Опыт и перспективы расширения объема применения сухих смесей при изготовлении жаростойких бетонов
В статье:
- Рассмотрена специфика технологии производства изделий и конструкций из жаростойкого бетона.
- Выделены основные недостатки производства готовых смесей жаростойких бетонов непосредственно на строительной площадке.
- Аргументирована целесообразность применения сухих смесей жаростойких бетонов для обеспечения надлежащего качества изделий и конструкций.
- Описаны технологические аспекты изготовления готовых к применению смесей на основе полуфабрикатов в условиях строительной площадки.
- Приведены примеры успешного применения жаростойких бетонов, изготовленных из сухих смесей на промышленных объектах Российской Федерации и Казахстана.
Ключевые слова: жаростойкий бетон, сухая смесь, футеровка, теплоизоляция, тепловой агрегат.
Высокотемпературные технологические переделы являются неотъемлемой составляющей работы предприятий в ведущих отраслях промышленности и энергетики [1]. При изготовлении конструкций тепловых агрегатов используют специальные виды материалов, способные воспринимать кратковременное и длительное воздействие повышенных температур, а также резкие температурные перепады, в том числе при одновременном воздействии статических и динамических нагрузок. Такие материалы изготавливаются в виде штучных формованных изделий и неформованных масс [2, 3]. Увеличение доли неформованных материалов является одной из основных тенденций развития промышленности огнеупоров во всем мире, в отдельных странах доля таких материалов на рынке достигает 50% [4]. Применение неформованных масс позволяет получать конструкции любой конфигурации, что не всегда может быть достигнуто при использовании штучных изделий. Кроме того, монтаж мелкоштучных формованных материалов требует высоких затрат ручного труда, а наличие между отдельными элементами кладочных швов, как правило, снижает термомеханические качества всей конструкции [5, 6].
Специфика технологии производства изделий и конструкций из жаростойкого бетона
Отечественный рынок неформованных материалов, используемых при возведении и реконструкции высокотемпературных агрегатов, прежде всего металлургической промышленности, представлен в основном огнеупорными бетонами [7]. Огнеупорные бетоны согласно ГОСТ 28874-2004 «Огнеупоры. Классификация» должны иметь показатель огнеупорности не ниже 1580 °С. По максимальной температуре применения огнеупорные бетоны подразделяются на бетоны для умеренных (1100 °С), средних (1400 °С), высоких (1700 °С) и особо высоких температур (1700 °С). При этом в процессе разработки составов огнеупорных бетонов учитываются и специфические требования металлургии: шлакоустойчивость, стойкость к механическим ударным воздействиям и прочие. Крупными отечественными производителями огнеупорных бетонов являются ООО «Группа Магнезит», ОАО «Динур», ООО «Кералит», ООО «Алитер-Акси», ООО ИЦ АС «Теплострой», ООО «СпецОгнеупорКомплект».
Отдельной группой неформованных материалов, способных работать в среде повышенных температур, являются также жаростойкие бетоны и растворы. В отличие от огнеупорных бетонов и других типов огнеупорных материалов область применения жаростойких бетонов со-гласно ГОСТ 20910-2019 «Бетоны жаростойкие. Технические условия» ограничена диапазоном от 200 до 1800 °С. Основными потребителями жаростойких бетонов являются предприятия энергетической отрасли, нефтеперерабатывающей промышленности, промышленности строительных материалов. В ряде случаев они применяются для устройства крупномасштабных конструкций и сооружений. При условии их эксплуатации в среде повышенных температур наилучшим вариантом является использование технологии монолитного бетонирования.
Недостатки производства готовых смесей жаростойких бетонов непосредственно на строительной площадке
Традиционно смеси для жаростойких бетонов производили непосредственно на строительных площадках. На практике, учитывая специфический набор термомеханических свойств, характеризующих качество жаростойких бетонов, и отсутствие в лабораториях обычных бетонорастворных узлов специализированного оборудования для их определения, производители товарных бетонных смесей не могут самостоятельно гарантировать их достижение. Данная проблема может быть решена за счет применения готовых сухих смесей. Целесообразность применения сухих смесей для изготовления жаростойких бетонов обусловлена спецификой их составов, компонентами которых являются специальные вяжущие, заполнители и наполнители с высокой огнеупорностью, редко применяемые при производстве бетонов общестроительного назначения [8-14].
