Создание огнеупорных бетонов и теплоизоляционных материалов с повышенной термостойкостью

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования 
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ

В.Н. Соков

СОЗДАНИЕ ОГНЕУПОРНЫХ БЕТОНОВ
И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
С ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОСТОЙКОСТЬЮ

Москва  2017

2-å èçäàíèå (ýëåêòðîííîå)

УДК 691
ББК 38.3
          C59

СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ

Рецензенты:
профессор, доктор технических наук М. В. Акулова,
заведующая кафедрой строительного материаловедения, 
специальных технологий и технологических комплексов 
архитектурно-строительного института ФГБОУ ВПО 
«Ивановский государственный политехнический университет»; 
профессор, доктор технических наук В. Ф. Коровяков, 
советник по научно-организационной работе ГУП «НИИМосстрой»

Монография рекомендована к публикации 
научно-техническим советом МГСУ

Соков, В.Н.
C59 

ISBN 978-5-7264-1553-6

Рассматриваются теоретические и экспериментальные исследования нового направления в технологии термостойких материалов, 
работающих в агрессивных и высокотемпературных средах. В основу 
исследований положена концепция перехода изделий в более высокую категорию качества с одновременной интенсификацией процессов, снижением материальных и энергетических затрат.

Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских организаций, предприятий строительной индустрии и 
огнеупоров, а также для преподавателей вузов, докторантов, аспирантов, магистров и бакалавров.

УДК 691
ББК 38.3

ISBN 978-5-7264-1553-6

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: 
Создание огнеупорных бетонов и теплоизоляционных материалов 
с повышенной термостойкостью : монография / В. Н. Соков ; М-во 
образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — 
М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2015. — 288 с. — ISBN 
978-5-7264-1008-1.

©  Национальный исследовательский

Московский государственный 
строительный университет, 2015

 Создание огнеупорных бетонов и теплоизоляционных материалов с повышенной термостойкостью [Электронный ресурс] : 
монография / В. Н. Соков ; М-во образования и науки Рос. 
Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — 2-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 289 с.). — М. : Издательство 
МИСИ—МГСУ, 2017. — Систем. требования: Adobe Reader XI 
либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10".

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе 
требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ВВЕДЕНИЕ

Значение жаростойких бетонов и огнеупорных теплоизоляционных материалов в экономике страны постоянно возрастает. От 
качества этих материалов во многом зависит уровень развития ряда 
производств, в первую очередь, строительной, цветной и черной 
металлургии, электроэнергетики, авиационной техники и ракетостроения, а также химической, газовой и нефтеперерабатывающей 
промышленности.
Технический прогресс тех или иных отраслей промышленности, 
как правило, связан со значительной интенсификацией технологических процессов, что приводит к росту рабочих температур и 
давлений, сокращению технологических циклов и увеличению действующих тепловых нагрузок, а это во многом изменяет требования, 
предъявляемые к используемым в настоящее время материалам. 
Так, для того, чтобы обеспечить работоспособность конструкции, 
часто оказывается недостаточным только ее механической прочности, даже при сложных силовых и тепловых нагружениях, также 
необходимо, чтобы выбранный для нее материал обладал способностью противостоять агрессивному химическому воздействию 
среды, имел высокие термомеханические и теплофизические свойства, обладал высокой термической стойкостью и объемопостоянством — свойствами, определяющими критерии работоспособности в процессе их длительной эксплуатации и, следовательно, решающим образом влияющими на технико-экономическую 
сторону высокотемпературных процессов.
Обладая безусловными преимуществами перед металлическими 
тугоплавкими материалами, с точки зрения стойкости в окислительных и других химических средах, достаточно высокой прочностью и жесткостью при повышенных температурах, жаростойкие 
материалы характеризуются двумя тесно связанными отрицательными свойствами: малой ударной прочностью и низкой стойкостью 
против тепловых ударов. Причем наиболее остра проблема повышения термостойкости для материалов, являющихся плохими проводниками тепла, так как в них могут возникнуть значительные 
неравномерности температур и, соответственно, очень высокие 
уровни термических напряжений, которые, в конечном счете, приведут к разрушению изготовленных из них изделий. Поэтому вопросы изыскания и разработки новых жаростойких материалов, 

