I. Princípios de preparação de concretos com baixo teor de cimento
A preparação deconcretos refratários com baixo teor de cimentodeve ter como objetivos principais "reduzir o teor de cimento, otimizar a microestrutura e melhorar o desempenho{0}}em altas temperaturas" e seguir rigorosamente os quatro princípios a seguir para garantir que haja trabalhabilidade e estabilidade de serviço:
1. Princípio de otimização da classificação de partículas
A classificação das partículas é a base para determinar a densidade aparente, a porosidade e a resistência dos concretos. Ele deve seguir a "teoria de empacotamento mais próximo" e geralmente adotar um design de classificação de três-níveis ou quatro{2}}níveis:
1) Agregado grosso (5-15mm): representa 30%-45%, desempenha principalmente um papel de suporte do esqueleto, e matérias-primas com boa estabilidade química e baixo coeficiente de expansão térmica (como bauxita com alto teor de alumina, corindo) devem ser selecionadas para evitar rachaduras estruturais devido a mudanças de volume em altas temperaturas;
2) Agregado médio (1-5mm): representa 20%-30%, preenche as lacunas entre os agregados graúdos, melhora a fluidez do material e deve corresponder à composição dos agregados graúdos para reduzir as reações de interface;
3) Pó fino (0,074-1mm): representa 15%-25%, preenchendo ainda mais as lacunas entre os agregados e melhorando a densidade. O tamanho das partículas do pó fino precisa ser controlado dentro de uma faixa razoável. Pó muito grosso levará facilmente a um empilhamento solto, enquanto pó muito fino aumentará a demanda de água;
4) Micro pó (<0.074mm): accounts for 5%-15%, including mineral micro powder (such as silica fume, alumina micro powder) and cement clinker micro powder. It is the key to achieving "low cement". Through the ball effect of micro powder and the reaction with volcanic ash, the cement dosage is reduced and the strength is improved.
2. Princípio do controle preciso da dosagem de cimento
A dosagem de cimento (principalmente cimento de aluminato) de concretos refratários com baixo teor de cimento é geralmente menor ou igual a 8% (fração de massa). Deve ser alcançado um equilíbrio entre “reduzir a dosagem” e “garantir a construção e a resistência inicial”:
(1) Dosagem efetiva mínima: Determinar a dosagem de cimento de acordo com a finalidade do concreto (ex.. 5%-7% para revestimentos de fornos de alta-temperatura, 7%-8% para tubulações de baixa-temperatura), evitando dosagem excessiva que resultará na formação de aluminatos de cálcio de baixo ponto de fusão (ex. CA6, C12A7) em altas temperaturas, o que reduzirá a refratariedade;
(2) Sinergia com micropó: Através da reação pozolânica de sílica ativa e micropó de alumina, eles se combinam com produtos de hidratação de cimento (por exemplo, CAH10, C2AH8) para formar gel estável de C-A-S-H ou cristais colunares de CA6, compensando a perda de resistência causada pela redução na dosagem de cimento.
3. Princípio do equilíbrio entre a procura de água e a fluidez
A demanda de água afeta diretamente a densidade, a porosidade e a trabalhabilidade dos concretos e precisa ser controlada dentro da faixa razoável mais baixa (geralmente 5%-8%):
(1) Reduzir a demanda de água: Ao adicionar redutores de água de alta-eficiência (como ácidos policarboxílicos e séries de naftaleno), a atração entre as partículas é reduzida, alta fluidez é alcançada com baixo teor de água e a formação de poros passantes após a evaporação excessiva da água é evitada;
(2) Adaptação da fluidez: Ajuste a fluidez de acordo com o método de construção (como bombeamento e vibração). A expansão dos materiais bombeados precisa ser maior ou igual a 250 mm, e a expansão dos materiais vibrados precisa ser maior ou igual a 200 mm. Ao mesmo tempo, evite fluxo excessivo que causa estratificação agregada.
