УДК 691.332 (Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева Алматы, Республика Казахстан)

УДК 691.332
М.Т. Жугинисов, Е.К. Кушеков
(Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева
Алматы, Республика Казахстан)
ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ СПЕЦИАЛЬНЫХ БЕТОНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ЖИДКОГО СТЕКЛА
Аннотация. Важнейшими задачами в производстве жаростойких бетонов является увеличение сроков
службы тепловых агрегатов и уменьшение себестоимости изделий за счет повышения долговечности и
качества выпускаемых материалов. Обладая высокими физико-техническими и экономическими
показателями, жаростойкие бетоны во многих случаях более эффективны, чем штучные огнеупорные
материалы. В качестве основного вяжущего для производства кислотостойких,
жаростойких и
высокопрочных бетонов и композиций используют жидкие стекла. В статье представлены результаты
научных исследований по разработке составов и технологии кислотостойких и жаростойких бетонов и
изделий на основе природного и техногенного сырья с применением жидкого стекла. Получены
кислотостойкие бетоны, которые используются для футеровки емкостей для хранения различных кислот.
Разработаны технологии жаростойких бетонов с температурой применения 800-1500 оС. Данная статья
является предпосылкой по разработке составов и технологии жаростойких бетонов на основе жидкого
стекла с различными природными и техногенными заполнителями, имеющимися в РК.
Ключевые слова: Жидкое стекло, жаростойкие бетоны, кислотостойкие бетоны, шлак.
Перспективным направлением, отвечающим возросшим эксплуатационным требованиям и
повышению экономической эффективности футеровки тепловых агрегатов предприятий
промышленности строительных материалов, нефтехимической промышленности, черной и
цветной металлургии и др., является совершенствование жаростойких и кислотостойких бетонов,
на основе которых можно изготовить сборные крупноразмерные изделия или монолитные
конструкции. Применение жаростойких бетонов при строительстве и ремонте тепловых агрегатов
дает возможность механизировать производство, снизить их трудоемкость, повысить срок службы
и производительность самих агрегатов.
Важнейшими задачами в производстве жаростойких бетонов является увеличение сроков
службы тепловых агрегатов и уменьшение себестоимости изделий за счет повышения
долговечности и качества выпускаемых материалов. Обладая высокими физико-техническими и
экономическими показателями, жаростойкие бетоны во многих случаях более эффективны, чем
штучные огнеупорные материалы. Исключение предварительного обжига, а в некоторых случаях
и специальной термической обработки дает возможность сократить топливно – энергетические и
трудовые затраты на их производство.
Особенностью технологии жаростойких бетонов является то, что формирование их
структуры происходит не только при твердении в период термообработки или естественного
твердения, но и при нагревании до высоких температур, а также изменяется в процессе
эксплуатации.
В качестве основного вяжущего для производства кислотостойких, жаростойких и
высокопрочных бетонов и композиций используют жидкие стекла. Жидкое стекло представляет
собой водный раствор силикатов щелочных металлов общей формулы Me2О•nSiO2, где Me натрий или калий, n - силикатный модуль (1,5-3,6 для натриевого и 4,0- 4,5 - для калиевого
стекла). Жидкое стекло получают либо растворением кремнеземсодержащего сырья в едких
щелочах при высоких температуре и давлении в течение нескольких часов, либо растворением
растворимого стекла в виде силикат – глыбы в горячей воде под давлением. При изготовлении
жаростойкого и кислотоупорного цемента чаще всего используется натриевое жидкое стекло с
плотностью 1,38-1,42 г/см3 и кремнеземистым модулем 2,2-2,8.