способных противостоять тепловым воздействиям, оказываются в 
настоящее время весьма актуальными, так как именно они зачастую 
играют определяющую роль при создании нового типа устройств 
и установок во многих отраслях промышленности.
Значение огнеупорных теплоизоляционных материалов в экономике страны постоянно возрастает. От качества этих материалов 
во многом зависит уровень развития ряда производств, в первую 
очередь, черной и цветной металлургии, электроэнергетики, а также химической, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности.
Учитывая, что удельный вес теплоизоляционных работ составляет для различных отраслей 2,3...4,84 % по объему строительномонтажных работ, разработка и внедрение новых более прогрессивных технологий, материалов и конструкций является важнейшей задачей в области тепловой изоляции промышленных 
агрегатов.
В последние годы в нашей стране и за рубежом получили развитие неформованные массы для получения монолитных футеровок, что связано с их высоким качеством, легкостью и возможностью сокращения во времени выполнения футеровочных работ.
В настоящее время при получении теплоизоляционных изделий, 
в том числе и монолитных, все шире и активнее применяют огнеупорные волокна. Изделия на их основе по сравнению с традиционными огнеупорами обладают улучшенными свойствами: низкой 
средней плотностью, высокой термостойкостью и сопротивлением 
термоудару, высокой теплозащитной способностью.
Однако до настоящего времени нет надежного способа изготовления монолитной теплоизоляции из волокнистых композиций.
В связи с этим проведение исследований в этой области является актуальной и своевременной научно-технической задачей.
Среди теплоизоляционных материалов особо важное место занимают огнеупорные теплоизоляционные материалы, которые 
широко используются для тепловой изоляции промышленных печей, топок и тепловой защиты различного оборудования, работающего при высоких температурах. Применение высокотемпературных эффективных теплоизоляционных материалов в промышленности и энергетике, благодаря низкой теплопроводности и 
малой теплоемкости, способствует сокращению потерь тепла и 
экономии топлива. Однако наряду с положительными свойствами, 
эти материалы обладают рядом трудно устранимых недостатков: 

невысокой механической прочностью, повышенной дополнительной усадкой в течение срока службы, малой термостойкостью.
Термостойкость легковесов в основном определяет срок их службы. Из-за низкой термостойкости требуются частые смены футеровки, что, в свою очередь, сопряжено со значительными расходами. При увеличении продолжительности службы легковесов сокращается общее время простоя тепловых агрегатов и повышается 
производительность. Поэтому разработка рациональной технологии легковесного огнеупорного материала, обладающего повышенной термической стойкостью (без ухудшения других эксплуатационных свойств), является актуальной задачей промышленности 
теплоизоляционных материалов.
Однако получить армированные шамотные легковесы с объемной массой 0,6...0,8 г/см3 до сих пор никому не удавалось, так 
как существующими способами ввести и равномерно распределить 
небольшое количество (5...15 %) волокон невозможно.

Глава 1

ТЕРМОСТОЙКОСТЬ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ 
МАТЕРИАЛОВ И ПУТИ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

1.1. Современные представления о термостойкости 
жаростойких материалов. 
Факторы, определяющие термостойкость

В связи с бурным развитием многих областей новой техники за 
последние годы в нашей стране и за рубежом появилось достаточно много работ, посвященных исследованию способности материалов и конструкционных элементов сопротивляться действию термических напряжений, возникающих при их тепловом нагружении. 
Сложность проблемы термостойкости указанного класса материалов обусловливается множеством факторов, существенно влияющих на их механические свойства. К числу таких факторов относятся структура, состав, размеры и форма исследуемого тела, условия внешнего воздействия (температура, нагрузка, среда и т.д.). Все 
это затрудняет решение проблемы термостойкости огнеупорных 
материалов во всем комплексе, и в большинстве случаев задачи 
термостойкости решаются конкретно, применительно к частным 
режимам тех или иных тепловых агрегатов.
Под термином «термостойкость» принято понимать способность 
хрупких материалов и изделий из них сопротивляться термическим 
напряжениям, возникающим в результате градиента температур 
(напряжения первого рода).
Внутренние напряжения в изделии при изменении температуры 
могут возникнуть и при отсутствии градиента температур, например в результате анизотропии материала по коэффициенту термического расширения, изменения объема отдельных составляющих 
материала в результате полиморфизма или химических реакций. 
Возникающие при этом напряжения второго рода могут быть больше напряжений первого рода и приводить к разрушению материала [1].
Термостойкость принято выражать в критериальной форме, 
пользуясь критерием R, как это было впервые введено основопо

