Свойства жаростойкого бетона на алюмохромфосфатной связки

АННОТАЦИЯ

Проведено исследование с целью разработки составов высокоогнеупорного бетона на алюмохромфосфатной связке, обладающей более низкой температурой твердения, улучшенными термическими свойствами и определены условия образования стабильной алюмохромфосфатной связки в зависимости от состава бетона.

ABSTRACT

It is passed a research with the aim of working composition high-not-hardly concrete on the alumochromophosphate bounding which have more lower temperature, better thermal properties and defining condition building standard monochrome bounding on the depend from the chemical composition of concrete.

Ключевое слова: бетон, корунд, циркон, ортофосфорная кислота, шлак, коррозия, помол, температура деформации, процесс твердения, тепловая обработка, компонент.

Keywords: concrete, corundum, art phosphor acid, slack, corrosion, grinding, temperature of deformation, process of solid, warm cultivation, component.

Введение. Известно, что остаточная прочность жаростойкого бетона на ортофосфатной кислоте составляет обычно 100% и не разупрочнаяется при нагревании основным преимуществом этого вида жаростойкого бетона является то, что он практически не дает усадок при эксплуатации. Кроме того, ортофосфорная кислота пассивирует металл. Все это создает весьма благоприятные условия для производства жаростойкого железобетона, способного выдержать температуру до 1800 ⁰С. Марочная прочность жаростойкого бетона на ортофосфорной кислоте и корундовом заполнителе составляет 70 МПа. Такой бетон может быть использован для футеровки окон газозаборных шахт, а также их участок от узла подачи топлива до мелющего вентилятора. Особое внимание уделяется повышенным требованиям по образивустойчивости [1,2].

Существенным недостатком этого вида жаростойкого бетона является то, что для обеспечения процесса твердения необходима тепловая обработка при температуре около 300 ⁰С. В условиях монтажной площадки проведение тепловой обработки бетона практически не выполнимо, поэтому из укрупненные элементы в виде блоков или щитов жаростойкого бетона на ортофосфорной кислоте целесообразно централизованно изготовлять на специально оборудованных полигонах с последующей их транспортировкой на монтажные площадки.

Объект исследования. Проведены исследования с целью разработки составов высокоогнеупорного бетона на алюмохроматной связке (АХФС), обладающей более низкой температурой твердения и лучшими свойствами, чем высокоогнеупорный бетон на алюмофосфатной связке с корундовым заполнителем. В бетоне для получения связки использовали специально синтезированный при 1300 ⁰С хромоглиноземистьый шлак на основе реактивного оксида хрома и отработанного актированного оксида алюминия [3,4,5]. Химический состав данного шлака, в %: Al₂O₃ – 81,0 Cr₂O₃ – 15,0 заполнителем служил этот же шлак.

Известно, что при реакции Al₂O₃ с затворителем бетонной смеси – ортофосфорной кислотой – образуется стабильная связка при 500 ⁰С, Cr₂O₃ реагирует с ортофосфорной кислотой при более низких температурах. Наличие в составе хромоглиноземистого шлака одновременно оксида алюминия и оксида хрома позволяет получить при реакции с H₃PO₄ высокоогнеупорную АХФ связку, которая стабилизируется при 100 ⁰С.

Результаты исследования вяжущи свойств фосфатных связок на основе хрома проявляются только при нагреве до температуры до 100 – 400 ⁰С.

Сроки схватывания фосфатных связок холодного отверждения можно регулировать путем изменения удельной поверхности твердого компонента (изменение крупности его помола), реакционной активности поверхности зерен твердого компонента (например, путем термической или химической обработки), предварительной нейтрализации жидкого компонента.

Наиболее распространенными фосфатными связками являются выпускаемые промышленностью водные растворы фосфата алюминия и алюмохромофосфата. Алюмофосфаты нетоксичны, на кожу оказывают менее вредное воздействие, чем жидкое стекло и могут длительное время хранится в герметичной таре.

Твердение жидких фосфатных связок происходит за счет их высыхания и последующих полимеризации и конденсации или за счет введения инициаторов твердения, реагирующих с имеющейся в составе связки кислотной группы. При этом образуются труднорастворимые соединения.

Характерной особенностью фосфатных связок является повышение их прочности с увеличением температуры нагрева.

Как известно, жаростойкий бетон на алюмохромфосфатной связке и цирконовом заполнителе может применятся при температуре не более 1500 ⁰С. Особенностью этого вида бетона является его несмачиваемость основными и слабокислыми шлаками. Поэтому он может быть эффективно использован для футеровки подов топок котлов и жидким шлакоудалением. В отличие от жаростойких бетонов на ортофосфорной кислоте бетоны на АХФС более технологичны, так как для обеспечения монтажной прочности конструкций из этих бетонов не обязательно производить тепловую обработку. Они могут твердить при комнатной температуре (выше 15 ⁰С), если в качестве инициатора твердения вводить в состав бетонной смеси определенные химические добавки, не ухудшающие эксплуатационные свойства бетона (не приводящие к коррозии арматуры, к снижению прочности бетона при нагревании). Были определены условия образования стабильной АХФС в зависимости от состава бетона. Исследования проводили на образцах двух составов с кислотой 30 и 70 % - ной концентрации. Условия твердения бетонной смеси: хранение в естественных условиях в течение 3,7 и 28 суток и пропаривание при 80 ⁰С в течение 16 часов. Для всех образцов размером 70×70×70 мм был определен предел прочности при сжатии. Результаты испытаний показали, что бетон, в состав смеси которого входит кислота 30 % концентрации, твердость и приобретает стабильную связку в естественных условиях. С увеличением длительности выдержки образцов на воздухе прочность бетона повышалась: после 3 суток – 10 МПа, после 7 суток – 14 МПа и после 28 суток – 18 МПа. Следует отметить, что образцы после термической обработки при 100 ⁰С имели одинаковую прочность. Бетон, подвергнутый пропариванию, имел такую же прочность – 16 МПа.

