2,2–3,2	3,91	4,15	4,53
Прочность на растяжение, МПа	0,32–0,87	1,18	1,29	1,84
Средняя плотность, г/см	0,53–0,64	0,58	0,62	0,64
Класс бетона по предельно допустимой температуре применения	И8 (Т=800°С)	И8	И8	И8
Остаточная прочность после нагрева до температуры 800°С, %	62–67	75	75	78
Термостойкость при 800°С, воздушные теплосмены	35–38	40	41	41
Температура 4 %-ной деформации под нагрузкой, °С	800	1200	1200	1200
Предельное значение усадки после нагрева до предельно допустимой температуры применения, %	1,8–2	1,8	1,7	1,62

Анализ результатов испытаний показал, что при нагреве легкого фибробетона от 20°С до 800°С параметр прочности Rbtf снизился на 8 % при одновременном уменьшении показателя трещиностойкости на 15 %. Такое незначительное снижение вышеуказанных параметров связано со структурой фибробетона. При нагреве до 800°С общая пористость уменьшилась на 3 % при незначительном перераспределении объемов пор по размерам. Использование огнеупорных заполнителей из глиноземистого шлака и сернокислого шлама способствовало стабилизации структуры фибробетона и постоянству его механических характеристик.

В проведенных дополнительно испытаниях установлена критическая температура (1500°С) применения предлагаемого состава легкого жаростойкого бетона, при которой потеря прочности составляет 70 % от начального значения по сравнению с прочностью при 20°С.

Применение разработанных составов легкого жаростойкого фибробетона позволит повысить прочность, трещиностойкость и долговечность (срок службы) конструкций теплотехнических сооружений, снизить себестоимость такого бетона и улучшить экологическую обстановку за счет полного отсутствия тепловой обработки и использования неутилизированных отходов алюминиевого и трубного производств.

Литература:

1. Патент РФ № 2257363. Сырьевая смесь для производства легкого огнеупорного фибробетона / Перфилов В. А., Алаторцева У. В., Агеев Ю. С., Митяев С. П., Тютюрин А. А. Бюлл. № 20, зарег. 20.07.2009 г.

2. Патент РФ № 2257363. Сырьевая смесь для производства легкого огнеупорного бетона / Перфилов В. А., Агеев Ю. С., Тютюрин А. А. Бюлл. № 21, зарег. 27.07.2005 г.

3. ГОСТ 10180–90 (2003). Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам

4. ГОСТ 10180–90 (2003). Бетоны жаростойкие. Технические условия.