Раздел 4 строительные материалы специального назначения

Эти материалы предназначены для выполнения специальных задач в сооружениях различного назначения. Такие материалы работают при высоких температурах в печах и других агрегатах, эксплуатируются в условиях повышенной химической активности, где велико влияние различных агрессивных веществ, применяются в местах воздействия радиации и т.д. Как правило, помимо своего основного назначения эти материалы являются несущими элементами в сооружениях.

4.1. Общие сведения и разновидности жаростойких материалов

4.1.1. Общие сведения

Кардинальное ускорение темпов промышленного производства черной металлургии, топливной энергетики привело к развитию производства специальных строительных материалов, в том числе и жаростойких.

Под жаростойкостью понимают комплексное свойство строительных материалов, характеризующее способность противостоять воздействию высоких температур до 1000 ⁰С без потери прочности в результате химического разрушения. Указанными выше свойствами обладают специальные жаростойкие металлы и сплавы, бетоны, керамические материалы и изделия.

4.1.2. Основные виды жаростойких материалов и изделий

Жаростойкие материалы и изделия на основе природных каменных материалов применяют в виде камней правильной формы и фасонных плит (гладких и рифленых), щебня и песка для бетонов и растворов, а также тонкомолотых порошков для мастик, замазок, шпатлевок и т.п.

Для материалов и изделий, работающих в условиях высоких температур, используют базальт, диабаз, андезит, туф и др.

Кирпич для дымовых труб изготавливают из глины и добавок. Марки кирпича по прочности – от М125 до М300. По форме кирпич бывает прямоугольный и клинообразный. Его длина 120 и 250 мм, ширина 120 или 250 мм, толщина 65 или 88 мм. Водопоглощение кирпича должно быть не более 6 %, а морозостойкость 25, 35 и 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Такой кирпич применяют для кладки дымовых труб и обмуровки промышленных труб в случае, если температура нагрева их дымовыми газами не превышает 700 ⁰С.

Глиноземистый цемент (ГЦ) – жаростойкое быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера, содержащего преимущественно низкоосновные алюминаты кальция (80…85 %).

Сырьем для производства глиноземистого цемента служит известняк CaCO₃ и породы, содержащие глинозем Al₂O₃·nH₂O, например, бокситы, алюминиевые шлаки и др.

Глиноземистый цемент изготовляют плавлением сырьевой смеси в электрических печах, вагранках при температуре выше 1500 ⁰С. Клинкер, получаемый после обжига, обладает большой твердостью. Поэтому глиноземистый цемент трудно размалывается, требует высокого расхода электроэнергии, что обуславливает его высокую стоимость.

Глиноземистый цемент обладает высокой прочностью только в том случае, если он твердеет при умеренных температурах, не выше 25 ⁰С. Твердение сопровождается значительным выделением теплоты. Поэтому его нельзя применять в массивных конструкциях, подвергать тепловлажностной обработке, использовать в щелочных средах и смешивать с известью или ПЦ.

Глиноземистый цемент имеет марки 400, 500 и 600, которые определяются по результатам испытания образцов в 3-суточном возрасте.

Конструкции на глиноземистом цементе морозостойки, более стойки к коррозии, чем на портландцементе, обладают высокой жаростойкостью.

С учетом значительной стоимости глиноземистого цемента его выпускают в сравнительно небольших количествах (1 % от общего выпуска цемента). Применяют ГЦ при возведении бетонных конструкций, которые необходимо быстро ввести в эксплуатацию, для срочных аварийных и ремонтных работ, а также для тампонирования нефтяных и газовых скважин, футеровки шахтных колодцев и тоннелей. ГЦ используют также для получения расширяющих цементов.

Жаростойкий бетон предназначается для промышленных агрегатов (облицовки котлов, футеровки печей) и строительных конструкций, подверженных нагреванию (например, дымовые трубы) [17, 18].