Одним из самых важных свойств жидкого стекла является вяжущая консистенция. Именно
эта особенность продукта сделала его актуальным в разных сферах труда. Подобное свойство
сделало жидкое стекло самозатвердевающим, в процессе затвердевания образуется искусственный
силикатный камень
Твердеет жидкое стекло только на воздухе вследствии выделения и высыхания геля
кремнекислоты под действием углекислоты воздуха по реакции:
Na2SiO3 + CO2 + 2H2O = Si(OH)4 + Na2CO3
Ускоряет твердение жидкого стекла
кремнефтористый натрий. В результате
взаимодействия последнего с жидким стеклом быстро образуется гель кремнекислоты и
фтористый натрий:
Na2SiF6 +2Na2SiO3 + 6H2O = NaF + 3Si(OH)4
Образующийся при этом фтористый натрий мало растворим в воде, поэтому процесс
расщепления силикатов жидкого стекла и выделения геля кремниевой кислоты (клеящего
вещества) ускоряется, что приводит к быстрому твердению системы [1].
Первые исследования по использованию жидкого стекла в технологии строительных
материалов были проведены Глуховским В.Д. [2]. В исследованиях был применен раствор
жидкого стекла с силикатным модулем 2-3,5 в количестве 15-30 % по весу сухого вещества.
В качестве заполнителя автор использовал наиболее легко доступные и дешевые сырьевые
материалы как лесс, супесь, овражный и речной пески. Эксперименты проводились в следующей
последовательности, сначала взвешивались заполнители в определенных соотношениях и в сухую
смесь добавлялась жидкое стекло, затем смесь перемешивали и формовали. Часть образцов
хранилась в естественных условиях, другая часть подверглась сушке при температуре 150-200 оС.
В итоге изделия, приготовленные на жидкостекольном вяжущем без добавок следует подвергать
сушке, так как в процессе сушки с повышением температуры удаляется влага и изделия
твердеют. Полученные образцы изделий имеют прочность при сжатии от 13 до 40 МПа.
В НИИЖБе [3] разработаны кислостойкие бетоны на основе растворимых силикатных
стекол, модифицированных неорганическими и органическими материалами, один из которых
тонкодисперсная силикат-глыба. При разработке составов этих бетонов основное внимание
уделялось модификации вяжущего для снижения кислотопроницаемости, повышению
водощелочестойкости, прочности, снижению усадки и т.п. Бетоны на основе модифицированного
жидкого стекла характеризуются прочностью на сжатие от 25-40 МПа, а высокопрочные до 120
МПа. Коэффициент стойкости их в кислотах составляет от 0,9 до 1,2.
Ганник Н.И [4] работал над созданием жаростойких вяжущих из жидкого стекла, шлака
металлического марганца, электрокорундового шлама, армированных муллитокремнеземистым
волокном и бетонов на их основе. Полученный бетон с плотностью 2000 кг/м3 имеет прочность на
сжатие 18-19 МПа, термическую стойкость - 240 воздушных теплосмен, температуру службы от 1000
до 1100 °С.
С целью повышения стойкости конструкций и изделий в кислых средах Шевчуком В.И. [5]
была разработана технология получения кислотостойкой расширяющейся композиции на основе
жидкого стекла. Структура разработанных композиций является аморфно-кристаллической и
представлена аморфным кремнеземом и кристаллами фторидов и кремнефторидов. Введение
активных добавок (глинозем, алюмотермические шлаки) приводит к повышению степени
поликонденсации и молекулярной массы кремниевых кислот, увеличению содержания
кристаллогидратной воды, снижению размеров новообразований, повышению плотности
материалов. Наиболее эффективны добавки глиноземсодержащих веществ и каолинитовой глины.
Изучением особенностей применения высокомодульного промышленного жидкого стекла для
производства шлакощелочных бетонов занимался Кононов В.П. [6]. В качестве компонентов
шлакощелочных вяжущих в исследованиях использовались доменные гранулированные шлаки,
отличающиеся значениями модулей основности, активности, коэффициентом качества и промышленное
жидкое стекло с Мс = 2,8. В качестве заполнителей использовались гранитный щебень и речной песок.
Для регулирования сроков схватывания вяжущего применялись добавки ПАВ – ЛСТ и ГКЖ – 2.
