采用輕質(zhì)粘土、頁巖陶粒、輕質(zhì)高鋁為輕質(zhì)骨料，粉煤灰漂珠為細(xì)粉，應(yīng)用微粉、超微粉及復(fù)合外加劑技術(shù)，對輕質(zhì)、高強(qiáng)、隔熱耐火澆注料進(jìn)行了試驗(yàn)室研究，分析討論了輕質(zhì)澆注料的體積密度、氣孔率、導(dǎo)熱系數(shù)、強(qiáng)度及施工用水量的關(guān)系。從而研發(fā)出了輕質(zhì)隔熱耐火澆注料。
表1輕質(zhì)澆注料的性能指標(biāo)
表1是目前輕質(zhì)澆注料的典型的性能指標(biāo)。可以看出，市場上的商品高強(qiáng)度輕質(zhì)澆注料的抗壓強(qiáng)度在30MPa以上，體積密度都很大，已接近重質(zhì)澆注料。
研究輕質(zhì)高強(qiáng)隔熱耐火澆注料，就是要 克服既要高強(qiáng)度、使用溫度高，又要體積密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低、收縮小的矛盾。
1. 試驗(yàn)方法
將各種物料按一定比例混合，澆注成40mm×40mmx160mm的試塊，110°C/24h烘干，測定試塊的體積密度、強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度大于30MPa樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，測定樣品的1100℃燒后的線變化率。
2. 原材料的選擇
以頁巖陶粒、粘土陶粒、輕質(zhì)粘土為骨料，漂珠、焦寶石及硅灰分別為細(xì)粉和微粉，分散劑、減水劑為復(fù)合外加劑，高鋁水泥為結(jié)合劑。其部分原料的理化性能見表2。
表2 原料的成分特性
3.試驗(yàn)結(jié)果
通過對各種原料的配比試驗(yàn)，水泥品種及細(xì)度的研究，以及微粉和外加劑的系統(tǒng)研究，從中找出體積密度小而強(qiáng)度高的理想配比。其試驗(yàn)結(jié)果見表3。
表3 輕質(zhì)澆注料的性能指標(biāo)
從表3可以看出，六組試驗(yàn)結(jié)果中，110°C烘干后樣品的體積密度除第三組稍大于1600kg/m3以外，其余各組均小于1600(kg/m3)，抗壓強(qiáng)度都大于30MPa、抗折強(qiáng)度都大于3.0MPa，1000t燒后的線收縮率都小于0.5%。與市場上的輕質(zhì)澆注料相比，表3中樣品的性能指標(biāo)都比較優(yōu)越，達(dá)到了輕質(zhì)、高強(qiáng)的要求。
分析與討論
輕質(zhì)高強(qiáng)隔熱耐火澆注料目的就是要解決產(chǎn)品既要使用溫度高、強(qiáng)度高，又要體積密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低、收縮小的矛盾。以下從樣品的體積密度、氣孔率、強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)及施工用水量的相互關(guān)系，來分析討論輕質(zhì)澆注料的質(zhì)量。
1.體積密度與強(qiáng)度的關(guān)系
體積密度是輕質(zhì)隔熱耐火澆注料的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對其它性能有很大的影響。輕質(zhì)耐火澆注料的體積密度主要取決于所用輕骨料的體積密度。輕骨料的體積密度越小，由此所配制的輕質(zhì)澆注料的體積密度也越小。此外，配料比例對輕質(zhì)澆注料的體積密度也有影響，結(jié)合材料和細(xì)粉的用量越多，澆注料的體積密度越大。輕質(zhì)隔熱耐火澆注料的體積密度與強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示，在骨料、膠結(jié)材料和摻和料相同的情況下，體積密度越大，強(qiáng)度越高.但會影響輕質(zhì)澆注料的隔熱性能。此外，輕質(zhì)骨料的強(qiáng)度也是影響輕質(zhì)澆注料強(qiáng)度的重要因素
圖1 輕質(zhì)耐火澆注料的體積密度及強(qiáng)度的關(guān)系(110℃烘干)
2.體積密度、溫度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系
輕質(zhì)隔熱耐火澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)與輕質(zhì)骨料的種類、膠結(jié)材料及體積密度有密切的關(guān)系。一般情況下，同種材質(zhì)的澆注料的體積密度越小，導(dǎo)熱系數(shù)也小，圖2示出了它們的關(guān)系。