Известно, что при действии на цементный камень высокой температуры происходит дегидратация Ca(OH)₂ и разложение гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. Оксид кальция СаО при воздействии влаги гидратируется с увеличением объема и вызывает растрескивание бетонных конструкций. Для придания бетону необходимой стойкости к действию высоких температур в его состав вводят тонкодисперсные добавки, содержащие активный кремнезем SiO₂, который способен связывать окись кальция при температуре 700…900 ⁰С благодаря реакциям в твердом состоянии.

В качестве тонкомолотой добавки применяют пемзу, золу ТЭС, шамот, доменный гранулированный шлак и др.

В жаростойких бетонах в качестве вяжущих используют портландцемент с активными минеральными добавками; шлакопортландцемент, который уже содержит добавку доменного гранулированного шлака и может успешно применяться при температурах до 700 ⁰С; жидкое стекло, которое целесообразно использовать в условиях кислой коррозии при температурах до 1000 ⁰С. Эффективно использовать глиноземистый и высокоглиноземистый (с содержанием глинозема 65…80 %) цементы, поскольку при их твердении не образуется гидроксид кальция. Также применяют фосфатные и алюмофосфатные связующие: фосфорную кислоту H₃PO₄, алюмофосфаты Al(H₂PO₄)₃ и магнийфосфаты Mg(H₂PO₄)₂. Они выдерживают нагревание до температуры 1700 ⁰С, имеют небольшую огневую усадку, термически стойки.

Заполнитель для жаростойкого бетона должен быть не только стойким при высоких температурах, но и обладать равномерным температурным расширением. Для этих целей применяют бескварцевые изверженные горные породы как плотного строения (сиенит, диорит, диабаз, габбро), так и пористого (пемза, вулканические туфы, пеплы) при температурах до 700 ⁰С. Для бетона, эксплуатируемого при температурах 700…900 ⁰С, целесообразно применять бой обычного керамического кирпича и доменные шлаки с модулем основности не более 1. При более высоких температурах заполнителем служат огнеупорные материалы: кусковой шамот, хромитовая руда, бой шамотных, хроммагнезиальных и других огнеупорных изделий. В табл. 4.1. представлены примерные составы жаростойких бетонов на портландцементе [17].

Таблица 4.1

Примерные составы жаростойких бетонов на портландцементе

Заполнитель		Ориентировочное количество материалов на 1 м3 бетона, кг					Средняя плотность, кг/м3
Щебень + песок	Тонкомолотая добавка	цемент	тонкомолотая добавка	песок	щебень	вода
Андезитовый, базальтовый, диоритовый, диабазовый	-	350	-	950	950	150	2400
Отходы доменного шлака	-	350	-	1000	1000	150	2500
Андезитовый, базальтовый, диоритовый, диабазовый	Зола-уноса, пемза и др.	350	120	850	900	180	2400
Отходы доменного шлака	Зола-уноса, пемза и др.	350	120	900	1000	130	2500
Шамотный	Шамот	350	120	650	700	-	1900
Шамотный	Хромит	350	700	500	500	250	2200
Хромомагнезитовый	-	350	600	900	950	200	2800
Магнезитовый	-	300	600	750	850	200	2600
Хромитовый	-	300	600	900	1100	180	3000

Легкий жаростойкий бетон изготавливают с применением пористых заполнителей, выдерживающих действие высоких температур (700…1000 ⁰С): керамзит, вермикулит, вспученный перлит, вулканический туф и др. Средняя плотность легкого жаростойкого бетона менее 2100 кг/м³.

Ячеистый жаростойкий бетон отличается средней плотностью (500…1200 кг/м³) и малой теплопроводностью.

Тяжелый, легкий и ячеистый жаростойкие бетоны широко применяют в различных отраслях промышленности: энергетической, черной и цветной металлургии, в химической, нефтеперерабатывающей, в производстве строительных материалов; для футеровки печей, котлов, устройства дымовых каналов, труб [17, 18].