二铝酸钙多孔轻质原料加入量对刚玉浇注料性能的影响
发布日期： 2020-04-10 16:16:49 阅读量（491） 作者：张红本实验所用主要的原料配比见表1。以板状刚玉为骨料和部分基质，以铝酸钙水泥为结合剂，加入氧化铝微粉，并外加减水剂。以二铝酸钙轻质原料的含量为变量时，均采用粒度1-3mm的二铝酸钙轻质原料替代相应粒度的板状刚玉，根据二铝酸钙轻质原料添加量的不同，试样标记为R、B3、B5和B8，其中B8为保证其能够成型需要加入5.0wt%的蒸馏水。
表1刚玉浇注料的原料配比
1、水化过程
图1中是加入不同含量二铝酸钙轻质原料的试样的水化放热曲线。对比可以发现，加入了二铝酸钙轻质原料的试样更早的出现水化放热的峰值，这说明加入了二铝酸钙轻质原料的试样水化过程更快，且加入量从0wt%增加到5wt%其水化速度越来越快，但加入量为8wt%时其水化速度要慢于5wt%。B3和B8试样的放热温度明显较低。
图1添加不同含量CA2轻质原料试样的水化放热曲线
2、物相组成
图2所示为不同温度热处理后B组试样的X射线衍射图谱。从图中可以看出在1100℃煅烧后试样中存在CA2，二铝酸钙轻质原料的加入量越多试样中CA2含量越多。在1550℃煅烧后，试样中生成了大量的CA6，加入量二铝酸钙轻质原料的试样中CA6的含量要明显多于参考样。但随着二铝酸钙轻质原料加入量的增大，试样中CA6的含量没有明显的变化，但CA2的含量增加，这说明由于基质中的氧化铝有限而加入过量的二铝酸钙轻质原料并不能完全转化为CA6。
图2试样在不同温度下煅烧3h后的XRD图谱(a)1100℃(b)1550℃
表2中为对试样中的物相含量进行半定量分析的结果，可以看出，加入了二铝酸钙轻质原料后试样中的CA6含量增加，但加入量对CA6的含量没有明显的影响，过量的CA2轻质原料依然以CA2的形式存在。
表2 1550℃煅烧后试样中的CA6含量(wt%)
图3中为不同二铝酸钙轻质原料加入量的试样的CA6衍射峰偏移量。由于杂质固溶会导致的晶面间距变大，CA6衍射峰向低角度偏移。与Secar71水泥相比，CA2原料中的杂质含量较少，因此随着CA2原料加入量的增加，试样的CA6衍射峰向高角度移动。
图31550ºC烧后试样XRD图谱中的CA6衍射峰偏移量
3、显微结构
图4为不同二铝酸钙轻质原料加入量的试样放大5000倍的显微结构照片。从图中可以发现各组试样中均形成了大量的片状六铝酸钙。在R组试样中六铝酸钙均为片状结构，在加入了二铝酸钙轻质原料的试样中形成了形状不规则的六铝酸钙。根据EDS能谱分析，在(c)中的不规则六铝酸钙区域，Na含量较高，这是因为二铝酸钙轻质原料中含有Na、K、Si等杂质，在高温下在局域范围形成液相，而液相的存在就会产生形状不规则的显微结构。
图4试样在1550℃煅烧3h后的SEM照片(a)R(b)B3(c)B5(d)B8
4、线变化
因为二铝酸钙骨料本身的特殊性质，其添加量对于试样的线变化有一定的影响。图5中所示为R、B3、B5和B8的线变化量，R试样中没有加入二铝酸钙轻质原料，可以看出在1100℃下保温3h后试样有微膨胀，而在1550℃下煅烧后试样产生了微收缩。而随着二铝酸钙轻质原料添加量的增大，在1100℃下试样的线膨胀量是变大的，而在1550℃煅烧后，对于B3试样而言，由于少量加入了CA2新型原料，其与基质中的氧化铝反应生成CA6，导致产生明显的膨胀。但随着CA2新型原料加入量的增大，其反应生成CA6的生长空间受限。因此B5试样的线膨胀降低，直至B8试样呈现收缩，但是收缩量仍小于试样R，因为CA6生成产生的膨胀抵消了试样烧结产生的收缩。
