- 铝酸钙水泥含量对MgO-Al2O3浇注料性能的影响
- 作者：
- 作者机构：
- 分类号：
- 卷号：
- 期号 : 2011 年， 第18期
在Al2O3-MgO浇注料中，铝酸钙水泥的含量对浇注料烧后的残余膨胀设计有重要影响。在温度高于1 400 ℃时，铝酸钙相和Al2O3反应生成CA6，同时伴随有体积膨胀。而在MgO-Al2O3浇注料中，Al2O3先主要反应生成尖晶石。没有足够的Al2O3反应生成CA6，因此会形成其他含钙相如C2S相，从而影响浇注料的性能。巴西的研究人员研究了铝酸钙水泥加入量对MgO-Al2O3浇注料性能的影响。
根据Alfred模型（分布系数q=0.26）设计浇注料的配比，见表1。对于MgO-Al2O3浇注料，以电熔镁砂（w(MgO)=98%，CaO/SiO2=3.5）为骨料；浇注料基质组成为：死烧镁砂（w(MgO)=95%，CaO/SiO2=0.36）、活性氧化铝（CL370C）、板状氧化铝细粉（D＜200 μm）、SiO2微粉（971U），铝酸钙水泥（Secar71）加入量分别为2%、4%和6%。浇注料中Al2O3细粉总量固定为15%（7%活性氧化铝+8%板状氧化铝细粉）以保证高温烧成后生成21%的原位尖晶石。此外，还以板状氧化铝（D＜6 mm）为骨料，添加6%的铝酸钙水泥配制成Al2O3-CAC（A-CAC）浇注料，该配方中不加MgO，以区分最初处理阶段（养护和干燥）水泥和MgO的水化效果。浇注料均以聚羧酸酯为分散剂，其中，MgO-Al2O3浇注料的加水量为4%，Al2O3-CAC浇注料加水量为4.3%。将浇注料在流变仪内搅拌5 min后，浇注成所需形状试样，在50 ℃的潮湿环境中养护。
为了考察MgO的水化，制备圆柱试样（φ40 mm×40 mm）进行抗张力劈裂强度测试与热重分析。力学性能测试根据美国标准ASTM C496-90进行，分别测试试样养护1天、3天、5天或7天后的抗张劈裂强度。热重分析（TG）采用养护1天后的试样，以10 ℃·min-1的加热速度升至800 ℃。采用荷重软化温度测试仪研究浇注料在烧结过程中的加热线变化情况：在0.02 MPa的恒定荷载下，以3 ℃·min-1的加热速度升至1 500 ℃，然后保温5 h。所需试样根据标准DIN51053制备，圆柱试样的高度和外部直径均为50 mm，内径为12.4 mm，试验之前先在600 ℃热处理5 h。对浇注料进行热力学模拟来分析相平衡时所可能存在的物相。此外，采用SEM和EDS对烧后试样进行显微结构分析与相组成分析。
表1 MgO-Al2O3浇注料及对比样Al2O3-CAC的配比（w）/%
成分 |
MA |
A-CAC | ||
|
电熔镁砂（D＜4.75 mm） |
72 |
74 |
76 |
- |
|
板状氧化铝（D＜6 mm） |
- |
- |
- |
62 |
|
板状氧化铝（D＜200 μm） |
8 |
8 |
8 |
18 |
|
板状氧化铝（D＜45 μm） |
- |
- |
- |
6 |
|
活性氧化铝 |
7 |
7 |
7 |
7 |
|
死烧镁砂（D＜45 μm） |
6 |
6 |
6 |
- |
|
铝酸钙水泥 |
6 |
4 |
2 |
6 |
|
SiO2微粉 |
1 |
1 |
1 |
1 |
MA和A-CAC浇注料（含有6%铝酸钙水泥）经不同时间养护后的劈裂强度处于相同水平，这表明，高MgO含量组成（MA）具有足够的力学强度来抵挡生成氢氧化镁所产生的应力。热重分析曲线显示，MA和A-CAC浇注料在100～250 ℃以及400 ℃具有不同之处；这主要是因为A-CAC浇注料加水量较高（4.3%），使浇注料的透气性增大，从而使浇注料的脱水更容易；此外，MA浇注料中氢氧化镁的生成产生的膨胀填充气孔可能会使浇注料的透气性降低。400 ℃的不同之处主要和氢氧化镁的分解有关。
对于MA浇注料，随着水泥加入量的增加，养护后试样的力学强度逐渐增大；此外，无论水泥含量多少，所有试样均随养护时间的延长而强度逐渐增大，该结果表明，即使水泥加入量很低（2%），浇注料也可以获得足够的力学强度来抵抗MgO水化产生的应力。热重分析结果显示，含6%铝酸钙水泥试样的氢氧化镁分解峰最强，表明水泥可以促进MgO的水化；水泥含量较低的试样具有较高的渗透性，因而在初始阶段脱水较快。
尽管水泥含量不同，但三种MA浇注料加热到1 500 ℃时的线变化曲线大致相同：随温度的升高，试样均产生热膨胀，在1 200 ℃时生成尖晶石产生的膨胀最明显，随后在1 400 ℃时产生烧结收缩。水泥含量降低，收缩逐渐减少，这和液相的生成量减少有关。试样的总体膨胀随水泥含量的增加而减小。
1 300 ℃烧后，含6%水泥的MA浇注料的基质组成有：CA2、尖晶石、MgO和Al2O3；1 500 ℃烧后，其基质中含Al2O3的相只有尖晶石，另外还有C2S相存在。这表明，CA2参与了生成尖晶石的反应；结合相图可知CA2和CaO会反应生成过渡性低熔相（C12A7），从而引起浇注料的收缩，这是不同水泥含量浇注料在1 450 ℃产生不同收缩幅度的主要原因。含6%水泥的MA浇注料收缩率最大，然后依次是含水泥4%试样、含水泥2%试样。
热力学模拟结果显示：水泥含量较低（2%和4%）的试样中，液相会在较低温度下生成，并且含2%水泥浇注料中的初始液相量更多，但是在1 450 ℃时，含4%水泥浇注料中的液相量更多；含6%水泥浇注料液相在约1 435 ℃开始生成。
总之，通过设计MgO-Al2O3浇注料的颗粒级配及选用粗颗粒电熔镁砂可以控制氢氧化镁的形成对浇注料产生不利影响。铝酸钙水泥加入量增加会促进氢氧化镁的生成，使浇注料的渗透性降低，但并没有影响其养护后的强度。由于在高温下会生成过渡性液相，高水泥含量浇注料会显示出烧结收缩。