بتن‌های دیرگداز
بتن‌های دیرگداز به مواد معمولاً غیرفلزی گفته می‌شوند که می‌توانند در درجه حرارت‌های بالا پایدار باشند. بنابراین جرم‌های نسوز باید قابلیت حفظ خصوصیات فیزیکی و شیمیایی را در درجه حرارت‌های بالا و شرایط عمل داشته باشد. قدرت پایداری در درجه حرارت‌های بالا اگر چه یک عامل تعیین کننده بوده ولی با این حال بتن‌های دیرگداز باید در مقابل عوامل مخرب دیگری از جمله سایش، ضربه، شوک حرارتی، حمله شیمیایی و بار مکانیکی زیاد در شرایط دمایی بالا نیز مقاوم باشد. از طرفی دیگر طول عمر، قابل دسترس و شکل پذیر بودن، اقتصادی بودن و سهولت استعمال نسبت به دیگر مواد دیرگداز، عامل توسعه این جرم نسوز است که در حال، کاربرد وسیعی را برای خود در صنایع مختلف باز کرده است.
مهندسینی که با مواد دیرگداز سرو کار دارند از جمله بتن‌های دیرگداز، دارای خواص و ویژگی‌های خاص خود در نحوه تولید و کاربرد است. تکنولوژی مواد دیرگداز را می‌توان به صورت در آوردن مواد به شکل دلخواه و سپس خشک کردن در یک مدت زمان طولانی و نهایتا در آتش قرار دادن ترسیم کرد. در حالی‌که تکنولوژی بتن‌های دیرگداز عبارت است تهیه مخلوط، ریختن و لرزش و سرانجام در زمان کوتاهی خشک می‌شود. استحکام مورد نیاز بدون پختن به دست می آید، بدین وسیله قادر به تولید شکل‌های پیچیده و مختلف بدون ترک و تغییر فرم هستیم.
مشخصات و ویژگی‌های بتن‌های دیرگداز
مخلوط‌های بتنی از نظر کارخانجات دیرگداز، مخلوط‌های خشک شدنی در هوا هستند که از مواد اولیه مقاوم در برابر حرارت با اندازه دانه بندی(۳۰-۰) میلیمتر و سیمان تشکیل شده‌اند. عامل‌های چسبندگی در چنین بتن‌هایی، چسب‌های هیدرولیکی (معمولاً سیمان‌ها) یا چسب‌های غیرهیدرولیکی (مثل چسب شیشه) است. این نوع بتن‌ها، موادی هستند که دارای فسفات، چسب شیشه، ماگنزیا (پریکلاس) هستند. استحکام مورد نیاز بدون پخش بدست می‌آید و بدین وسیله قادر به تولید شکل‌های پیچیده و مختلف از این بتن‌ها هستیم. (سازه مونولیتیک)
خواص بتن‌های دیرگداز
بتن‌های دیرگداز خود خواص معینی را دارند که آگاه بودن از آنها نیز بسیار مهم است، بعلاوه در نظر داشتن آنها در هنگام انتخاب مواد و دستیابی به درک صحیح از رفتار بتن تحت شرایط کاری ضروری است. مهمترین این خواص در طبقه بندی زیر گنجانده شده است.
خواص فیزیکی و مکانیکی
مهمترین خواص فیزیکی و مکانیکی: چگالی، تخلخل، قابلیت هدایت حرارتی و انبساط حرارتی است.
وزن مخصوص: وزن مخصوص بتن‌های دیرگداز (مقاوم در برابر حرارت) تابعی از ترکیب آنها، نمونه سیمان، پرکننده، مخلوط و نسبت‌های آنها است.
چگالی: چگالی بتن‌های دیرگداز تابعی از دانسیته، غلظت‌های مواد تشکیل دهنده و حجم تخلخل موجود در بتن است.
تخلخل و نفوذ پذیری: چگالی و تخلخل نسبت معکوس با یکدیگر دارند، هر چند در استفاده‌های عملی مجموع تخلخل مواد نسوز مهم نبوده بلکه مورد مصرف، نسبت تخلخل بسته به تخلخل باز (ظاهری) که در تماس با اتمسفر است، می‌باشد. بعد از پختن تخلخل زیاد می‌شود، زیاد شدن تخلخل بستگی به عواملی دارد که مهمترین آنها، دما و سطح واکنش است که بین عامل اتصال و مواد پرکننده رخ می‌دهد. نفوذپذیری نیز تابعی از قطر و تخلخل بوده، نسبت آب به سیمان نیز عامل مهمی در نفوذپذیری است.