Установлено, что использование в качестве щелочного компонента высокомодульных жидких стекол
позволяет получить высокомарочные (классов В70, В80) бетоны при условии их тепловлажностной
обработки. Деформации усадки и мера ползучести этих бетонов не превышают нормативных значений
усадочных деформаций для бетонов на основе портландцемента. Полученный бетон на основе жидкого
стекла имеет следующие показатели: прочность при сжатии 82,5-94,5 МПа, призменная прочность 6869,5 МПа, деформация усадки 88·10-5 - 48·10-5, мера ползучести 2,8·10-5-3,9·10-5 МПа.
Разработанный Приходько А.П. жаростойкий бетон на вяжущем из отработанного
синтетического шлака и жидкого стекла, применяется в тепловых агрегатах с температурой 1979 К
[7]. В качестве заполнителя использовался шамот и перлит. Проведенные исследования показали,
что тяжелый и легкий жаростойкий бетоны можно эксплуатировать при сравнительно низких
температурах (573-873 К) только после предварительной термической обработки, а при
температурах выше 873 К предварительная термическая обработка не требуется. Установлено, что
введение шамотного заполнителя в бетоны, сдвигает огнеупорность в зону высоких температур,
чего нельзя сказать о перлите. В то же время увеличение жидкого стекла как и шлака в составах
снижает огнеупорность материала. Повышение содержания жидкого стекла в вяжущем и
увеличение расхода шлака с одновременным уменьшением шамота в тяжелом бетоне в
оптимальных областях снижает температуру начала деформации под нагрузкой на 40 К.
Увеличение расхода жидкого стекла в вяжущем и в легком бетоне увеличивает как усадку с 0,6 до
1 % при первичном нагреве так и термическое расширение с 0,6 до 0,8 % при повторном нагреве.
Установлено что на основе тонкомолотых гранулированных шлаков и низкомодульного жидкого
стекла можно получить высокоактивное вяжущее. При этом в качестве заполнителей допускается
использование нефракционных отходов горно-обогатительного комбината, зол ТЭЦ и других
отвальных пород в основном непригодных для получения конструктивных бетонов на обычных
цементах.
Исследованиями шлакощелочных бетонов и конструкций на растворимом стекле с
использованием отходов горнорудной промышленности занимался Гончаров В.И. [8]. Такие
бетоны по своим физико-механическим свойствам не уступают обычным тяжелым бетонам:
арматурная сталь не подвергается коррозии, морозостойкость не менее 300 циклов, возможно
использование мелкого заполнителя с содержанием глинистых примесей до 20 % без потери
прочности, коэффициент однородности 0,75, истираемость низкая. В результате исследований
получен тяжелый бетон марок 200, 300, 400 и 500 с удовлетворительной деформативностью
конструкций на его основе при кратковременном и длительном действии нагрузок. Установлено,
что на величину деформаций усадки и ползучести шлакощелочного бетона влияет плотность,
применяемого жидкого стекла. Деформации на 25-40 %, больше, чем у соответствующих
деформаций обычных бетонов.
Предложено немало других термостойких композиций из отходов, например:
железохромовый шлак (37%), кварцевый песок (37%) и раствор силиката натрия (26%). Все это
перемешивают, и смесь наносят на поверхность агрегата распылением. Такая футеровка работает
под нагрузкой при температуре до 1270°С, выдерживая при этом 35 температурных перепадов
нагрев - охлаждение.
Одним из перспективных направлений разработки составов жаростойких бетонов является
замена инициатора твердения кремнефтористого натрия (Na2SiF6) менее токсичными и
дорогостоящими веществами. В этом направлении представляет определенный интерес
исследования Тарасовой А.П. [9]. Автором разработаны жаростойкие бетоны на жидком стекле с
температурой применения 1500-1600 оС и прочностью 15-20 МПа. Для получения жаростойкого
бетона в качестве отвердителя были использованы нефелиновый шлам, феррохромовые и
марганцевые шлаки, содержащие двухкальциевый силикат (γ-2СаО·SiO2), в качестве заполнителей
– магнезит, периклазо-шпинелид и хромомагнезит.