Целесообразность применения сухих смесей жаростойких бетонов для обеспечения надлежащего качества изделий и конструкций
Основным преимуществом применения готовых сухих смесей для жаростойких бетонов является тот факт, что предприятия-производители сухих строительных смесей, как правило, имеют обширную научно-практическую базу, которая позволяет не только использовать проверенные временем типовые решения, но и разрабатывать на их основе продукцию с уникальными характеристиками по техническому заданию потребителя. Для производства смесей могут быть использованы сырьевые материалы широкой номенклатуры, в том числе сложные специализированные комплексы добавок-модификаторов. При разработке рецептур не только варьируется соотношение сырьевых компонентов, но и учитываются особенности их химического, минерального и гранулометрического составов [15, 16]. Входной контроль качества сырьевых материалов и выходной контроль качества готовой продукции осуществляется квалифицированным персоналом на базе специализированных лабораторий, оснащенных необходимым оборудованием. Процессы транспортировки, приемки и применения сухих смесей в условиях строительной площадки по договоренности могут осуществляться при участии технического надзора, осуществляемого профильными специалистами от компании-производителя. Производитель сухих смесей снабжает всю выпускаемую продукцию документами качества и несет ответственность за ее соответствие всем заявленным в них характеристикам готового продукта.
Технологические аспекты изготовления готовых к применению смесей на основе полуфабрикатов в условиях строительной площадки
Необходимо также учесть технологические аспекты изготовления готовых к применению смесей на основе полуфабрикатов в промышленных объемах. Для обеспечения наиболее качественного монолитного бетонирования крупноформатных конструкций укладку бетонной смеси необходимо проводить непрерывно [17]. Подрядная организация, осуществляющая строительные работы, должна иметь техническую возможность обеспечивать непрерывное изготовление и подачу определенного объема смеси к месту укладки. В зависимости от объемов с этой целью можно использовать автобетоносмесители, мобильные бетоносмесительные комплексы или арендовать оборудование стационарных бетонорастворных узлов, находящихся в непосредственной близости к строительной площадке. При работе с сухими смесями возможно использование обычных бетоносмесительных узлов. В этом случае требуется их доукомплектовать, оборудовав отдельным бункером для готовых сухих смесей, оснащенным тензодатчиками, позволяющими производить дозирование материала по массе, а также шнековым конвейером, направленным непосредственно в бетоносмеситель. Возможным вариантом является применение двухкомпонентных сухих смесей — раздельная фасовка крупного заполнителя и премикса из мелкого заполнителя, вяжущего и тонкодисперсных добавок. Суть этого метода заключается в том, что разделение происходит по материалам, имеющим схожие углы естественного откоса, тогда для их хранения и дозирования допускается применение уже имеющихся на предприятии бункеров, рассчитанных соответственно для хранения заполнителей и вяжущих. Производительность данного комплекса должна обеспечивать выпуск необходимого объема продукта, поставка которого к месту бетонирования будет совпадать с окончанием выработки предыдущей партии смеси.
Сухие смеси для жаростойких бетонов можно использовать для возведения высокотемпературных агрегатов разного назначения. Однако, несмотря на большое количество публикаций, посвященных разработке сухих смесей для получения жаростойкого бетона, в научно-технической литературе, к сожалению, практически не встречаются упоминания об опыте их применения.