انبساط حرارتی: ضریب انبساط حرارتی بتن‌های دیرگداز به مقدار زیادی به ضریب انبساط پرکننده‌ها بستگی دارد.
گرمای ویژه: در بتن‌های دیرگداز ظرفیت حرارتی پرکننده‌ها معمولاً به عنوان فاکتوری تعیین کننده در ترکیب اصلی محاسبه می‌شود. گرمای ویژه پرکننده‌ها باید بدون هیچ خطای محسوسی تعیین شود.
هدایت حرارتی: هدایت حرارتی مواد دیرگداز یک خاصیت پیچیده است که به هدایت حرارتی اجزای تشکیل دهنده و همچنین به نحوه تراکم، تخلخل و درجه حرارت بستگی دارد.
مقاومت سایشی و فرسایشی: در بسیاری از استفاده‌های صنعتی مواد دیرگداز، ساییده شدن و فرسایش مواد مطرح است. در فرسایش، تمام سطح ماده مورد حمله قرار می‌گیرد ولی در حالت سایشی فقط فازهای منیرالی که کمترین مقاومت را دارند مورد حمله قرار می گیرد. بنابراین یک رابطه مستقیم بین مقاومت فشاری با مقدار سیمان از یک طرف و میزان سایش از طرف دیگر وجود دارد.
خواص شیمیایی
در علم دیرگداز خواص شیمیایی شامل رفتار مواد دیرگداز در ارتباط با سایر مواد است، که آستر با آنها تماس پیدا می‌کند، این امر همچنین شامل خوردگی شیمیایی به وسیله مواد مذاب و ورود مواد خارجی به داخل آنها است که باعث تغییر خواص آنها می‌شود. برای بتن دیرگداز می‌توان، خواص شیمیایی را در حوزه‌های زیر بررسی کرد:
- رفتار بتن‌ها در حضور سرباره‌های حاوی اکسیدها و مواد مذاب
- رفتار در برابر فلزات مذاب
- رفتار در حضور گازها
تقسیم بندی بتن‌های دیرگداز
طبقه‌بندی جرم‌های نسوز بر اساس تک تک ویژگی‌های اصلی آنها که معمولاً دارای محدودیت هستند، انجام می‌شود. مواد اولیه مصرفی، همچنین روش‌های ساخت و کاربرد، فاکتورهای دیگری هستند که معیارهای طبقه بندی جرم‌های نسوز را تشکیل می‌دهند. از طرفی دیگر جرم‌های نسوز را می‌توان بر اساس درجه حرارت کار، نوع عامل‌های اتصال (چسبانده)، نوع مواد پرکننده نیز تقسیم بندی کرد.
تقسیم بندی براساس درجه حرارت
- بتن با دیر گدازی پائین كمتر از ۱۵۰۰
- بتن با دیرگدازی متوسط ۱۷۹۰- ۱۵۰۰
- بتن با دیرگدازی بالا بیشتر از ۱۷۹۰
تقسیم بندی براساس نوع اتصالات
- بتن‌های دیرگداز ساخته شده از سیمان سرباره.
- بتن‌های دیرگداز ساخته شده از سیمان آلومینایی.
- بتن‌های دیرگداز با عامل چسباننده چسب شیشه.
- بتن‌های دیرگداز با عامل چسباننده ماگنزیا.
- بتن‌های دیرگداز با عامل اتصال هیدرولیکی (مانند: قیر، قطران، سولفیت).
- بتن‌های دیرگداز با عامل اتصال شیمیایی (مانند: فسفات‌ها، با افزودن اسید فسفرین به مخلوط).
تقسیم بندی براساس نوع مواد پرکننده
- بتن‌های دیرگداز با مواد پرکننده غیرمقاوم در برابر حرارت (خرده آجر، سرباره و …) .
- بتن‌های دیرگداز با شاموت (خاک نسوز پخته شده).
- بتن‌های دیرگداز با آلومینات بالا، با کراندوم، با سیلیس، با مگنزیا، با کرومیت – ماگنزیا و بتن های دیرگداز با کاربید سیلسیم.
مواد اصلی بتن‌های دیرگداز
مواد اصلی بتن‌های دیرگداز به شرح زیر است.
عامل چسباننده
عامل‌های چسباننده یکی از مهمترین بخش‌های متشکله بتن‌های دیرگداز هستند که به دو دسته سیمان‌ها و چسب‌ها تقسیم بندی می‌شوند.