ложниками применения теории максимальных напряжений к оценке термостойкости Винкельманом и Шоттом в 1894 г. В настоящее 
время установлено свыше 22 критериев термостойкости применительно к различным условиям службы огнеупоров. Это означает, 
что выбор или создание материала, характеризуемого оптимальной 
термоустойчивостью для данных условий службы, представляет 
собой очень сложную задачу. Правильный выбор материала усложняется зависимостью его свойств от температуры, а в некоторых 
случаях — и от других условий службы. Вследствие этого критериальная оценка устойчивости огнеупоров к термическим напряжениям имеет относительный характер.
В 1920 г. Гриффитсом предложена теория хрупкой прочности, 
описывающая распространение разрушающих трещин в хрупком 
теле. Было показано, что низкая реальная прочность хрупких материалов вызывается наличием трещин, приводящих к значительной концентрации напряжений. Хотя в теории не учитывались 
факторы, определяющие неоднородность материала, она послужила толчком для развития механики разрушения, в которой трещина является наиболее опасным видом внутренних дефектов. 
Авторы различных исследований по проблемам разрушения учитывают, что материал содержит внутри или на поверхности систему трещин.
В советской литературе первым глубоким исследованием по термической стойкости следует считать работу Б.Я. Пинеса, посвященную неоднородности огнеупоров [40], где была высказана 
мысль, что наличие пористости может уменьшить локальные напряжения, вызванные неоднородностью огнеупора, т.е. способствовать повышению термостойкости. В работе А.П. Панарина [39] 
на примере хромомагнезитовых изделий сделан вывод о том, что 
причина их термической устойчивости лежит в макроструктуре. 
Термические напряжения, по мнению автора, должны поглощаться за счет трещин между связкой и наполнителем, которые образуются вследствие разницы коэффициентов термического расширения, разнородности и относительной инертности зерен и связки.
Согласно теории «двух стадий», разрушение огнеупоров под влиянием термических ударов имеет две стадии: зарождения трещин 
и их распространения.
Зарождение трещин определяется физико-механическими свойствами материала и условиями теплового нагружения. Способность 

материала сопротивляться зарождению трещин характеризуют критериями термостойкости. При быстром нагреве

p(1
);
R
E

σ
− ν
=
⋅α

при медленном нагреве

R′ = R · λ;

при постоянном тепловом потоке

R′′ = R · a,

где σp — предел прочности при растяжении; α — термический коэффициент линейного расширения (т.к.л.р.); E — модуль упругости; 
R, R′, R′′ — критерии термостойкости; ν — коэффициент Пуассона; 
λ — коэффициент теплопроводности; a — коэффициент температуропроводности.
В критериях термостойкости более правильно учитывать предел 
прочности при растяжении, но определение его затруднительно, 
поэтому для большинства материалов в первом приближении вместо σp принимают σизг — предел прочности при изгибе, определение 
которого значительно проще.
Для огнеупорных материалов приближенно принимают

p
изг
1
.
3
σ =
σ

Условия нагрева определяют числом Био (Bi):

Bi
,
m
r
k
⋅
=
λ

где rm — радиус, или полуширина образца; k — коэффициент теплопередачи от образца к среде, в которой происходит охлаждение; 
λ — коэффициент теплопроводности материала.
Критерий R применяют при Bi > 20, т.е. при высоких скоростях 
теплопередачи, R′ — при Bi < 2, т.е. при низких скоростях теплопередачи, R′′ — при постоянной скорости изменения температуры. 
Применением критериев термостойкости в зависимости от критерия Био в некоторой степени, но не полностью, учитываются условия теплопередачи. Критерии В.Д. Кингери хорошо характеризуют 