Примеры успешного применения жаростойких бетонов, изготовленных из сухих смесей на промышленных объектах Российской Федерации и Казахстана
Интересный проект с применением сухих смесей для получения жаростойких бетонов был реализован при реконструкции теплозащитных покрытий стартовых сооружений на космодроме Байконур (рис. 1). Для данного сооружения использовали двухкомпонентный состав, включающий смесь сухих материалов (молотого шамота, шамотного песка и щебня, феррохромового шлака) и раствор жидкого стекла с добавкой-замедлителем. Добавку применяли для обеспечения надлежащей сохраняемости подвижности бетонной смеси (ОК 20-25 см) в условиях бетонирования при температурах от 10 до 30 °С [18]. Для изготовления готовой к употреблению смеси использовали бетоносмеситель принудительного действия, готовую бетонную смесь подавали в блок бетонирования как через бетононасос, так и с помощью бадьи. Объем затраченной на реконструкцию смеси составил 800м3.
Значительный опыт применения сухих смесей для жаростойких бетонов накоплен институтом «УралНИИстром». Например, сухую смесь производства Опытного завода УралНИИстрома использовали при изготовлении футеровки вращающихся печей, используемых в технологии обжига извести, доломита, коксового орешка и других сыпучих материалов (рис. 2). В процессе монтажа смесь укладывали в барабан печи последовательно по секциям. После окончания схватывания отлитого элемента футеровки барабан печи проворачивали и приступали к укладке бетонной смеси для формования следующей части конструкции. Опыт применения сухих смесей жаростойких бетонов для данного типа оборудования имеют предприятия черной металлургии (для производства флюса), заводы по производству электродов, минеральных вяжущих и огнеупорных порошков (рис. 3). Бетон, используемый для футеровки вращающихся печей, имеет рабочую температуру 1500 °С, предел прочности при сжатии после сушки при 110 °С не менее 80 МПа, термостойкость не менее 20 водяных теплосмен [19].
Жаростойкие бетоны из сухих смесей применяют также для футеровки высокотемпературных реакторов, работающих в условиях агрессивных сред, например для баков плава в содорегенерационных котлах. С этой целью на предприятии «Усть-Илимский ЦБК» был успешно внедрен состав жаростойкого бетона на основе сульфатостойкого портландцемента с шамотом и кварцем в качестве заполнителей, позволяющий получить предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут не менее 50 МПа [20]. Готовая к употреблению смесь была изготовлена на основе сухой смеси сырьевых материалов заводского изготовления.
Другой обособленной группой потребителей жаростойких бетонов являются электростанции. Для сооружений и конструкций теплоэлектроцентралей используют жаростойкие бетоны при возведении футеровок и теплоизоляционных покрытий горелочных устройств и топок (рис. 4, 5).
Теплоизоляционные жаростойкие бетоны применяют также для устройства паровых котлов гидроэлектростанций. Использование в составе бетонных смесей легких огнеупорных заполнителей, таких как вспученный перлит или вспученный вермикулит, позволяет обеспечивать бетонным конструкциям на их основе не только стойкость к повышенным температурам, но и низкую плотность и, как следствие, малую теплопроводность. В работе электростанций это способствует повышению КПД тепловых агрегатов и увеличивает энергоэффективность технологических процессов. Сухие смеси жаростойких бетонов, изготовленных на Опытном заводе УралНИИстрома были использованы для футеровки и теплоизоляции горелочных устройств при реконструкции оборудования Приморской, Владивостокской, Норильской и Ижевской ТЭЦ, а также Усть-Среднеканской ГЭС. Теплоизоляционные покрытия выполняли из жаростойкого бетона на основе вермикулита со средней плотностью 550-650 кг/м3, максимальной темпера турой применения 1050 °C и теплопроводностью не более 0,12 Вт/(м К) [21]. Футеровку горелки с максимальной температурой применения 1400°С выполняли из смесей на основе шамотного заполнителя и глиноземистого цемента, предел прочности полученного жаростойкого бетона при сжатии в возрасте 3 сут составлял не менее 40 МПа [22].