- سیمان‌های صنعتی معمولاً بعد از ذوب و آسیاب کردن بصورت پودر ریزی در می‌آیند که هم دارای ساختمان کریستالی و هم غیرکریستالی هستند. از انواع سیمان‌ها که بطور معمولی تهیه شده و در ساخت بتن‌های دیرگداز استفاده می‌شود. سیمان پرتلند، سیمان پرتلند آهن، سیمان کوره بلند، سیمان آلومینای معمولی (صنعتی) و سیمان آلومینای بالا را می‌توان نام برد.
- در اکثر موارد یک چسب مناسب یا ترکیبی از چسب‌ها، به مخلوط‌های پودری افزوده می‌شود این چسب ها استحکام کافی قطعات خام را در هنگام اجرای تمام مراحل فرایند ساخت و حتی در مرحله مصرف تامین می‌کند.
انواع چسب‌ها
چسب شیشه
واژه چسب شیشه به ترکیبات مختلف سیلیکات سدیم یا پتاسیم اطلاق می‌شود که در آب یا محلولند یا مخلوط‌های کلوئیدی تشکیل می‌دهند و تقریبا به طور کامل هیدرولیز می‌شوند. عمده ترین چسب شیشه‌ای که استفاده می‌شود سیلیکات سدیم غنی از سیلیس است که گیرش آن در هوای آزاد صورت می‌گیرد.
چسب‌های مگنزیایی
چسب‌های مگنزیای سوز آور (محرق) MgO زینتر نشده کمی حرارت دیده از محلول‌های کلرید منیزیم یا سولفات منیزیم تهیه می‌شود.
دولومیت
به خوبی شناخته شده است که اگر دولومیت تحت شرایط خاصی پخته شود می‌تواند خواص اتصال‌های هیدرولیکی را پیدا کند. با دولومیت، اتصال دارای پایداری خوب در تغییرات سریع درجه حرارت است ولی دولومیت اهمیت تجاری ندارد.
اسید فسفریک و فسفات
آجرهای دیرگداز به وسیله استفاده از اسید فسفریک یا فسفات به دست می‌آید. مقدار اسید فسفریک یا فسفات به عوامل متعددی از جمله نوع مواد پر کننده‌ای که استفاده می‌شود بستگی دارد.
مواد پرکننده
خواص حرارتی بتن‌های درجه حرارت بالا به مقدار زیادی بوسیله مواد پرکننده تامین می‌شود. بنابراین با انتخاب مواد مناسب، مقاوم در برابر حرارت، امکان تهیه بتن‌هایی با مقاومت حرارتی بالا وجود دارد. در بتن نسوز تنها مواد درشت‌تر که دارای اندازه دانه‌های بزرگتر از۲/۰ میلیمتر است، باید مورد استفاده قرار گیرد. مواد پرکننده ریز که دانه‌های آن کوچکتر از ۰/۱ میلیمتر است به عنوان تثبیت کننده (مخصوصاً در بتن دیرگداز ساخته شده با سیمان پرتلند) مورد استفاده قرار می‌گیرند. انواع پرکننده‌ها را می‌توان بصورت زیر نام برد.
پرکننده‌های معدنی غیر مقاوم در برابر آتش
که فقط برای استفاده در بتن‌های درجه حرارت پایین مناسب است نه برای بتن‌های دیرگداز از جمله مواد طبیعی مثل دیابس و بازالت و مواد مصنوعی مثل خاک نسوز پوک شده با نام صنعتی سرامسایت و SLATE پوک شده، ضایعات صنعتی و محصولات فرعی، ورمیکولیت پوک شده و پرلیت.
شاموت
متداولترین ماده پر کننده برای بتن‌های دیرگداز، انواع مختلف شاموت‌های مقاوم در برابرحرارت است. از شاموت‌ها به میزان زیادی به عنوان افزودنی برای بتن‌های سیمان پرتلند و بتن‌های سیمان- چسب شیشه استفاده می‌شود. شاموت از پختن کائولن‌های نسوز در درجه حرارت‌های بالا به دست می‌آید. شاموت‌ها به دو نوع کوارتزی و معمولی تقسیم می‌شوند.
مواد محتوی آلومینای بالا
شناخته شده‌ترین آنها گروه مولایت(ترکیبات مولایت) است که شامل ترکیبات مولایت و شاموت‌های کوراندومی است. مولایت دارای ضریب انبساط حرارتی پایین بوده و ضریب انتقال حرارت آن با افزایش حرارت به آهستگی کم می‌شود که این دو عامل پایه مقاومت خوب در برابر تغییرات دما محسوب می‌شود.
