1  粘土的解膠機(jī)理
軟質(zhì)粘土與適量的水混合時，能形成黏結(jié)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?jǐn)?shù)天不澄清。這是由于粘土具有膠體特性的緣故。對于粘土膠體顆粒來說，由于同晶取代和斷鍵的作用，其顆粒表面帶有負(fù)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?，粘土懸浮液是中性的。也就是說，在泥漿中，粘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，粘土顆粒表面所吸附的陽離子，還可被其他陽離子所置換。
對于任何粘土來說，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(qiáng);在化合價相等時，水化離子半徑越大，置換能力越強(qiáng)。陽離子的置換能力，按下列順序排列：H?>Mg2?>Ca2?>Li?>Na?>K*。若粘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。
陽離子置換量隨著粘土的比表面積提高而增加，同時與粘土的礦物結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在粘土膠體中，粘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。粘土顆粒吸附了眾多的陽離子，同時也包裹了不少的自由水。
在粘土泥漿中，粘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，所以粘土顆粒之間也存在斥力。當(dāng)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，粘土顆粒之間則難以互相靠攏，故泥漿的流動性增加，即粘土泥漿被解膠分散了。
在粘土泥漿中，摻加堿金屬離子時，就會被帶有負(fù)電性的粘土顆粒所吸附，并迅速形成堿離子-粘土。因為堿金屬離子的正電性較強(qiáng)，ζ電位高，所以粘土顆粒之間的斥力也較大，即分散了粘土泥漿。對粘土結(jié)合耐火澆注料來說，結(jié)合粘土被解膠分散了，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(zhì)，能使粘土膠體解膠和分散，故稱該類物質(zhì)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  粘土的硬化機(jī)理
粘土的硬化機(jī)理，也是利用其陽離子置換特性，改變ζ電位，就能使粘土發(fā)生絮凝和硬化。如前所述，若ζ電位較小時，粘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(jié)，并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時包裹了部分自由水，使粘土膠粒發(fā)生絮凝。
在堿離子-粘土泥漿中，在摻加堿土金屬離子時，根據(jù)陽離子置換順序，它將置換粘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(zhì)，能使粘土泥漿失去流動性而發(fā)生絮凝，故稱該類物質(zhì)為絮凝劑，也叫做促凝劑。應(yīng)當(dāng)指出，在粘土結(jié)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?，甚至無法施工。所以，應(yīng)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(jié)或電熔氧化鋁水泥、快硬高鋁水泥和硅酸鹽水泥等。
粘土結(jié)合耐火澆注料加水拌和后，可以認(rèn)為形成了粘土-水泥-水系統(tǒng)。由于含鈉的電解質(zhì)的分散作用，使粘土顆粒帶有正電荷(Na*)且被分散，具有良好的流動性，能振動成型;凝結(jié)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?可置換粘土顆粒表面上所帶的Na*,從而使粘土耐火澆注料發(fā)生了凝結(jié)硬化。同時，由于結(jié)合粘土的存在，也能促進(jìn)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(qiáng)。綜上所發(fā)生的物理化學(xué)變化，就是粘土耐火澆注料的硬化機(jī)理。
3  粘土結(jié)合澆注料

粘土結(jié)合耐火澆注料是用軟質(zhì)粘土作結(jié)合劑，與耐火骨料和粉料及外加劑按比例配制的澆注料，簡稱粘土耐火澆注料。它與粘土質(zhì)耐火澆注料是根本不同的。所謂粘土質(zhì)耐火澆注料系指耐火骨料為粘土熟料，并用任何適宜的結(jié)合劑配制而成。
普通粘土耐火澆注料與鋁酸鹽水泥耐火澆注料相比，具有強(qiáng)度高、中溫強(qiáng)度不下降、耐剝落性好等特點(diǎn);與耐火可塑料相比，具有施工方便和易于貯存等特點(diǎn)。其使用溫度一般為1400～1500℃。普通粘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(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。
粘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粘土熟料作骨料，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%;以球粘土粉為結(jié)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粘土熟料，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(xì)度要求為小于0.09mm的應(yīng)大于90%;結(jié)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(fù)合使用等，其細(xì)度要求為小于0.09mm的應(yīng)大于60%,越細(xì)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(qiáng)度為525MPa或625MPa,用量為1.5%～2.5%,用耐壓強(qiáng)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(yīng)盡量少用。
配制高強(qiáng)度粘土耐火澆注料的基本技術(shù)措施是提高耐火骨料和粉料的品級，摻加超微粉和復(fù)合外加劑，從而降低混煉時的水用量、增強(qiáng)組織結(jié)構(gòu)的致密性、降低氣孔率、提高強(qiáng)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，這樣可提高粘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。
4  影響性能的因素
(1)粘土結(jié)合劑。粘土結(jié)合劑是粘土耐火澆注料的主體材料之一，也是基質(zhì)的重要組成部分。因此，粘土結(jié)合劑的品種和用量，對其性能有重要影響。結(jié)合粘土品種較多，即使一個地方的粘土，因礦點(diǎn)的不同，其性能也有所區(qū)別。實踐證明，不是所有的結(jié)合粘土都能作粘土結(jié)合劑，只有廣西泥和水吉4*泥比較好，焦作泥次之，水曲柳等粘土也能勉強(qiáng)使用，但黏性大，需水量多，性能較差，一般不推薦使用?？傊?，粘土結(jié)合劑的選擇得當(dāng)，就能配制成性能良好的耐火澆注料。
粘土結(jié)合劑用量為9%～12%。因為結(jié)合粘土含有較多的低熔點(diǎn)物質(zhì)，耐火性能較差，在滿足配制粘土耐火澆注料的技術(shù)要求時，應(yīng)盡量減少其用量。
(2)促凝劑。粘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(qiáng)度和1400℃高溫耐壓強(qiáng)度來說，燒結(jié)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(qiáng)度提高，1400℃高溫耐壓強(qiáng)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(zhuǎn)為收縮，1400℃燒后耐壓強(qiáng)度變化無規(guī)律。
綜上分析，普通粘土耐火澆注料用促凝劑一般采用耐壓強(qiáng)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(dāng)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。在粘土耐火澆注料中，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(qiáng)度提高，荷重軟化溫度開始點(diǎn)(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，普通粘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。
粘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(xì)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，其用量占粘土結(jié)合劑質(zhì)量的1%～2%,即占總料質(zhì)量的0.09%～0.24%。分散劑的具體用量，經(jīng)試驗確定。