Огнеупорные и кислотоупорные цементы в строительстве

жаропрочный, кислотоупорный цемент и их применение

Одним из актуальных эксплуатационных свойств цементов являются их огне- и кислотостойкость. Обычные растворы на основе портландцемента теряют прочность уже при 250 °С, а при 500 °С начинают активно разрушаться. Содержание кислот в окружающей среде также пагубно влияет на прочность и долговечность строительного материала.

Как высокая температура и кислоты разрушают изделия из цемента

В составе цементных растворов содержится гидроксид кальция – продукт гашения извести водой. При нагревании происходит его разложение до оксида кальция и воды, испаряющейся в окружающую среду. После остывания образовавшийся оксид кальция (негашеная известь) начинает интенсивно впитывать влагу из воздуха, вступая с ней в реакцию.

Происходящий процесс гашения сопровождается увеличением объема за счёт вновь образованного гидроксида. Сопутствующим фактором является образование микротрещин, развивающихся в крупные дефекты.

Кислоты, содержащиеся в воде, вступают во взаимодействие с соединениями кальция, постепенно вымывая их из цементного раствора. Даже слабая угольная кислота, образующаяся при растворении углекислого газа в воде, оказывает весьма разрушительное действие. Сохранить термическую устойчивость и противостоять кислотам позволяет специальный химический состав.

Производство и компоненты

Для придания материалу свойства термической стабильности применяются два пути:

  • введение в состав обычного портландцемента специальных химических добавок, препятствующих возникновению оксида кальция при нагревании. В качестве таких добавок применяется кремнезем (оксид кремния) и фосфаты щелочных металлов. При повышении температуры образуются силикаты или фосфаты кальция, практически не подверженные дальнейшему температурному воздействию;
  • использование специальных, не чувствительных к нагреву композиций. Наиболее популярным и используемым является высокоглиноземистый цемент.

В состав материала входят очищенные бокситы с высоким содержанием глинозема (оксида алюминия) и известняк (карбонат кальция). Конечное содержание глинозема составляет не менее 60 %, а оксида кальция – не более 35-40 %. Примеси оксидов других элементов незначительны и составляют в сумме 3-5 %.

Получение термостойкого цемента заключается в тщательном смешивании компонентов и последующем обжиге. Образующиеся при этом конгломераты или брикеты называются клинкером и подвергаются дроблению и просеиванию.

В состав кислотоупорного цемента входит кремнезем как наполнитель, кремнефтористый натрий (фторосиликат натрия) как ускоритель затвердевания и силикат натрия (жидкое стекло). Кремнефтористый натрий придает смеси дополнительные водоотталкивающие (гидрофобные) и кислотоустойчивые свойства.

Пропорции кремнезема и жидкого стекла составляют примерно 4 к 1 (в зависимости от нужных свойств и задачи). Содержание фторосиликата натрия в цементах, используемых для приготовления бетонов, составляет 8 %. Если цемент используется для замазок стыков и дефектов, доля фторосиликата не превышает 4 %.

Готовят кислотоупорный цемент путем заливки смеси фторосиликата и кремнезема жидким стеклом. Полученная смесь применяется только на воздухе, в связи с участием углекислого газа из воздуха в процессе схватывания.

Упаковки огнеупорного и кислотоупорного цементов

Эксплуатационные свойства жаропрочного цемента

Приготовленные на основе портландцемента смеси имеют классические показатели прочности. Допустимый предел при проверке на сжатие составляет от 200 до 600 МПа/см2.

Следует отметить, что термическая стабильность таких составов проявляется при температурах не более 400-500 °С. Длительное воздействие открытого пламени или раскаленных предметов уменьшает прочность цементов и приводит к возникновению дефектов.

Наиболее жаростойкие цементы, выполненные на основе глинозема, выдерживают все достижимые в быту температуры. Высокоглиноземистые покрытия обладают термостабильностью порядка 1600 °С и выше. Повышение температуры эксплуатации приводит к увеличению жаропрочности, поскольку происходит спекание цементной массы до керамического состояния.

Платой за высокую огнестойкость глиноземистого цемента является меньшая прочность. Выдерживаемое давление таких растворов составляет 25-35 МПа/см2.

Пример использования жаропрочного цемента для изготовления садового барбекю:

Кислотоупорные цементы – ограниченная сфера применения

Прочность кислотоупорных цементов составляет 30-40 МПа/см2. Стойкость материала к действию кислот увеличивается с повышением концентрации кислоты. Единственным веществом, активно разрушающим кислотоупорное стекло, является фтористоводородная (плавиковая) кислота.

