关于黏土结合耐火浇注料的几个知识点

  软质黏土与适量的水混合时，能形成黏结性的物料;与过量的水混合时，能形成悬浮液即泥浆，而且能保持数天不澄清。这是由于黏土具有胶体特性的缘故。对于黏土胶体颗粒来

  说，由于同晶取代和断键的作用，其颗粒表面带有负电荷。平衡离子为H*、Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺的混合物，而且这些平衡离子是可交换离子。基于此，黏土悬浮液是中性的。也就是说，在泥浆中，黏土能吸附阳离子并中和其自身的阴离子，使泥浆呈现中性。同时，黏土颗粒表面所吸附的阳离子，还可被其他阳离子所置换。

  对于任何黏土来说，其获得阳离子的最大数为常数，称为阳离子的置换能力，它取决于阳离子的化合价、水化离子半径和生成物的溶解度。一般来说，阳离子化合价越高，置换能力越强;在化合价相等时，水化离子半径越大，置换能力越强。阳离子的置换能力，按下列顺序排列：H⁺Mg²⁺Ca²⁺Li⁺Na⁺K*。若黏土颗粒表面先吸附了右边的阳离子，则左边的阳离子很容易置换右边的阳离子。

  阳离子置换量随着黏土的比表面积提高而增加，同时与黏土的矿物结构紧密关联。在黏土胶体中，黏土颗粒吸引其他分子或离子、并减小其表面自由能，称为吸附。阳离子交换也是一种特殊的吸附。黏土颗粒吸附了众多的阳离子，同时也包裹了不少的自由水。

  在黏土泥浆中，黏土颗粒之间有有范德华引力，因其颗粒具有一定的ζ电位，同性电荷相斥，所以黏土颗粒之间也存在斥力。当ζ电位较大时，颗粒之间的斥力也增大。如果其斥力超过范德华引力时，黏土颗粒之间则难以互相靠拢，故泥浆的流动性增加，即黏土泥浆被解胶分散了。

  在黏土泥浆中，掺加碱金属离子时，就会被带有负电性的黏土颗粒所吸附，并迅速形成碱离子-黏土。因为碱金属离子的正电性较强，ζ电位高，所以黏土颗粒之间的斥力也较大，即分散了黏土泥浆。对黏土结合耐火浇注料来说，结合黏土被解胶分散了，可减少用水量，改善成型性能。

  碱金属离子具有较高的ζ电位。因此，含有碱金属离子的电解质，能使黏土胶体解胶和分散，故称该类物质为分散剂。常用的分散剂有三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、碳酸钠、硅酸钠、草酸钠、酒石酸钠和海藻酸钠等。

  黏土的硬化机理，也是利用其阳离子置换特性，改变ζ电位，就能使黏土发生絮凝和硬化。如前所述，若ζ电位较小时，黏土颗粒之间的斥力也减小。如果斥力小于范德华引力时，致使其颗粒之间靠拢和连结，并形成网状结构，同时包裹了部分自由水，使黏土胶粒发生絮凝。

  在碱离子-黏土泥浆中，在掺加碱土金属离子时，根据阳离子置换顺序，它将置换黏土颗粒表面所吸附的碱金属离子。碱土金属离子具有较低的ζ电位。因此，含有碱土金属离子的电解质，能使黏土泥浆失去流动性而发生絮凝，故称该类物质为絮凝剂，也叫做促凝剂。应当指出，在黏土结合耐火浇注料中，分散剂和促凝剂是同时掺加的，而且某些促凝剂会削弱或消除分散剂的分散效果，致使浇注料丧失施工流动性，甚至无法施工。所以，应选择迟效促凝剂。在拌料和成型时，分散剂起作用，迟效促凝剂不影响分散效果，也不起促凝作用。成型后，促凝剂发挥絮凝作用，并使浇注料硬化。具备该种特性的材料，一般选择水泥。它含有Ca²⁺,必须水化后，方能释放开来。常用的促凝剂有高铝水泥、铝-60水泥、烧结或电熔氧化铝水泥、快硬高铝水泥和硅酸盐水泥等。

  黏土结合耐火浇注料加水拌和后，可以认为形成了黏土-水泥-水系统。由于含钠的电解质的分散作用，使黏土颗粒带有正电荷(Na*)且被分散，拥有非常良好的流动性，能振动成型;凝结硬化时，首先水泥促凝剂发生水化作用，形成CA和C₃S等矿物的水化物，这样所含的钙离子(Ca²⁺)方能释放开来。其次，根据阳离子置换顺序可知，Ca²⁺可置换黏土颗粒表面上所带的Na*,从而使黏土耐火浇注料发生了凝结硬化。同时，由于结合黏土的存在，也能促进铝酸盐水泥中的CA和硅酸盐水泥中C₂S等水化矿物的水化速率，使其胶凝作用有所加强。综上所发生的物理化学变化，就是黏土耐火浇注料的硬化机理。