Жаростойкие бетоны могут применяться также при обустройстве конструктивных элементов сооружений, подвергающихся воздействию высоких температур. Для некоторых технологических линий и промышленных агрегатов требуется возведение напольных покрытий и фундаментов из жаростойких бетонов. К бетонам таких конструкций могут предъявляться дополнительные требования к марке по истираемости, морозостойкости, водонепроницаемости. При устройстве таких конструктивных элементов обычно требуются смеси с высокой подвижностью для создания ровных однородных покрытий и/или обеспечения возможности бетонирования густоармированных конструкций. Для фундаментов и напольных покрытий предприятий химической промышленности могут предъявляться дополнительные требования по стойкости материалов к различным агрессивным средам. Например, для возведения высокотемпературного реактора обработки сырьевой смеси серной кислотой с предельной температурой использования 500 °C на базе про-мышленного комплекса крупного производителя химической продукции применяли сухую смесь жаростойкого бетона специально разра-ботанного состава на основе сульфатостойкого цемента (рис. 6, 7).
Подобранный специалистами института «УралНИИстром» комплекс добавок позволил добиться получения бетонной смеси с маркой по удобоукладываемости РК1, а также бетона с классом по прочности на сжатие В30, маркой по морозостойкости F1150, маркой по водонепроницаемости W8, маркой по термостойкости Т140 и классом по предельно допустимой температуре применения И5. В комплексе достигнутые физико-механические характеристики позволяют обеспечить надлежащую долговечность конструкции при достаточно агрессивных условиях эксплуатации даже в случае возникновения аварийных ситуаций. Материал поставляли на строительную площадку в виде смеси сухих сырьевых материалов в заданных соотношениях, упакованной в мягкие контейнеры с полиэтиленовыми вкладышами. Готовую бетонную смесь на основе полуфабриката изготавливали на бетоносмесительном узле, принадлежащем предприятию-заказчику.
Помимо объектов строительства, сухие смеси для получения жаростойких бетонов производства Опытного завода УралНИИстрома также нашли применение на отечественных предприятиях, специализирующихся на серий-ном выпуске бытовых отопительных установок для изготовления отдельных элементов их футеровки. Максимальная температура применения таких жаростойких бетонов составляет 1300°С, в этих условиях усадка не превышает 1,2 %.
Перечисленные преимущества использования сухих смесей жаростойких бетонов, с учетом успешного опыта их применения при изготовлении конструкций и конструктивных элементов высокотемпературных агрегатов, доказывают перспективность расширения данной практики. Вместе с тем возрастает необходимость пересмотра и дополнения нормативно-технической документации, регламентирующей область производства и применения сухих смесей жаростойких бетонов.
Учитывая постоянно расширяющуюся область применения жаростойких бетонов, а также специфику их составов и эксплуатационных характеристик, представляется целесообразным расширить практику применения готовых сухих смесей, производимых на базе специализированных предприятий.
Библиографический список
1. Meier, A. Challenges for the Refractory Future RHI / A. Meier, H. J. Junger, S. Pirker // RHI Bulletin. - 2004. - N 2. - P. 6-10.
2. Пашков, Е. И. Защита теплотехнических агрегатов в агрессивной высокотемпературной среде строительными теплоизоляционными материалами / Е. И. Пашков, М. Б. Пермяков, Т. В. Краснова // Вестник евразийской науки. - 2021. - T. 13, N 2. - C. 30.
3. Пивинский, Ю. Е. Неформованные огнеупоры : справочное издание / Ю. Е. Пивинский. - М. : Тепло-энергетик, 2003. - 448 с.
4. Aksel'rod, L. M. Development of new refractory materials for cement industry rotary kilns / L. M. Aksel' rod, O. N. Pitsik, I. G. Maryas'ev [et al.] // Refract. Ind. Ceram. - 2017. - Vol. 58, N 1. - P. 5-9. https://doi. org/10.1007/s11148-017-0044-9. Аксельрод, Л. М. Разработка новых огнеупорных материалов для вращающихся печей цементной промышленности / Л. М. Аксельрод, о. Н. Пицик, и. Г. Ма-рясев [и др.] // Новые огнеупоры. - 2017. - N 1. - С. 10-14.
5. Хлыстов, А. И. Повышение эффективности жаростойких композитов за счет применения химических связующих / А. И. Хлыстов, С. В. Соколова, А. В. Власов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2012. - N 9. - C. 38-42.
