Огнеупорные бетоны на жидком стекле

В бетоне на жидком стекле вяжущим является водный раствор сили­ката натрия при Na₂O* nSiO₂ * mH₂O, который в результате физико-химического взаимодействия с кремнефтористым натрием или другими до­бавками (реагентами твердения) разлагается с выделением Si(0H)₄, коагулирует и склеивает между собой зерна заполнителей в монолитный конгломерат. Жидкое стекло обладает высокими адгезионными свойст­вами по отношению ко всем материалам, применяющимся в огнеупор­ной промышленности. Его клеящая способность в 3—5 раза выше, чем цементов, что обеспечивает получение на его основе высококачествен­ных жаростойких бетонов.

В отличие от бетонов на гидравлических вяжущих твердение бетона происходит не в результате гидратации минералов, а в результате образо­вания коллоидного клея Si (ОН) ₄, который приобретает максимальную прочность после высушивания и перекристаллизации в Si0₂ с выделе­нием воды. Бетон твердеет в воздушно-сухих условиях при температуре воздуха не ниже 15 °С. При более низких температурах процесс тверде­ния практически не происходит наиболее благоприятные температуры твердения 25—50 °С. Наиболее удовлетворительными свойствами обладает жидкое стекло, в котором кремнеземистый модуль (молярное отношение SiO₂ и Na₂O) колеблется в пределах от 2,5 до 3. Кремнеземистый модуль называется также модулем стекла. Процесс схваты­вания и твердения бетона происходит только в момент выделения кремнегеля из коллоидного раствора:

Схватывание и твердение бетонов на жидком стекле с добавкой кремнефтористого натрия или других реагентов твердения представ­ляет собой сложный коллоидно-адсорбционный процесс, обусловленный коллоидно-химическим взаимодействием реагента твердения со щелоч­ным силикатом натрия. В упрощенном виде химическое взаимодействие кремнефтористого натрия со щелочным силикатом натрия, у которого силикатный модуль равен двум, можно выразить следующей схемой:

Na₂SiF₆+ 2 (Na₂ О* 2SiO₂) + 10Н₂О = 5Si (ОН) ₄+ 6NaF;

Кремнефтористый натрий вследствие малой растворимости в воде (0,6 %) реагирует с жидким стеклом медленно.

Процесс схватывания и твердения в зависимости от количества добавляемого кремнефторида, от температуры и модуля жидкого стекла на­чинается через 30—60 мин. В течение этого времени свежеприготовлен­ная масса достаточно пластична и хорошо формуется. Количество кремнефтористого натрия должно обеспечивать нормальные сроки схватывания и твердения бетона, а также необходимую прочность бетона к моменту распалубки. При этом не следует забывать, что кремнефтористый натрий является сильно действующим плавнем, понижающим огнеупорные свойства бетонов на жидком стекле.

Кроме кремнефтористого натрия для твердения бетона на жидком стекле иногда применяют нефелиновый шлам, феррохромовые шлаки, обожженный серпентинит, который применяется также как заполнитель, обеспечивающий получение огнеупорного бетона с более быстрыми сроками твердения (10—30 мин.).

При нагревании затвердевшего жидкого стекла с добавкой кремнефтористого натрия, основная часть влаги (80 %) удаляется при 100 °С, при нагревании до 200 °С удаляется еще 12 % влаги. Остатки влаги (8 %) удаляются при нагревании до 300 °С, вследствие обезвоживания гелия кремниевой кислоты при кристаллизации Si0₂. В результате удаления влаги в бетоне наблюдается усадка, которая при правильном подборе состава бетона не превышает 0,8 %, а при применении бетона с тонкомо­лотым магнезитом 0,25 %.

Нагревание до 800—900 °С приводит к частичному спеканию бетона. При введении огнеупорных тонкомолотых добавок спекание бетона происходит при более высоких температурах, его огнеупорность воз­растает.

Для приготовления тонкомолотых добавок используют шамот, маг­незит, хромит, хромомагнезит, кварц, дунит, серпентинит, тальк, анде­зит, диабаз и т.п. Степень измельчения всех видов добавок должна быть такой, чтобы через сито 0,09 мм (4900 отв/см²) проходило не менее 50 % массы материала.

Выбор того или иного вида добавки зависит от требуемой огнеупор­ности бетона и условий службы футеровки. Применение тонкомолото­го магнезита и хромомагнезита в наибольшей степени повышает огнеу­порность.

Чем меньше плотность жидкого стекла, тем ниже прочность бетона, например, при использовании жидкого стекла плотностью 1,25 предел прочности составляет всего 50 % от прочности при сжатии высушенного бетона (25—30 Н/мм²), приготовленного на жидком стекле плотностью 1,36 г/см³.

При увеличении расхода жидкого стекла увеличивается количество воды в бетоне, в результате чего повышается его пористость, а проч­ность снижается. Так, при увеличении содержания жидкого стекла с 400 до 500 кг на 1 м³ бетона прочность при сжатии снижается пропор­ционально содержанию Na₂O.

В результате обжига прочность бетона при сжатии изменяется незна­чительно по сравнению с прочностью высушенного бетона. Нагревание до 300—400 °С вызывает упрочнение его структуры за счет обезвожива­ния геля; при 400—600 °С наблюдается некоторые снижение прочности; с повышением температуры до 800—1000 °С прочность для большинства составов не изменяется или несколько повышается.

Виды тонкомолотых добавок влияют на прочность бетона при нагре­вании. Она наиболее высокая у бетона с тонкомолотой магнезитовой и шамотной добавками. Добавка тонкомолотого кварцита значительно снижает прочность вследствие его модификационного превращения при 575 °С.

Большое влияние на прочность бетона оказывают степень и методы его уплотнения. Для обеспечения подвижности бетона при уплотнении вибрированием в бетон с шамотными заполнителями необходимо вводить не менее 16 % жидкого стекла от общей массы бетона. Умень­шить расход жидкого стекла при этом методе уплотнения нельзя, так как бетон имеет большую вязкость и не уплотняется вибрированием.

Для получения высокопрочного безусадочного бетона с содержанием жидкого стекла 10—14 % необходимо применять трамбование пневматическими трамбовками. При этом крупность заполнителя в бетоне не должна превышать 5 мм, так как укрупнение приводит к измельче­нию трамбовкой и снижению прочности бетона.

При применении трамбования полусухих смесей предел прочности при сжатии бетона на жидком стекле увеличивается в 1,5—2 раза. При этом усадка в процессе сушки и нагревания почти не наблюдается, это имеет большое значение при футеровке индукционных плавильных печей для плавки алюминия.

Увеличение содержания кремнефтористого натрия в бетоне снижает огнеупорность и прочность при высоких температурах, так как он является сильным плавнем.

Наибольшую температуру применения имеет бетон на жидком стекле с тонкомолотой добавкой и заполнителями из боя магнезитового кирпича (1300—1400 °С). Такой бетон начинает размягчаться под наг­рузкой 0,2 Н/мм² при 1250-1300 °С и разрушается при 1400-1450 °С.

Широкое применение в индукционных печах для плавки алюминия получил бетон на жидком стекле с тонкомолотым магнезитом и шамот­ными заполнителями. Этот бетон имеет высокую термостойкость и устойчив против восстановительного действия расплава алюминия благодаря тому, что шамотные зерна в этом бетоне покрыты оболочкой магнезитового цементного камня.