對(duì)干熄焦?fàn)t斜道支柱耐火材料損毀分析可知，提高耐火材料的抗折強(qiáng)度及抗熱震性能是延長其使用壽命的有效途徑。在莫來石-碳化硅澆注料中引入鋼纖維進(jìn)行增強(qiáng)增韌，提高其使用壽命。而結(jié)合劑種類對(duì)耐火澆注料的施工性能與使用性能至關(guān)重要，本文以純鋁酸鈣水泥(Secar71)、硅溶膠和鋁硅凝膠粉三種結(jié)合劑對(duì)澆注料結(jié)構(gòu)與性能的影響，以確定合適的結(jié)合劑。實(shí)驗(yàn)配方見表1，研究分別以純鋁酸鈣水泥(Secar71)、硅溶膠和鋁硅凝膠粉為結(jié)合劑對(duì)莫來石-碳化硅澆注料的影響。
1、常規(guī)物理性能
可以看出，在110℃烘干后和1000℃熱處理后，鋁酸鈣水泥結(jié)合的試樣顯氣孔率最小，體積密度最大，說明水泥結(jié)合的澆注料流動(dòng)值最好，有利于試樣成型;鋁酸鈣水泥結(jié)合試樣在850℃時(shí)大量脫水使得顯氣孔率增加，體積密度降低，1000℃熱處理后試樣燒結(jié)收縮，致密度增大。
不同結(jié)合劑對(duì)材料抗折強(qiáng)度的影響
可以看出，不同結(jié)合劑的試樣常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度都隨著熱處理溫度的升高而提高;在110℃烘干后，鋁酸鈣水泥結(jié)合的試樣抗折強(qiáng)度最高，為7.5MPa，鋁硅凝膠粉結(jié)合的試樣強(qiáng)度最低，這說明水泥與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而凝固、硬化并獲得的強(qiáng)度最高，最有利于耐火澆注料的施工安全。850℃熱處理后，三種結(jié)合劑的試樣常溫抗折強(qiáng)度差別不明顯，鋁酸鈣水泥結(jié)合的試樣常溫耐壓強(qiáng)度最高，為53.6MPa;1000℃熱處理后，鋁酸鈣水泥結(jié)合的試樣常溫抗折強(qiáng)度最大，為14.3MPa，鋁硅凝膠粉結(jié)合的試樣常溫耐壓強(qiáng)度最大，為70.2MPa。說明鋁酸鈣水泥水化后產(chǎn)生的一鋁酸鈣CA、二鋁酸鈣CA2、和七鋁酸十二鈣C12A7等物相具有較高的結(jié)合強(qiáng)度;鋁硅凝膠粉中納米Al2O3和SiO2反應(yīng)生成莫來石結(jié)合相，能提高澆注料的強(qiáng)度。
2、孔徑分布
從圖5、6可以看出，1000℃熱處理后，鋁酸鈣水泥結(jié)合試樣(A組試樣)的平均孔徑為0.23μm，中位徑為0.74μm，其孔徑分布最集中(0.01μm~2μm);硅溶膠結(jié)合的試樣(B組試樣)的平均孔徑最小，為0.13μm，中位徑為0.40μm，其孔徑分布較廣(0.01μm~4μm);鋁硅凝膠粉結(jié)合的試樣(C組試樣)的平均孔徑最大，為0.28μm，中位徑為0.77μm，其孔徑分布范圍為(0.01μm~6μm)，但孔徑集中分布在(0.01~1μm)之內(nèi)。
從圖7可以看出，硅溶膠結(jié)合的試樣高溫抗折強(qiáng)度最高，為13.7MPa，水泥結(jié)合的試樣與鋁硅凝膠粉結(jié)合的試樣高溫抗折強(qiáng)度則較低，分別為7.8MPa、8.3MPa。這是因?yàn)楣枞苣z中納米SiO2會(huì)在試樣中形成硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且反應(yīng)活性極高，在1000℃時(shí)極易與活性α-Al2O3微粉反應(yīng)形成莫來石網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了試樣的強(qiáng)度;鋁硅凝膠粉中SiO2含量較少，其試樣在1000℃形成莫來石網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不如硅溶膠結(jié)合的試樣牢固，高溫抗折強(qiáng)度較低;鋁酸鈣水泥中含有一定量的CaO，容易在高溫下與材料中的SiO2和Al2O3形成3CaO×Al2O3、2CaO×Al2O3×SiO2等低熔點(diǎn)物相，在高溫下變成液相，降低了試樣的高溫抗折強(qiáng)度。