  黏土结合耐火浇注料是用软质黏土作结合剂，与耐火骨料和粉料及外加剂按比例配制的浇注料，简称黏土耐火浇注料。它与黏土质耐火浇注料是根本不同的。所谓黏土质耐火浇注料系指耐火骨料为黏土熟料，并用任何适宜的结合剂配制而成。

  普通黏土耐火浇注料与铝酸盐水泥耐火浇注料相比，具有强度高、中温强度不下降、耐剥落性好等特点;与耐火可塑料相比，具有施工方便和易于贮存等特点。其使用温度一般为1400～1500℃。普通黏土耐火浇注料在均热炉和加热炉等火焰炉中，获得广泛的应用，并取得了良好的经济效果。

  黏土耐火浇注料的配合比是多种多样的。在国外，一般用矾土熟料和特级黏土熟料作骨料，用量为55%～75%;耐火粉料为氧化铝粉和矾土熟料粉，用量为20%～35%;以球黏土粉为结合剂，用量为10%～15%;聚磷酸盐分散剂0.05%～1.0%,高铝水泥促凝剂0.5%～1.0%,水8%～9%。在国内，耐火骨料一般用二、三级矾土熟料和特级黏土熟料，用量为60%～70%,最大粒径为10mm或8mm,颗粒级配：5～10(8)mm45%～60%,0.15～5mm40%～55%。耐火粉料用特级或一、二级矾土熟料制成，细度要求为小于0.09mm的应大于90%;结合剂最好用广西泥(或永吉4*泥),也可用焦作泥或苏州泥与南京泥复合使用等，其细度要求为小于0.09mm的应大于60%,越细越好，用量一般为9%~12%;分散剂用三聚磷酸钠，用量一般为0.1%～0.2%;促凝剂用高铝水泥和铝-60水泥，耐压强度为525MPa或625MPa,用量为1.5%～2.5%,用耐压强度为525MPa的硅酸盐水泥时，用量为0.15%～0.20%;水用量为8%～10%,在保证施工和易性的条件下，应尽量少用。

  配制高强度黏土耐火浇注料的基本技术措施是提高耐火骨料和粉料的品级，掺加超微粉和复合外加剂，以此来降低混炼时的水用量、增强组织架构的致密性、降低气孔率、提高强度和高温性能。在耐火骨料方面，可以全部或部分采用白刚玉、棕刚玉、莫来石和硅线石等材料，同时也要提高高铝矾土熟料的品级，这样可提高黏土耐火浇注料的高温性能。一般来说，刚玉、莫来石和硅线石等材料，全部采用时成本比较高，掺加20%～30%时即有明显的效果。

  (1)黏土结合剂。黏土结合剂是黏土耐火浇注料的主体材料之一，也是基质的重要组成部分。因此，黏土结合剂的品种和用量，对其性能有重要影响。结合黏土品种较多，即使一个地方的黏土，因矿点的不同，其性能也有所区别。实践证明，不是所有的结合黏土都能作黏土结合剂，只有广西泥和水吉4*泥比较好，焦作泥次之，水曲柳等黏土也能勉强使用，但黏性大，需水量多，性能较差，一般不推荐使用。总之，黏土结合剂的选择得当，就能配制成性能好的耐火浇注料。

  黏土结合剂用量为9%～12%。因为结合黏土含有较多的低熔点物质，耐火性能较差，在满足配制黏土耐火浇注料的技术方面的要求时，应最好能够降低其用量。

  (2)促凝剂。黏土耐火浇注料用促凝剂，其品种和用量影响浇注料的性能，对于常温耐压强度和1400℃高温耐压强度来说，烧结或电熔氧化铝水泥的作用效果比高铝水泥的好，但成本增加较多;随着促凝剂用量的增加，常温耐压强度提高，1400℃高温耐压强度和变形4%的荷重软化温度则不断降低，1400℃烧后线℃烧后耐压强度变化无规律。

  综上分析，普通黏土耐火浇注料用促凝剂一般都会采用耐压强度为525MPa或625MPa的高铝水泥。其用量为1.5%～2.5%时最佳，即常温性能可满足施工要求，并拥有非常良好的高温性能。当耐火浇注料的使用温度为1000～1300℃时，其促凝剂用量可增加到3%～4%。

  (3)耐火骨料。在黏土耐火浇注料中，耐火骨料起骨架作用，是其重要组成部分，占总料量的60%～70%。耐火骨料品种依A1₂O₃含量为依据，随Al₂O₃含量的增加，高温耐压强度提高，荷重软化温度开始点(变形0.6%)也提高，变形4%的荷重软化温度均大于1520℃,三级矾土熟料骨料的略高些。因此，普通黏土耐火浇注料广泛采用三级矾土熟料作耐火骨料，并取得了良好的使用效果。

  黏土耐火浇注料用的耐火骨料级配，还有耐火粉料的品种和细度，水用量和施工条件等因素，对其性能也有一定的影响，与水泥耐火浇注料的基本类似。

  (4)分散剂。分散剂的品种较多，经过筛选，普遍采用三聚磷酸钠，取得了良好的分散效果，其用量占黏土结合剂质量的1%～2%,即占总料质量的0.09%～0.24%。分散剂的具体用量，经试验确定。