کراندوم
از کراندوم به علت نقطه ذوب بسیار بالای، استحکام مکانیکی و مقاومت شیمیایی آن به مقدار بسیار زیاد، به عنوان پر کننده برای بتن‌های دیرگداز استفاده می‌شود و در حالت معمولی نیز انقباض بتن را کاهش می‌دهد.
مواد محتوی منیزیا یا دولوما
مواد در این گروه اساس دارای منیزیای ذوب شده یا زینتر شده یا دولومیت زینتر شده هستند. منیزیا و دولوما دارای مقاومت حرارتی بسیار بالا هستند که علاوه بر استفاده در بتن‌های سیمانی به عنوان مواد پرکننده در بتن‌های منیزیتی نیز به کار می‌روند.
مواد محتوی کرومیت و کرومیت منیزیت
فورستریت: فورستیت‌ها موادی هستند که از زینتر کردن سنگ‌های سیلیکات منیزیم مثل سر پنتایت اولیوین یا رونیت با افزودن منیزیای زینتر شده یا قلیا به وجود می‌آیند که اجزا اصلی آنها فورستریت و پیرکلاس است. فورستریت خالص در دمای ۱۸۹۰ درجه سانتی گراد ذوب می‌شود.
کاربید سیلیسیم
کاربید سیلیسیم نام تجاری SiC است که وجود ناخالصی آن را بی‌اهمیت می‌سازد. این ماده‌ی سخت مقاومت زیادی در برابر حرارت‌های بالا دارد. نقطه ذوب ندارد و در حرارت‌های بالای ۲۲۰۰ درجه سانتی گراد تجزیه می‌شود، در درجه حرارت‌های بسیار بالا به آهستگی اکسید می‌شود و این از معایب آن است. ضریب انبساط حرارتی آن پایین است. از SiC خالص برای بتن‌های نسوز استفاده می‌شود.
افزودنی‌ها
افزودنی‌های خاص به منظور بهبود کارپذیری و شکل دادن یا کنترل ریز ساختار و محصولات دیرگداز برای دستیابی به خواص ویژه بکار گرفته می‌شوند. افزودنی‌ها تحت عناوین مواد پرکننده و چسب ها قرار نمی‌گیرند. عمده‌ترین افزودنی‌ها مواد پودری شکل هستند که تثبیت کننده سرامیکی نیز نامیده می‌شوند و برای بتن‌های ساخته شده با سیمان پرتلند و چسب شیشه بکار می‌روند. افزودنی را می‌توان به صورت زیر طبقه‌بندی نمود.
- تثبیت کننده‌های سرامیکی(مواد پودری شکل): که هدف آنها چسباندن و خنثی کردن آهک زیاد است.
- تثبیت کننده‌ها با دانه بندی خیلی ریز تا یکنواخت پخش شوند و سریعاً ترکیب شوند.
نرم کننده (خمیری کننده)
این مواد گاه به بتن اضافه می‌شوند تا آب مورد نیاز بتن را کم کنند و نسبت آب به سیمان را کاهش دهند. آنها خاصیت خمیر شوندگی ذرات جامد را بهبود می‌بخشند و در نتیجه با کم کردن آب مورد نیاز، کار پذیری، استحکام و غیر نفوذپذیری بتن را افزایش می‌دهند.
شتاب دهنده‌های گیرش
شتاب دهنده‌ها زمان گیرش را به طور قابل ملاحضه‌ای کم می‌کنند و همچنین سبب می‌شوند که سریعاً استحکام بالایی به دست آید. شناخته شده‌ترین شتاب دهنده‌ها کلرید کلسیم است که در ترکیب با سایر کلرید‌ها استفاده می‌شود. با اضافه کردن درصد کمی زمان گیرش را به چند دقیقه می‌رساند بدون اینکه استحکام نهایی کاهش یابد یا انقباض افزایش پیدا کند.
عوامل زینتر کننده
عوامل زینتر کننده وجود منطقه استحکام بحرانی و در نتیجه محدودیت حرارتی برای استفاده ازبتن‌های دیرگداز را در محدوده های درجه حرارت متوسط بهبود می‌بخشد. این با افزودن موادی که موجب زینتر شدن و در نتیجه ایجاد واکنش‌های مناسب می‌شوند، میسر است.
عوامل تخلخل زا
برای ساخت بتن‌های متخلخل یا لانه زنبوری از این عوامل استفاده می‌شود. برای تهیه بتن‌های دیرگداز، افزودن پودر آلومینیم به سیمان پرتلند بتن باعث واکنش آلومینیوم با مخلوط آهک – قلیا می‌شود که در نتیجه هیدروژن متصاعد می‌شود و بتن متخلخل به دست می‌آید.