4. Princípios de controle de estabilidade de volume
Os concretos refratários com baixo teor de cimento são propensos a alterações de volume durante o aquecimento devido à mudança de fase e decomposição dos produtos de hidratação. Isto requer seleção de matéria-prima e controle de aditivos:
(1) Compensação de expansão de matéria-prima: Adicione uma quantidade apropriada de agente de expansão (como cianita e silimanita, que se convertem em mulita em alta temperatura e se expandem em 10% -15%) para compensar o encolhimento causado pela decomposição de produtos de hidratação de cimento (como CAH10 se decompondo em C2AH8 a 100-200 graus, com um encolhimento de volume de cerca de 10%);
(2) Otimização da microestrutura: Através do enchimento de micropó e do crescimento direcional do cristal (como o entrelaçamento de cristal colunar CA6), a estrutura solta durante o aquecimento é reduzida e a estabilidade do volume é melhorada. Geralmente é necessário que a taxa de mudança linear após o disparo a 1100 graus seja controlada dentro de ±0,5%.
2. Principais matérias-primas que afetam o desempenho de concretos com baixo teor de cimento
O desempenho dos concretos com baixo teor de cimento (refratários, resistência, estabilidade ao choque térmico e resistência à corrosão) é determinado pela composição química, estrutura mineral e distribuição do tamanho das partículas das matérias-primas. As principais matérias-primas podem ser divididas em cinco categorias:
1. Agregado refratário: determina a base refratária e a resistência do esqueleto do concreto.
O agregado refratário representa 60%-75% e é o "esqueleto" do concreto. Seu desempenho determina diretamente a refratariedade e a capacidade de suporte a altas temperaturas do concreto:
(1) Agregado de alta-alumina (Al₂O₃ maior ou igual a 70%) Composição e desempenho: Os componentes principais são corindo e mulita, refratariedade maior ou igual a 1770 graus, resistência à compressão em temperatura ambiente maior ou igual a 100MPa, resistência à compressão em alta temperatura (1400 graus) maior ou igual a 50MPa; Cenários aplicáveis: Revestimentos de fornos de média e alta temperatura (como zona de queima de forno rotativo de cimento, forno de aquecimento metalúrgico), é necessário evitar impurezas excessivas (como Fe₂O₃, TiO₂) para evitar a formação de fases de baixo ponto de fusão (como FeO·Al₂O₃, ponto de fusão 1250 graus);
(2) Agregado de corindo (Al₂O₃ maior ou igual a 90%): Composição e desempenho: Principalmente -corindo, estrutura densa, refratariedade maior ou igual a 1850 graus, resistência à corrosão (como resistência ao aço fundido e corrosão de escória) é melhor que o agregado de alta{4}}alumina; Cenários aplicáveis: Ambiente de temperatura ultra-alta (como a calha de ferro do alto-forno de aço e o-forno de fundição de metais não ferrosos), é necessário controlar a distribuição do tamanho das partículas agregadas para evitar que o agregado grosso excessivo cause uma diminuição na estabilidade ao choque térmico.
2. Micropó refratário: O micropó central para obter "baixo teor de cimento" e desempenho
a melhoria é responsável por 5% -15%, o que é a chave para distinguir os concretos refratários com baixo teor de cimento dos concretos comuns. Inclui principalmente:
(1) Alumina micropowder (Al₂O₃≥99%, D50=1-5μm): Mechanism of action: reacts with cement hydration products to form CA6 crystals, improving high-temperature strength; fills the gaps between aggregates and reduces porosity (can reduce apparent porosity from 18% to below 12%); Performance impact: Increasing the amount of micropowder can improve refractoriness, but excessive amount (>15%) aumentará a demanda de água e precisa ser utilizado com redutor de água;
(2) Sílica ativa (SiO₂ maior ou igual a 90%, D50=0.1-0.5μm): Mecanismo de ação: Possui alta atividade pozolânica e reage com Ca(OH)₂ produzido pela hidratação do cimento para formar gel C-S-H, o que melhora a resistência inicial. Suas partículas esféricas podem reduzir o atrito interno do material e melhorar a fluidez. Precauções: A quantidade de sílica ativa usada deve ser controlada (geralmente 3%-8%). O uso excessivo fará com que o concreto forme uma grande quantidade de vidro com baixo ponto de-ponto de fusão-(como vidro CaO-SiO₂-Al₂O₃, ponto de fusão<1400°C) at high temperatures, reducing corrosion resistance.