Причины разрушения кислотоупорного цемента со временем эксплуатации следующие:

  1. Водная среда – несмотря на относительную твёрдость цементного раствора, под воздействием воды составляющие компоненты из него вымываются. Для повышения гидрофобности цемента используются различные покрытия, ставящие цель оградить поверхность от контакта с водой.
  2. Щелочная среда эксплуатации – чем выше pH среды, тем быстрее будет происходить разрушение. Причина заключается во взаимодействии оксидов алюминия в составе цемента с щелочью.
  3. Воздействие пониженных температур. Высокая хрупкость «жидкого стекла» обуславливает невозможность его использования в сильные морозы (ниже -20 °С).

Особенности работы – приготовление и использование растворов специальных цементов

Порядок подготовки огнеупорных составов принципиально не отличается от приготовления портландцемента:

  • в бетономешалке готовится сухая смесь компонентов в заданных пропорциях (отношение цемент : песок обычно составляет 1 : 4);
  • после перемешивания добавляется вода до получения тестообразной консистенции. Поскольку жаропрочные материалы имеют особые параметры вязкости и высокую скорость затвердевания, при добавлении воды лучше пользоваться рекомендациями производителя. Добавляя воду «на глаз», легко ухудшить прочностные характеристики строящейся конструкции;
  • использование раствора для заливки в формы, опалубку или для кладки огнеупорного кирпича. В случае высокоглиноземистого цемента после добавления воды нужно действовать оперативно, чтобы не допустить преждевременного схватывания раствора;
  • сразу по окончании работ следует почистить и вымыть строительное оборудование – убрать затвердевший через день раствор окажется непростой задачей.

При небольшом объёме огнеупорных растворов на основе портландцемента смешивание компонентов можно проводить вручную в широких емкостях – тазах, ночвах или ванне. Для глиноземистых цементов необходимо применение бетономешалки.

Кислотоупорные цементы готовятся путем разведения и смешивания сухой смеси (песок и ускоритель схватывания) с жидким стеклом в рекомендованных производителем пропорциях. На промышленных стройках существуют налаженные приспособления для получения раствора. В домашнем строительстве готовить смеси удобно в широкой и достаточно глубокой емкости (ведро, глубокий таз).

Перемешивать раствор лучше не вручную, а автоматически. Широкое распространение получили насадки для дрели, с помощью которых на малых оборотах можно получить хорошо гомогенизированный раствор.

Если цементный раствор с жидким стеклом заливается в подготовленную форму, необходимо обеспечить доступ воздуха к цементной смеси. В противном случае скорость твердения будет недостаточно высокой и часть состава успеет вытечь через трещины в опалубке.

Плюсы и минусы цементов – оцениваем материалы

Подведем итоги положительных и отрицательных сторон огне- и кислотостойких цементов, оценивая их показатели в виде таблицы.

Характеристика материалов по пятибалльной шкале

Параметр Огнестойкий цемент Кислотостойкий цемент
Цена «4» — в зависимости от условий применения, можно выбрать составы на основе дешевого портландцемента или более дорогого (20-25 руб./кг) высокоглиноземистого цемента «1» — самый дорогой из существующих на рынке цементов. Стоимость достигает почти 100 руб./кг
Практичность «4» — работать со смесями, отличающимися быстрым схватыванием, не очень удобно «2» — возможно применение лишь для узких задач. Для широкого применения кислотостойкий цемент слабо пригоден
Внешний вид «5» «5»
Простота изготовления «4» — введение дополнительных компонентов увеличивает производственные затраты «3» — приготовление гомогенного раствора на основе жидкого стекла – утомительное занятие
Трудоемкость при использовании «5» «3» — довольно сложно аккуратно перемешать клейкую и вязкую субстанцию
Экологичность «4» — перчатки, очки и респиратор должны быть всегда под рукой при работе с цементом «2» — кислотостойкий цемент нежелательно использовать при возведении зданий для хранения пищевых продуктов

Несмотря на ряд эксплуатационных сложностей и высокую цену, огне- и кислотостойкие цементы необходимы как в частном, так и крупнотоннажном строительстве. При футеровке печей, каминов, выполнении химически стойких отводов и сливов нельзя обойтись без специальных вяжущих средств. Держать «про запас» такие материалы не стоит – длительное хранение никогда положительно не сказывалось на качестве цементной смеси.