Состав бетона с 70 %-ная кислотой имел прочность после термической обработки 45 МПа, а после пропаривания – более 65 МПа.

Таким образом, установлено, что пропаривание бетона, в состав которого входит 70 %-ная кислота, допустимо и в ряде случаев, целесообразно.

При разработке оптимального состава высокоогнеупорного бетона с применением хромоглиноземистого шлака было определено влияние на физико–механические характеристики и температуру образования стабильной АХФС в бетоне таких факторов, как тонкость помола шлака, концентрация и расход кислоты, соотношение между тонкомолотым шлаком и заполнителем, а также соотношение между мелким и крупным заполнителями.

С увеличением степени измельчения тонкомолотого шлака реакционная способность его с ортофосфорной кислотой повышается. Это проводит, с одной стороны, к увеличению количества связки и упрочнению бетона, а, с другой к вспучиванию бетонной смеси и разрыхлению структуры бетона. Были исследованы составы с тонкомолотым шлаком со следующей степенью измельчения: 60,85 и 95 % прохода его сквозь сито № 009. Изготовленные образцы 70×70×70 мм подвергали термической обработке при различных температурах в течение 1 ч. Критерием стабилизации связки служила устойчивость ее в воздушно – влажных условиях или в кипящей воде. Образцы со стабильной связкой подвергали испытанию на прочность. Результаты испытаний бетона с тонкомолотым шлаком характеризующимся проходом сквозь сито № 009 в количестве 60 %, приведены в таблице 1.

Из полученных данных видно, что стабильная связка в бетоне образуется уже при температуре 80 ⁰С. После выдерживания образцов в кипящей воде их прочность увеличивается. С повышением температуры термообработка прочность образцов возрастает. Это свидетельствует о том, что при 80-100 ⁰С процесс образования стабильной связки не закончен и продолжается с ростом температуры. Последующие испытания показали, что в составе с тонкомолотым шлаком – проход сквозь сито № 009 в количестве 85 % - стабильная связка при 50 ⁰С образуется в течение 16 часов, при 80 ⁰С – в течение 4 часов и при 100 ⁰С – в течение 1 часа. Прочность после термообработки и последующей выдержки над водой соответственно составила при 80 ⁰С 30 МПа, при 100 ⁰С 36 МПа.

Определяли влияние тонкости помола шлака на прочность бетона после нагревания его до 100,300,500,800,1300 ⁰С, а также на температуру деформации под нагрузкой 0,02 МПа. Результаты испытаний показали, что наибольшей прочностью во всем интервале температур обладает состав бетона с тонкомолотым шлаком, характеризующимся проходом сквозь сито № 009 в количестве 85 %. Предел прочности при сжатии бетона после термообработки составил 60 МПа и не уменьшился во всём интервале температур до 1300 ⁰С.

Таблица 1.

 Прочность бетона на фосфатной связке с хромоглиноземистым шлаком в зависимости от температуры термообработки

*Термообработка в течение 3 часов

Предел прочности при сжатии бетона со шлаком более грубого помола не превысил 40 МПа, (200 ⁰С) а после 1300 составил 26 МПа. На температуру деформации бетона под нагрузкой тонкость помола шлака влияния не оказывает. Температуры начала размягчения бетона всех составов превысила 1720 ⁰С.

Заключение. Получен высокотемпературный бетон на алюмохромфосфатной связке, обладающей более низкой температурой твердения и лучшими свойствами, чем высокотемпературный бетон с корундовым заполнителем.

Список литературы:

1. Будников П.П., Хорошавин Л.Б. Огнеупорные бетоны на фосфатных связках. М. Металлургия 1971г. 192 с.
2. Голынко – Вольфсон С.П., Сычев М.М. Химические основы технологии и применения фосфатных связок и покрытий. Л.Химия 1968.320с.
3. Жалилов А., Шамадинова Н.Э., Атакузиев Т.А. Разработка алюмофосфатных клеев–цементов и изучение свойств композиции Al₂O₃*_-Cr₂O₃-фосфатного связующего с глинистой добавкой//Узб.хим.жур.3/2011, 25-29 с.
4. Шамадинова Н.Э., Жалилов А., Атакузиев Т.А. Алюмофосфатные клеи-цементы на основе отработанного активированного оксида алюминия// Химия и химическая технология 2/2012,21-24с.
5. Шамадинова Н.Э., Жалилов А., Атакузиев Т.А. Свойства композиции на основе отработанного активированного оксида алюминия// Химия и химическая технология 3/2012,28-31с.