3. Aglutinante: A chave para garantir a trabalhabilidade e o desenvolvimento de força.
O ligante de concretos com baixo teor de cimento é principalmente cimento de alumina, complementado por ligação química de pó fino. Seu desempenho afeta o tempo de pega e a resistência do concreto:
(1) Cimento de aluminato (CA-50, CA-70): Composição e características: CA-50 contém 50% -60% de CA (aluminato monocálcico), tem um tempo de pega moderado (pega inicial maior ou igual a 45min, pega final menor ou igual a 10h) e alta resistência inicial (resistência à compressão 1d maior ou igual a 20MPa); CA-70 contém CA maior ou igual a 70%, tem maior resistência inicial, mas endurece mais rápido e precisa ser usado com um retardador; Impacto no desempenho: O teor de CaO no cimento afeta diretamente a refratariedade. Para cada aumento de 1% no CaO, a refratariedade diminui cerca de 15-20 graus. Portanto, deve-se selecionar cimento com baixo teor de CaO (CA-70 CaO menor ou igual a 22%);
(2) Retardadores/aceleradores de configuração: Retardadores de configuração (como ácido cítrico e ácido tartárico, adicionados a 0,05%-0,2%) prolongam o tempo de configuração e são adequados para transporte de longa-distância ou vazamento de grande-volume. Aceleradores de presa (como Li₂CO₃ e CaCl₂, adicionados de 0,01% a 0,05%) encurtam o tempo de presa e são adequados para ambientes de construção de baixa temperatura (como construção no inverno). Porém, o uso excessivo deve ser evitado, pois pode reduzir a resistência.
4. Redutor de água: O aditivo principal para equilibrar a demanda e a fluidez da água
O redutor de água é a chave para alcançar "baixo teor de água e alto fluxo" em concretos refratários com baixo teor de cimento. O valor da adição é geralmente de 0,1% a 0,5%:
(1) Redutor de água de ácido policarboxílico: Vantagens: Alta taxa de redução de água (até 30% -40%), boa retenção de queda (perda de expansão em 1 hora menor ou igual a 20 mm), boa compatibilidade com cimento de aluminato e não causará retardo excessivo; Impacto no desempenho: Pode reduzir a demanda de água em 2-3 pontos percentuais, aumentar a resistência à compressão do concreto após queima a 1100 graus em 15% -20% e reduzir a porosidade aparente em 3-5 pontos percentuais;
(2) Naphthalene water reducer: Features: Medium water reduction rate (20%-25%), low price, suitable for scenes with low fluidity requirements; Note: The dosage needs to be controlled. Excessive dosage (>0,5%) fará com que o concreto se deslamine ou perca resistência.
5. Aditivos funcionais: regulando a estabilidade do volume e propriedades especiais
(1) Agente de expansão (cianita, silimanita): Função: em alta temperatura (1100-1400 graus), converte-se em mulita, expande 10%-15%, compensa o encolhimento do concreto e evita trincas; dosagem: geralmente 3%-5%, dosagem excessiva levará à expansão excessiva do volume e gerará estresse interno;
(2) Agente anti-explosão (pó de alumínio metálico, quantidade de adição 0,1%-0,3%): - Função: durante o processo de aquecimento (200-600 graus), oxida lentamente para gerar Al₂O₃, libera uma pequena quantidade de gás, descarrega a água livre dentro de concretos refratários com baixo teor de cimento e evita o rompimento da estrutura devido à rápida evaporação da água em alta temperatura;
(3) Estabilizador de choque térmico (carboneto de silício, nitreto de silício, quantidade adicionada de 5% - 10%): Função: Utilize as características de baixa expansão do carboneto de silício (coeficiente de expansão térmica 4,5 × 10⁻⁶ / grau) e nitreto de silício (coeficiente de expansão térmica 3,2 × 10⁻⁶ / grau) para reduzir o estresse térmico do fundível e melhorar a estabilidade ao choque térmico (geralmente o número de térmicas resfriadas a água os choques podem ser aumentados de 10 vezes para mais de 20 vezes).