Таким образом, в настоящее время выполнены исследования по разработке составов и
технологии жаростойких бетонов на основе жидкого стекла с различными природными,
искусственными и техногенными заполнителями, от огнеупорности которых зависит температура
применения бетонов.
В Казахстане есть природное и техногенное сырье, пригодное для получения жаростойких
бетонов на их основе. Есть значительные запасы кварцитов в Жамбылской, Карагандинской и
Алматинской областях; хромитовых руд в Актюбинской области; бокситов в Павлодарской
области; кварцевых песков в Алматинской, Кзылординской и Актюбинской областях.
В Жамбылской и Южно-Казахстанской областях в отвалах предприятий по производству
фосфора находятся гранулированные и плотные фосфорные шлаки. В отвалах металлургических
заводов Карагандинской области находятся гранулированные доменные шлаки, в г. Актюбинске
на заводе ферросплавов накоплены феррохромовые шлаки.
Золы ТЭС имеются практически во всех регионах республики.
Выше изложенное является предпосылкой для разработки составов и технологии
жаростойких изделий на основе местного природного и техногенного сырья.
ЛИТЕРАТУРА
1. Комар А.Г. Строительные материалы и изделия. М.: Высшая школа,1988. 527 с.
2. Глуховский В.Д. Грунтосиликаты. Киев, 1959, 170 с.
3. Отрепьев В.А., Путляев И.Е. Кислотостойкие бетоны на активных заполнителях и
модифицированном вяжущем //Бетон и железобетон, 1978, №8, С. 8-10.
4. Ганник Н.И. Жаростойкие бетоны на основе жидкого стекла, шлака. Автореф. канд. техн. наук.
Днепропетровск, 1990. 17 с.
5. Шевчук В.И. Разработка составов расширяющихся композиций на основе жидкого стекла.
Автореф. канд. техн. наук: 29.04.90. Харьков: ХАДИ, 1990. 24 с.
6. Кононов В.П. Прочностные и деформативные свойства шлакощелочных высокопрочных бетонов
на основе высокомодульного жидкого стекла. Автореф. канд. техн. наук: 12.04.90. Киев: КИСИ, 1990. 19 с.
7. Приходько А.П., Дибров Г.Д. Жаростойкий бетон на вяжущем из жидкого стекла и
алюмокальциевого (синтетического) шлака //Тез. докл. и сооб. Всес. конф. «Жаростойкий бетон и
железобетон на основе металлургических шлаков, вермикулита и их применение в тепловых агрегатах
промышленности строительных материалов». Челябинск, 1977. - 290 с.
8. Гончаров В.И. Исследование прочностных и деформативных свойств шлакощелочных бетонов и
конструкции на растворимом стекле с использованием отходов горнорудной промышленности. Дис. канд.
тех. наук: 19.10.79. Киев: КИСИ, 1979. – 140 с.
9. Тарасова А.П. Жаростойкие вяжущие на жидком стекле и бетоны на их основе. М.: Стройиздат, 1982. –
133 с.
REFERENCES:
1. Komar A.G. Stroytelnye materially i izdelya M.; Vishaya shkola, 1988. 527 s.
2. Glyhovski V.D. Gruntosilikaty. Kiev, 1959, 170 s
3. Otrepiev V.A., Putliaev I.E. Kislotostoykie betony na aktivnyx zapolnitelyax i modificiroyanom
vazhyshem// Beton i zhelezobeton, 1978, №8, C. 8-10.
4. Gannik N.I. Zharastoykie betoni na osnove zhidkogo stekla, shlaka. Avtoreph. kand. texn. nayk.
Dnepropetrovsk, 1990. 17 s.
5. Sheychuk V.I. Razrabotka sostavov rashiriayshihsia kompozici na osnove zhidkogo stekla. Avtoreph.
kand. texn. nayk: 29.04.90. Xarkov: XADI, 1990. 24 s.