آب
آب دو نقش اساسی دارد.
- مخلوط خشک مواد پرکننده و عامل چسباننده را قابل مصرف می‌سازد.
- با عامل چسباننده واکنش انجام داده و واکنش‌های آبگیری (هیدراسیون) و سخت شدن (گیرش) را سبب می‌شود. نسبت آب در هر یک از بتن‌هایی که احتیاج به آب دارند باید به دقت مراعات شود.
انواع بتن‌های دیرگداز
انواع بتن‌های دیرگداز را می‌توان به صورت زیر نام برد.
- بتن‌های دیرگداز با عامل اتصال سیمانی.
- بتن‌های دیرگداز با عامل اتصال چسب شیشه
- بتن‌های دیرگداز ساخته شده با چسب منیزیایی.
- مواد دیرگداز شبه بتنی با عامل اتصال فسفات.
- بتن مسلح دیرگداز
مزیت‌های بتن‌های دیرگداز نسبت به نسوزهای معمولی
مصرف بتن‌های دیرگداز با قاب فلزی این امکان را بوجود می‌آورد که از پوشش یک لایه بتنی استفاده شود و از مصرف آجرهای چند لایه و پیچیده جلوگیری شود، به علاوه به علت سادگی کار صرفه جویی زیادی در زمان ساخت خواهد داشت.
برای مصرف کننده به علت عوامل زیر کاهش هزینه در بردارد.
- کاهش تعداد کارگر لازم.
- کاهش زمان ساخت و تعمیر پوشش‌های لازم.
- صرفه جویی در هزینه و بهبود تولید.
- در مقایسه با آجرهای نسوز بتن های دیرگداز اغلب در مقابل حملات شیمیایی مقاومت بالا دارند.
- ساییدگی و سایش کمتر و سیکل‌های حرارتی و سادگی مصرف، باعث افزایش روز افزون استفاده از این نوع جرم دیرگداز شده است.
- عواملی در تولید بتن دیرگداز وجود دارند که سبب کاهش هزینه تولید می‌شوند که عبارتند از: نبود یا کاهش فرآیند پرس، خشک کردن، پختن و کم کردن تعداد کارگاه‌ها و وسایل لازم.
- با مصرف قطعات بزرگ پیش ساخته این امکان بوجود می‌آید که از این روش جهت ساخت بدنه کوره‌ها استفاده شود.
- ساخت قطعات پیش ساخته توسط بتن دیرگداز منجر به افزایش راندمان تولید و امکان مکانیزه شدن فرآیند تولید در کارخانجات می شود.
کاربرد بتن‌های دیرگداز
بسته به نوع و کیفیت بتن‌های دیرگداز و مواد اولیه ساخت آن، در ممالک صنعتی، از آنها در قسمت‌های مختلفی استفاده می‌شود. از این مواد در کشورهای آمریکا، آلمان، فرانسه، انگلیس، چکسلواکی، هلند، رومانی و چین در کارخانه‌های صنعتی که در درجه حرارت‌های بالا کار می‌کنند، استفاده می‌نمایند.
موارد کاربرد این بتن‌ها عبارتند از استفاده در ساخت دودکش‌ها، کوره‌های حرارتی، متالوژی آهن و فولاد، تعمیر آستر کوره‌ها، کارخانجات تولید فلزات غیرآهنی، صنایع سرامیکی، صنایع شیشه سازی، صنایع سیمان و آهک، صنایع کک سازی و تولید گاز، صنعت نیرو (بویلرهای حرارتی)، صنایع شیمیایی، فرودگاه و صنایع هواپیما سازی و مهندسی هسته ای و مصارف خانگی.
با توجه به روند تغییرات جهانی تولید و مصرف مواد دیرگداز بخصوص جرم‌های نسوز در سال‌های اخیر می‌توان ویژگی‌های آینده را به شرح زیر پیش بینی کرد:
- افزایش مصرف بتن‌های دیرگداز
- استفاده هرچه بیشتر از تکنیک‌های تعمیرات موضعی در جداره‌های دیرگداز به جای تعویض کامل آنها.
- بهینه سازی روش‌های تولید و تعمیر.
- کاربرد هرچه بیشتر مواد اولیه بازیافتی از مواد دیرگداز مستعمل برای تولید محصولات جدید.
- بهبود خواص جهت افزایش طول عمر و کشف عامل‌های چسباننده و پرکننده مقاوم تر در برابر حرارت‌های بالا.
