Под термической стойкостью огнеупорных изделий понимают способность их выдерживать резкие колебания температуры без нарушения внутренней структуры материала. В условиях работы тепловых агрегатов огнеупорные изделия во многих случаях подвергаются действию резких колебаний температуры, что и является одной из причин появления трещин и отколов вследствие возникновения в них напряжений при уменьшении или увеличении объема. Термическая стойкость шамотных изделий колеблется в весьма широких пределах в зависимости от структуры, определяющейся подержанием и гранулометрическим составом шамота в массе, а также способом формования изделий, и составляет от 5 до 25 теплосмен (с охлаждением водой).
Термическая стойкость определяется числом теплосмен, при которых происходит эта потеря веса. Когда испытания на термическую стойкость проводятся для получения сравнительной характеристики материалов, а также при проведении исследовательских работ, применяют небольшие образцы, имеющие форму цилиндра или прямоугольной плиточки. Испытание готовой продукции ведется обычно на целых изделиях. Существующие методы определения термической стойкости огнеупорных материалов мало применимы для жароупорных бетонов, да к тому же и излишне жестки. Термическая стойкость жароупорных бетонов на портландцементе с различными добавками (микронаполнителями) и заполнителем из шамота, характеризуемая количеством теплосмен (при температуре нагрева 800° и охлаждении в воде), лежит в следующих пределах: а) до появления волосных трещин—10—15 и б) до появления открытых трещин—20 25.
Средняя относительная прочность (на сжатие) после 25 теплосмен с охлаждением в воде составляет 75—80%.
Жароупорный бетон с заполнителем из хромита по сравнению с шамотным бетоном имеет значительно меньшую термическую стойкость. Отдельные куски шлака, помещенные в муфельную печь, нагретую до температуры 800°, с сильным треском разлетаются на малые куски. Если же куски шлака поместить в холодную печь и затем нагревать печь, то куски шлака начнут растрескиваться примерно при температуре 200—300°, продолжается это до 800°, хотя при температуре выше 500° растрескивание проявляется значительно слабее.
Все куски исследуемых отвальных доменных шлаков имеют примерно одинаковую и к тому же весьма малую термическую стойкость, несмотря на различную пористость, размеры пор и цвет. Столь малая термическая стойкость шлака вначале вызвала даже сомнение в возможности использования его в качестве заполнителя в жароупорном бетоне. В бетоне шлак значительно лучше выдерживает резкие изменения температуры. Это можно, объяснить тем, что цементный камень и окружающий бетон в известной степени предохраняют куски шлака от резких колебаний температуры, как бы смягчая тепловой удар. Кроме того, вследствие усадки цементного камня частицы заполнителя (в данном случае шлак) подвергаются всестороннему сжатию. Это препятствует развитию в заполнителе растягивающих напряжений, вызванных неравномерным нагревом, которые, по-видимому, и приводят к растрескиванию.
Предел прочности при сжатии жароупорного бетона на керченском, днепродзержинском и магнитогорском шлаках нередко доходил до 400 кг/см2. Таким образом, можно утверждать, что по прочности шлаки позволяют получить бетон необходимых марок, применяемых в практике.От кусков шлака, которые выходили на поверхность бетонных образцов или были покрыты тонким слоем цементного раствора, иногда с сильным треском откалывались мелкие кусочки. В таких случаях на поверхности образца образовывалась плоская корочка глубиной до 2—3 мм и площадью примерно до 2—3 см2.
Такие незначительные поверхностные повреждения не нарушают структуру бетона в целом и, следовательно, не могут являться препятствием к применению шлакового заполнителя в жароупорном бетоне. Малая термическая стойкость шлака не обусловливает еще низкой термической стойкости бетона на шлаковом заполнителе. Однако такой бетон имеет сравнительно более низкую термическую стойкость, чем жароупорный бетон на шамотном заполнителе (выдерживающий до 25 и более водяных теплосмен при температуре нагрева 800° с незначительным снижением прочности). Жароупорный бетон на шлаковом заполнителе при водяном охлаждении с 800° выдерживает в среднем 7 теплосмен, причем трещины появляются уже после 1—2 теплосмен. При воздушном охлаждении с 800° такой бетон выдерживает примерно 20 теплосмен, а при охлаждении с 600 и 400°—50 и более теплосмен и сохраняет после этого еще значительную прочность. Сравнительная низкая термическая стойкость жароупорного бетона на шлаковом заполнителе обусловливается, по-видимому, относительно высоким коэффициентом термического расширения шлака.
Этим вызываются большие внутренние напряжения или повреждения структуры в бетоне при первом нагреве, а также нарушения сцепления между цементным камнем и заполнителем. Кроме того, введение шлака повышает коэффициент термического расширения бетона, а при прочих равных условиях увеличение коэффициента термического расширения приводит к снижению термической стойкости бетона. По сравнению с отвальными доменными шлаками, каширский шлак (котельный) обладает достаточной термической стойкостью и жароупорный бетон, приготовленный на этом шлаке, выдерживает более 25 воздушных теплосмен (при температуре нагрева 800°), сохраняя при этом достаточную прочность.
Коэффициент термического расширения каширского шлака в пределах до 800° равен от 2 х 10-6 до 4,5 х 10-6 отвального доменного шлака — около 10 х 10-6. Что же касается влияния отдельных видов тонкомолотой добавки, то можно отметить, что увеличение добавки тонкомолотого шамота несколько снижает термическую стойкость бетона. Это, по-видимому, объясняется тем, что шамот значительно снижает коэффициент термического расширения цементного камня при повторных нагревах. При введении тонкомолотого шлака этот показатель приближается к коэффициенту термического расширения заполнителя. При первом нагреве жароупорного бетона цементный камень претерпевает усадку. В бетоне возникают внутренние напряжения, причем заполнитель подвергается сжатию, а цементный камень — растяжению.
Если после усадки цементный камень и заполнитель имеют равные коэффициенты термического расширения, то на местных внутренних напряжениях между заполнителем и цементным камнем не будут сказываться последующие нагревания и охлаждения. Если же коэффициент термического расширения заполнителя и цементногo камня не равны, то при каждом нагревании и охлаждении будет нарушаться сцепление между заполнителем и цементным камнем, что в первую очередь должно оказаться на снижении термической стойкости жароупорного бетона. Данные в отношении термической стойкости жароупорного бетона на шамотном заполнителе, показали, что лучшие результаты достигнуты при введении тонкомолотого шамота, огнеупорной глины и цемянки, т. е. при применении тонкомолотых добавок, уменьшающих термическое расширение цементного камня и приближающих его к величине термического расширения шамота.