3.2.4熱震穩(wěn)定性
從圖8、9可以看出，硅溶膠結(jié)合的試樣殘余抗折強(qiáng)度最高，為7.8MPa，鋁硅凝膠粉結(jié)合的試樣殘余抗折強(qiáng)度最小，為5.3MPa，鋁酸鈣水泥結(jié)合的試樣殘余抗折強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度保持率都較高。鋁酸鈣水泥結(jié)合的試樣與硅溶膠結(jié)合的試樣抗熱震性能較好的原因可能分別是集中的孔徑分布和硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在非均質(zhì)多相耐火材料內(nèi)部，由于各相物質(zhì)熱膨脹系數(shù)的差異，使得材料在熱膨脹失配過程中產(chǎn)生大量的微裂紋，材料內(nèi)部的微裂紋不僅能吸收彈性應(yīng)變能，降低主裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力，而且將裂紋尖端集中的應(yīng)力進(jìn)行分散，消耗裂紋擴(kuò)展的能量，有利于提高材料的抗熱震性能。
5、耐磨性能
不同結(jié)合劑的試樣經(jīng)1000℃燒成后進(jìn)行耐磨試驗(yàn)，結(jié)果如圖10所示。可以看出，鋁酸鹽水泥結(jié)合的試樣與鋁硅凝膠粉結(jié)合的試樣磨損量較小，其中鋁酸鹽水泥結(jié)合的試樣磨損量最小，為3.75cm3，硅溶膠結(jié)合的試樣磨損量最大，為7.58cm3。對(duì)于包含骨料與基質(zhì)的非均質(zhì)耐火材料而言，沖刷磨損一般先將基質(zhì)沖刷掉，使得突出的孤島狀顆粒成為磨損的重點(diǎn)，顆粒脫落后，形成裂紋，加劇周圍基質(zhì)的進(jìn)一步損毀。鋁酸鹽水泥結(jié)合的試樣致密度較高，SiO2微粉與水泥水化物之間形成Si-O-Al結(jié)合鍵，基質(zhì)結(jié)合緊密，耐磨性較好;鋁硅凝膠粉結(jié)合的試樣中納米Al2O3與SiO2反應(yīng)生成莫來石基質(zhì)，能提高耐磨性能;硅溶膠結(jié)合的試樣基質(zhì)中由于存在大量微裂紋，不利于抗沖刷磨損。
6、顯微結(jié)構(gòu)分析
從圖11可以看出，經(jīng)1000℃熱處理后，鋁酸鈣水泥結(jié)合的試樣中基質(zhì)與骨料之間結(jié)合最為緊密，這就是試樣致密度較高、強(qiáng)度較高、耐磨性較好的原因，同時(shí)基質(zhì)中含有大量微裂紋，所以試樣的孔徑分布集中和熱震穩(wěn)定性較好;硅溶膠結(jié)合的試樣中存在大量空隙及微裂紋，這就是試樣顯氣孔率高、孔徑分布廣和耐磨性差的原因，同時(shí)試樣中存在大量硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以試樣的高溫抗折強(qiáng)度高和抗熱震性能好;鋁硅凝膠粉結(jié)合的試樣中骨料與基質(zhì)結(jié)合狀態(tài)較好，基質(zhì)中存在大量柱狀莫來石網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得試樣具有較好的力學(xué)性能和耐磨性能。
(a)水泥結(jié)合試樣(b)硅溶膠結(jié)合試樣(c)鋁硅凝膠粉結(jié)合試樣
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