6. Хлыстов, А. И. К вопросу о приготовлении сухих строительных смесей специального назначения / А. И. Хлыстов, В. А. Широков, в. В. Сульдин, д. И. Исаев / Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительные технологии. - 2020. - С. 24-33.
7. Кащеев, И. Д. Технология неформованных огнеупоров : монография / И. Д. Кащеев, К. Г. Земляной. - М., Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 424 с.
8. Ахтямов, Р. Р. Жаростойкий бетон повышенной термостойкости на шлакощелочном вяжущем / Р. Р. Ахтямов // Огнеупоры и техническая керамика. 2010. - No 3. - C. 43-46.
9. Хлыстов, А. И. Высокоглиноземистое шламопо-добное сырье современный комплексный модификатор жаростойких вяжущих и бетонов на их основе / А. И. Хлыстов, М. Н. Баранова, С. В. Соколова, А. В. Власов // Огнеупоры и техническая керамика. - 2018. - No 7/8. - C. 17-24.
10. Абдрахимов, В. 3. Жаростойкий бетон на основе ортофосфорной кислоты, отходов цветной металлургии и химической промышленности / В. 3. Абдрахимов, E. C. Абдрахимова // Construction and geotechnics. - 2021. - T. 12, No 1. - C. 72-85.
11. Титов, М. Применение отходов металлургической промышленности для получения жаростойких бетонов / М. Титов, И. Кузнецова, М. Бейлина, В. Шаба-лин // Бетон и железобетон. - 2022. - N 1. - С. 31-35.
12. Мантуров, З. А. Карборунд-шамот-силикат-натриевое композиционное вяжущее как основа для получения безобжиговых жаростойких теплоизоляционных материалов / 3. А. Мантуров // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - 2011. - T. 23, N 4. - С. 117-126.
13. Абызов, В. А. Жаростойкие бетоны на глиноземистых цементах с тонкомолотыми добавками промышленных отходов / В. А. Абызов, А. К. Абрамов, в. М. Рытвин // Огнеупоры и техническая керамика. - 2010. - N° 7/8. - C. 43-47.
14. Гончарова, М. А. Жаростойкие бетоны из боя шамотных огнеупоров с нанодобавками / М. А. Гончарова, Г. Е. Штефан // Огнеупоры и техническая керамика. - 2014. - N 6. - C. 29-33.
15. Гладких, И. В. Влияние гранулометрического состава огнеупорного заполнителя из техногенного сырья на свойства жаростойкого бетона / И. В. Гладких // Труды НГТУ им. Р. Е. Алексеева. - 2015. - N 4. - C. 159-163.
16. Гаджиев, А. М. Влияние зернового состава заполнителя на свойства жаростойкого базальтового бетона / А. М. Гаджиев, Р. М. Курбанов, г. Н. Хаджиша-лапов, Т. А. Хежев // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - 2017. - T. 44, N 3. - C. 146-155.
17. Шведов, А. П. Разработка организационно-технологической документации на бетонирование массивных фундаментных плит / А. П. Шведов, Н. Л. Шпилевская // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. Строительство. Прикладные науки. - 2018. - N. 8. - C. 49-55.
18. Хлыстов, А. И. Опыт применения жаростойких бетонов в футеровках тепловых агрегатов в машиностроении / А. И. Хлыстов, А. С. Бахчев, А. А. Павлов // Огнеупоры и техническая керамика. C. 45-48.
19. ТУ 1526-008-51489942-2009. Низкоцементная огнеупорная сухая смесь жаропрочного бетона.
20. ТУ 23.20.13-003-72675614-2014. Сухие смеси для огнеупорных бетонов марки «Ucast».
21. ТУ 5767-004-21628872-2002. ССВБ.
22. ТУ 1526-019-72675614-2009. ССШБА, ССШБП, ШБ-Б.
Ахтямов Э. Р. и др. Опыт и перспективы расширения объема применения сухих смесей при изготовлении жаростойких бетонов // Новые огнеупоры. – 2023. – №. 8. – С. 3-8.