輕質(zhì)澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度也有很大的關(guān)系，通常情況下，溫度越高，導(dǎo)熱系數(shù)越大。在實(shí)際應(yīng)用中，由于輕質(zhì)隔熱耐火繞注料內(nèi)襯斷面上存在著溫度梯度，在不同的部位發(fā)生不同的物理變化，也影響其導(dǎo)熱系數(shù)。圖3是輕質(zhì)澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系。
圖2輕質(zhì)澆注料的體積密度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系
圖3輕質(zhì)隔熱澆注料的高溫導(dǎo)熱系數(shù)
一般情況下，500°C至900°C之間，導(dǎo)熱系數(shù)較低，因?yàn)樵谶@一區(qū)域，水化物結(jié)合和化學(xué)結(jié)合受到部分破壞，也就是結(jié)合水開始排出，還未達(dá)到形成陶瓷結(jié)合的溫度，氣孔率較高，導(dǎo)熱系數(shù)相對較低。當(dāng)加熱溫度大于1000°C時發(fā)生了高溫化學(xué)反應(yīng)和燒結(jié)作用，形成了很強(qiáng)的陶瓷結(jié)合，這時的導(dǎo)熱系數(shù)比前一段的高。
3.輕質(zhì)澆注料的體積穩(wěn)定性
輕質(zhì)隔熱澆注料是不需經(jīng)過預(yù)燒，就在窗爐內(nèi)直接加熱至高溫下使用，但烘干和受熱后產(chǎn)生過大的收縮會導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋而破壞。圖4是輕質(zhì)隔熱澆注料加熱時的線變化。通常情況下，輕質(zhì)澆注料的體積密度越大，線收縮率隨溫度的升高而增加的越小。反之，線收縮率隨溫度的升高而增加的越大。
圖4 輕質(zhì)隔熱澆注料線變化率與溫度的關(guān)系
4.添加硅微粉對輕質(zhì)澆注料性能的影響
添加硅微粉對澆注料的強(qiáng)度、施工用水量、流動性及隔熱性能等均有很大的影響。正如重質(zhì)澆注料相同，硅微粉和復(fù)合外加劑的聯(lián)合使用，可以降低輕質(zhì)澆注料的施工用水，提高了流動性以及輕質(zhì)澆注料的烘干強(qiáng)度和中溫強(qiáng)度。SiO2超微粉在水中能形成膠體粒子，當(dāng)有分散劑存在時，粒子表面形成雙電層的重疊而產(chǎn)生靜電斥力，即克服了質(zhì)點(diǎn)間的分子間作用力，降低了表面能，阻止了粒子之間的吸付絮凝;同時，粒子周圍吸附了分散劑而形成了溶媒層，增大了澆注料的流動性，降低了施工用水量。活性SiO2超微粉在水中形成了膠體粒子，并且膠體粒子表面吸附了由外加劑解離出的反電荷離子而使電位下降，當(dāng)吸附達(dá)到“等電點(diǎn)”時便發(fā)生了絮凝。摻加硅微粉的澆注料凝結(jié)后，Si02表面形成的—Si—OH基，經(jīng)干燥脫水架橋，形成了(一Si一O一Si—)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而發(fā)生了硬化。在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，硅氧鍵隨著溫度的升高而不斷裂，因此強(qiáng)度也不斷提高，可提高澆注料的中溫強(qiáng)度。
硅灰是從硅鐵合金煙霧中收塵而得的，小于5微米的顆粒占80%以上，輕質(zhì)澆注料中摻加硅灰，使得材料中產(chǎn)生的孔隙微細(xì)-氣體難于產(chǎn)生流動，對流傳熱不易進(jìn)行。同時，也由于材料中的孔隙直徑比氣體分子的平均自由程短，也阻止了由于氣體分子間的碰撞而引起的熱傳遞現(xiàn)象。從材質(zhì)上看，SiO2本身就是導(dǎo)熱系數(shù)低的物質(zhì)。總之，添加硅灰可提高輕質(zhì)澆注料的隔熱性能。
輕質(zhì)高強(qiáng)隔熱耐火澆注料體積密度小于1600kg/m3，110°C /24h烘干后，抗壓強(qiáng)度大于30MPa，1000℃燒后線收縮率小于0.5%。
添加硅微粉和復(fù)合外加劑，可以提高輕質(zhì)澆注料的烘干強(qiáng)度和中溫強(qiáng)度，降低燒注料的施工用水量，改善輕質(zhì)澆注料的隔熱性能。
通過降低澆注料的體積密度，提高烘干和燒后強(qiáng)度，降低了導(dǎo)熱系數(shù)，保證了輕質(zhì)澆注料的高強(qiáng)性。
導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。500°C至900°C間澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)相對較小，1000°C燒后導(dǎo)熱系數(shù)明顯增大。