6. Kononov V.P. Prochnostnye i deformativnye svoistva shlakoshelochnyx visokoprochnyx betonov na
osnove visokomodylnogo zhidkogo stekla. Avtoreph. kand. texn. nayk: 12.04.90. Kiev. KISI, 1990. 19 s.
7. Prixodko A.P., Dibrov G.D. Zharastoiki beton na vazhyshem iz zhidkogo stekla i alymokalcevogo
(sinteticheskogo) shlaka. // Tez. dokl i soob. Vses. konf. “Zharostoiki beton i zhelezobeton na osnove metallyrgicheskih
shlakov, vermekulita i ih priminenie v teplovih agregatah promishlenosti stroitelnyh materialov”. Cheliabinsk, 1977. – 290
s.
8. Goncharov V.I. Issledovanie prochnostnyh i deformativnyh svoistv shlakoshelochnyh betonov i
konstrykci na rostvorimom stekle s ispolzovaniem othodov gornorydnoi promishlennosti. Dis. kand. teh. nayk:
19.10.79. Kiev: KISI, 1979. – 140 s.
9. Tarasova A.P. Zharostoikie vazhyshie na zhidkom stekle i betony na ih osnove. M.: Stroiizdat, 1982. –
133 s.
Жугинисов М.Т., Кушеков Е.К.
Cұйық шынының арнаулы бетон технологиясында игерілу сұрағының күйі
Түйіндеме. Мақалада кислотостойких және жаростойких бетонның және бұйымдардың
технологиясындағы сұйық шынының игеру зерттеулердің талдағыш шолуы ұсынылған. Жаростойких және
кислотостойких бетон алу үшін мынадай табиғи материалдар қолданылады: кварциттер, кварц шағылдары,
хром кенні, және де шамот, динас, муллитокорунд сияқты синтетикалық материалдар, сонымен қатар қара
және түсті металлургияның қоқыстары қолданылады. Келтіріліп отырған ғылыми зерттемелер жаростойких
бұйымдарын алу мақсатында РК ның жергілікті шикізат базасын қолдану алғышарты болып есептеледі.
Қазақстанда кислотостойких және жаростойких бетонды алу, табиғи және техногенді шикізат негізінде
болатын мүмкіндік бар.
Негізгі сөздер: Сұйық шыны, отқа төзімді бетон, қышқылға төзімді бетон, қоқыс.
Жугинисов М.Т., Кушеков Е.К.
Состояние вопроса технологии специальных бетонов с использованием жидкого стекла
Резюме. В данной статье представлен аналитический обзор разработок по использованию жидкого
стекла в технологии кислотостойких и жаростойких бетонов и изделий. Для получения жаростойких и
кислотостойких бетонов применяются такие природные материалы как кварциты, кварцевые пески,
хромитовые руды, синтетические материалы как шамот, динас, муллитокорунд, а также шлаки черной и
цветной металлургии. Приведенные научные разработки являтся предпосылкой для разработок жаростойких
изделий с применением местной сырьевой базы РК. В Казахстане есть природное и техногенное сырье,
пригодное для получения кислотостойких и жаростойких бетонов на их основе.
Ключевые слова: Жидкое стекло, жаростойкий бетон, кислотостойкий бетон, шлак,
Zuginisov M.T., Kushekov E.K.
State-of special concrete technology using liquid glass
Summary. This article provides an analytical overview of developments on the use of liquid glass
technology acid-and heat-resistant concrete and products. For heat-resistant and acid-resistant concrete used natural
materials such as quartzite, quartz sand, chromite ore, synthetic materials such as fireclay, dynasty, mullitokorund
and slags of ferrous and non-ferrous metallurgy. These scientific developments constitutes prerequisite for the
development of heat-resistant products with the use of local raw material base of the Republic of Kazakhstan. In
Kazakhstan there are natural and man-made materials, suitable for acid-resistant and heat-resistant concrete based
on them.
Key words: Liquid glass, heat-resistant concrete, acid-resisting concrete, slag.