термостойкость гомогенных тел, деформация которых описывается законом Гука, например стекол, но для гетерогенных тел они 
могут характеризовать лишь склонность к зарождению трещин [31].
Известны многие попытки определять термостойкость гетерогенных изделий в целом критериями. В некоторых случаях значения 
критериев, подученные расчетом, совпадают с экспериментальными результатами определения термостойкости, в большинстве же, 
однако, наблюдается их несовпадение. Если гетерогенные композиции по структуре приближаются к гомогенным, то критерии качественно, в первом приближении, характеризуют их термостойкость в целом. Однако известны многие исключения и из этого 
правила [49].
Начиная с 1963 г., в ряде работ Д.Р. Хассельмана теория термостойкости получила дальнейшее развитие. В частности, развитие 
идей по распространению термических трещин можно назвать 
«энергетической» теорией термической стойкости.
Согласно этой теории, критерий термостойкости оценивается 
разрушающим градиентом температур ΔTpазp который зависит не 
только от совокупности свойств материалов, определяемых критериями типа R, но и от фактора формы тела S:

ΔTpазp = R · S.

Представление о «режимном факторе» S в дальнейшем было развито в работах [18; 19; 43], где учитывались свойства изделий: форма, размеры, тепловое состояние.
Приведенные выше критерии термостойкости отражают первую 
стадию разрушения материала и в связи с этим не характеризуют 
термическую стойкость гетерогенных изделий в целом [28]. Трещины, образующиеся в результате термических напряжений в гетерогенных материалах, развиваются медленно. Дальнейшее их 
развитие может остановиться под воздействием пор, границ зерен 
и других неоднородностей. Полного разрушения тела может и не 
произойти. Трещина в однородном теле начнет и будет продолжать 
распространяться при условии, что упругая энергия, освобождающаяся из напряженной области, окружающей трещину, больше (или 
равна) энергии, необходимой для создания двух новых поверхностей раздела (т.е. трещины).
В основу теории Хассельмана легла механическая модель с относительно простой геометрией. Рассматривается твердое тело, 
одинаково охлажденное на температуру ΔТ. Внешняя поверхность 

тела жестко ограничена для того, чтобы обеспечить одинаковое 
трехосное напряжение следующей величины:

p .
(1
2 )

E
T
Δ
α⋅
⋅
σ =
− ν

Предполагается, что материал совершенно хрупкий и содержит 
только микротрещины Гриффитса. Дислокации и вязкое течение 
отсутствуют. Микротрещины имеют круглую форму и одинаково 
распределены по всему объему материала. Они имеют одинаковый 
размер и развиваются радиально. Накладывается также условие, 
что взаимодействие между силовыми полями соседних трещин отсутствует.
Основываясь на таких представлениях, рассмотрены процессы 
образования и распространения трещин при термическом нагружении. Предложены критерии, характеризующие способность материала сопротивляться распространению трещин, обусловленных 
тепловыми воздействиями:

2
;
(1
)
E
R
=
′′′
σ
− ν

RIV = R′′′ · Vэфф, 

где Vэфф — эффективная поверхностная энергия разрушения, т.е. 
энергия, необходимая для создания двух новых поверхностей раздела; R′′′ — минимум имеющейся в момент разрыва упругой энергии. Чем выше значение R′′′, тем меньше энергии способен накапливать материал при термическом нагружении и тем меньше, 
следовательно, будет степень его разрушения; RIV — минимум степени распространения трещин в начале разрыва.
Следует отметить, что величина Vэфф не равна термодинамической поверхностной энергии твердого тела. Какие-либо численные 
зависимости этих энергий друг от друга пока не установлены. Критерием, определяющим стабильность трещин, является

эфф
т.ст
2
V
R
E
=
α ⋅

;

Rт.ст = Rт.ст · λ.