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關于黏土結合耐火澆注料的幾個知識點

2023/11/30

黏土的膠結原理

1、黏土的解膠機理
軟質黏土與適量的水混合時，能形成黏結性的物料;與過量的水混合時，能形成懸浮液即泥漿，而且能保持數(shù)天不澄清。這是由于黏土具有膠體特性的緣故。對于黏土膠體顆粒來
說，由于同晶取代和斷鍵的作用，其顆粒表面帶有負電荷。平衡離子為H*、Ca2?、Mg2?、Na?、K?的混合物，而且這些平衡離子是可交換離子?；诖?，黏土懸浮液是中性的。也就是說，在泥漿中，黏土能吸附陽離子并中和其自身的陰離子，使泥漿呈現(xiàn)中性。同時，黏土顆粒表面所吸附的陽離子，還可被其他陽離子所置換。
對于任何黏土來說，其獲得陽離子的最大數(shù)為常數(shù)，稱為陽離子的置換能力，它取決于陽離子的化合價、水化離子半徑和生成物的溶解度。一般來說，陽離子化合價越高，置換能力越強;在化合價相等時，水化離子半徑越大，置換能力越強。陽離子的置換能力，按下列順序排列：H?>Mg2?>Ca2?>Li?>Na?>K*。若黏土顆粒表面先吸附了右邊的陽離子，則左邊的陽離子很容易置換右邊的陽離子。
陽離子置換量隨著黏土的比表面積提高而增加，同時與黏土的礦物結構密切相關。在黏土膠體中，黏土顆粒吸引其他分子或離子、并減小其表面自由能，稱為吸附。陽離子交換也是一種特殊的吸附。黏土顆粒吸附了眾多的陽離子，同時也包裹了不少的自由水。
在黏土泥漿中，黏土顆粒之間存在有范德華引力，因其顆粒具有一定的ζ電位，同性電荷相斥，所以黏土顆粒之間也存在斥力。當ζ電位較大時，顆粒之間的斥力也增大。如果其斥力超過范德華引力時，黏土顆粒之間則難以互相靠攏，故泥漿的流動性增加，即黏土泥漿被解膠分散了。
在黏土泥漿中，摻加堿金屬離子時，就會被帶有負電性的黏土顆粒所吸附，并迅速形成堿離子-黏土。因為堿金屬離子的正電性較強，ζ電位高，所以黏土顆粒之間的斥力也較大，即分散了黏土泥漿。對黏土結合耐火澆注料來說，結合黏土被解膠分散了，可減少用水量，改善成型性能。
堿金屬離子具有較高的ζ電位。因此，含有堿金屬離子的電解質，能使黏土膠體解膠和分散，故稱該類物質為分散劑。常用的分散劑有三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、碳酸鈉、硅酸鈉、草酸鈉、酒石酸鈉和海藻酸鈉等。
2、黏土的硬化機理
黏土的硬化機理，也是利用其陽離子置換特性，改變ζ電位，就能使黏土發(fā)生絮凝和硬化。如前所述，若ζ電位較小時，黏土顆粒之間的斥力也減小。如果斥力小于范德華引力時，致使其顆粒之間靠攏和連結，并形成網(wǎng)狀結構，同時包裹了部分自由水，使黏土膠粒發(fā)生絮凝。
在堿離子-黏土泥漿中，在摻加堿土金屬離子時，根據(jù)陽離子置換順序，它將置換黏土顆粒表面所吸附的堿金屬離子。堿土金屬離子具有較低的ζ電位。因此，含有堿土金屬離子的電解質，能使黏土泥漿失去流動性而發(fā)生絮凝，故稱該類物質為絮凝劑，也叫做促凝劑。應當指出，在黏土結合耐火澆注料中，分散劑和促凝劑是同時摻加的，而且某些促凝劑會削弱或消除分散劑的分散效果，致使?jié)沧⒘蠁适┕ち鲃有裕踔翢o法施工。所以，應選擇遲效促凝劑。在拌料和成型時，分散劑起作用，遲效促凝劑不影響分散效果，也不起促凝作用。成型后，促凝劑發(fā)揮絮凝作用，并使?jié)沧⒘嫌不?。具備該種特性的材料，一般選擇水泥。它含有Ca2?,必須水化后，方能釋放出來。常用的促凝劑有高鋁水泥、鋁-60水泥、燒結或電熔氧化鋁水泥、快硬高鋁水泥和硅酸鹽水泥等。
黏土結合耐火澆注料加水拌和后，可以認為形成了黏土-水泥-水系統(tǒng)。由于含鈉的電解質的分散作用，使黏土顆粒帶有正電荷(Na*)且被分散，具有良好的流動性，能振動成型;凝結硬化時，首先水泥促凝劑發(fā)生水化作用，形成CA和C?S等礦物的水化物，這樣所含的鈣離子(Ca2?)方能釋放出來。其次，根據(jù)陽離子置換順序可知，Ca2?可置換黏土顆粒表面上所帶的Na*,從而使黏土耐火澆注料發(fā)生了凝結硬化。同時，由于結合黏土的存在，也能促進鋁酸鹽水泥中的CA和硅酸鹽水泥中C?S等水化礦物的水化速率，使其膠凝作用有所加強。綜上所發(fā)生的物理化學變化，就是黏土耐火澆注料的硬化機理。

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黏土結合澆注料

黏土結合耐火澆注料是用軟質黏土作結合劑，與耐火骨料和粉料及外加劑按比例配制的澆注料，簡稱黏土耐火澆注料。它與黏土質耐火澆注料是根本不同的。所謂黏土質耐火澆注料系指耐火骨料為黏土熟料，并用任何適宜的結合劑配制而成。
普通黏土耐火澆注料與鋁酸鹽水泥耐火澆注料相比，具有強度高、中溫強度不下降、耐剝落性好等特點;與耐火可塑料相比，具有施工方便和易于貯存等特點。其使用溫度一般為1400～1500℃。普通黏土耐火澆注料在均熱爐和加熱爐等火焰爐中，獲得廣泛的應用，并取得了良好的經(jīng)濟效果。
黏土耐火澆注料的配合比是多種多樣的。在國外，一般用礬土熟料和特級黏土熟料作骨料，用量為55%～75%;耐火粉料為氧化鋁粉和礬土熟料粉，用量為20%～35%;以球黏土粉為結合劑，用量為10%～15%;聚磷酸鹽分散劑0.05%～1.0%,高鋁水泥促凝劑0.5%～1.0%,水8%～9%。在國內(nèi)，耐火骨料一般用二、三級礬土熟料和特級黏土熟料，用量為60%～70%,最大粒徑為10mm或8mm,顆粒級配：5～10(8)mm45%～60%,0.15～5mm40%～55%。耐火粉料用特級或一、二級礬土熟料制成，細度要求為小于0.09mm的應大于90%;結合劑最好用廣西泥(或永吉4*泥),也可用焦作泥或蘇州泥與南京泥復合使用等，其細度要求為小于0.09mm的應大于60%,越細越好，用量一般為9%~12%;分散劑用三聚磷酸鈉，用量一般為0.1%～0.2%;促凝劑用高鋁水泥和鋁-60水泥，耐壓強度為525MPa或625MPa,用量為1.5%～2.5%,用耐壓強度為525MPa的硅酸鹽水泥時，用量為0.15%～0.20%;水用量為8%～10%,在保證施工和易性的條件下，應盡量少用。
配制高強度黏土耐火澆注料的基本技術措施是提高耐火骨料和粉料的品級，摻加超微粉和復合外加劑，從而降低混煉時的水用量、增強組織結構的致密性、降低氣孔率、提高強度和高溫性能。在耐火骨料方面，可以全部或部分采用白剛玉、棕剛玉、莫來石和硅線石等材料，同時也要提高高鋁礬土熟料的品級，這樣可提高黏土耐火澆注料的高溫性能。一般來說，剛玉、莫來石和硅線石等材料，全部采用時成本較高，摻加20%～30%時即有明顯的效果。

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影響性能的因素

(1)黏土結合劑。黏土結合劑是黏土耐火澆注料的主體材料之一，也是基質的重要組成部分。因此，黏土結合劑的品種和用量，對其性能有重要影響。結合黏土品種較多，即使一個地方的黏土，因礦點的不同，其性能也有所區(qū)別。實踐證明，不是所有的結合黏土都能作黏土結合劑，只有廣西泥和水吉4*泥比較好，焦作泥次之，水曲柳等黏土也能勉強使用，但黏性大，需水量多，性能較差，一般不推薦使用?？傊?，黏土結合劑的選擇得當，就能配制成性能良好的耐火澆注料。
黏土結合劑用量為9%～12%。因為結合黏土含有較多的低熔點物質，耐火性能較差，在滿足配制黏土耐火澆注料的技術要求時，應盡量減少其用量。
(2)促凝劑。黏土耐火澆注料用促凝劑，其品種和用量影響澆注料的性能，對于常溫耐壓強度和1400℃高溫耐壓強度來說，燒結或電熔氧化鋁水泥的作用效果比高鋁水泥的好，但成本增加較多;隨著促凝劑用量的增加，常溫耐壓強度提高，1400℃高溫耐壓強度和變形4%的荷重軟化溫度則不斷降低，1400℃燒后線變化由膨脹轉為收縮，1400℃燒后耐壓強度變化無規(guī)律。
綜上分析，普通黏土耐火澆注料用促凝劑一般采用耐壓強度為525MPa或625MPa的高鋁水泥。其用量為1.5%～2.5%時最佳，即常溫性能可滿足施工要求，并具有良好的高溫性能。當耐火澆注料的使用溫度為1000～1300℃時，其促凝劑用量可增加到3%～4%。
(3)耐火骨料。在黏土耐火澆注料中，耐火骨料起骨架作用，是其重要組成部分，占總料量的60%～70%。耐火骨料品種依A1?O?含量為依據(jù)，隨Al?O?含量的增加，高溫耐壓強度提高，荷重軟化溫度開始點(變形0.6%)也提高，變形4%的荷重軟化溫度均大于1520℃,三級礬土熟料骨料的略高些。因此，普通黏土耐火澆注料廣泛采用三級礬土熟料作耐火骨料，并取得了良好的使用效果。
黏土耐火澆注料用的耐火骨料級配，還有耐火粉料的品種和細度，水用量和施工條件等因素，對其性能也有一定的影響，與水泥耐火澆注料的基本類似。
(4)分散劑。分散劑的品種較多，經(jīng)過篩選，普遍采用三聚磷酸鈉，取得了良好的分散效果，其用量占黏土結合劑質量的1%～2%,即占總料質量的0.09%～0.24%。分散劑的具體用量，經(jīng)試驗確定。