图5不同温度煅烧后试样的永久线变化
5、体积密度和显气孔率
图6所示为不同温度热处理后R、B3、B5和B8试样的体积密度和显气孔率。通过图中的变化趋势能够发现，随着二铝酸钙轻质原料加入量的提升，煅烧后试样的体积密度降低，显气孔率增加，但随着煅烧温度从1100℃升高至1550℃，试样的体积密度和显气孔率无明显改变。结合试样的线变化来分析，试样在烧后产生了膨胀，而煅烧过程中的膨胀会造成试样内部产生气孔从而导致其显气孔率的变大和体积密度的减小。而随着二铝酸钙轻质原料加入量的增加，骨料本身可以向试样内部引入气孔，因此其加入量变大时，试样的显气孔率有增大的趋势。
图6不同温度处理后试样的体积密度和显气孔率
6、常温强度
图7中所示为该组试样的常温抗折强度和耐压强度。经过110℃烘干后试样，强度与24h养护后相比有显著的增大，而在1100℃烧后试样的抗折强度产生了衰减，这是因为在这一温度下，试样发生了一定的膨胀，且其内部还没有完全烧结。在1550℃烧后试样的强度明显提高，因为在高温下试样内部生成了大量的片状CA6，而片状结构之间的交叉堆叠有利于试样强度的提高。高温烧后的试样随着二铝酸钙多孔轻质原料添加量的提高，强度降低，因为轻质原料的加入可以向试样内部引入气孔，因此试样在承受应力是的有效面积减少，其抗折及耐压强度也就都随之有了降低的趋势。
图7不同温度处理后试样的抗折强度和耐压强度
7、高温抗折强度
不同二铝酸钙轻质原料加入量的试样高温抗折强度如图8所示。如图所示，能够发现随着二铝酸钙轻质原料加入量的增加，试样的高温抗折强度是变大的，但是仍然比参考样低。这是因为二铝酸钙轻质原料本身含有较多的气孔，使得试样在承受应力时的有效面积较小，强度降低。而随着二铝酸钙轻质原料加入量的增加，试样中生成了较多的CA6，片状的CA6在试样内部相互交错堆叠使得试样的强度得到了提高，抵消了试样由于气孔率较高而产生的强度降低。
图81450℃下试样的高温抗折强度
8、抗热震性能
图9中所示为不同二铝酸钙轻质原料加入量的试样的10次热震循环后的强度及其保持率。从柱状图中可以看出，随着二铝酸钙轻质原料加入量的增加，试样的抗热震性能增强。加入二铝酸钙轻质原料的试样虽然初始强度较低，但热震后的强度要高于参考样，且随着加入量的增加，残余强度增大。这是因为随着二铝酸钙轻质原料的加入，试样的线变化值变小，减小了试样因为高温下的体积变化造成的破坏。同时，二铝酸钙轻质原料本身可以引入大量的气孔，气孔可以在一定程度上阻止裂纹的扩展，使试样的抗热震性能得到了改善。与以往加入微孔刚玉的研究相比，加入二铝酸钙轻质原料的试样强度较高，且热震后的抗折强度保持率也明显更好。
图9试样热震前后的抗折强度及其保持率
9、二铝酸钙轻质原料与浇注料性能的相关性
灰色关联理论主要针对的是一部分只知道一部分信息，本身带有一定的不确定性的现象。根据与已知的数据之间的关联，对于缺少数据、确定的信息进行分析。这一分析方法以材料实际性能之间差别和曲线间差值的大小作为关联性的衡量尺度，根据材料各类性能发展态势的相似或相异程度来衡量变化因素与性能之间接近的程度。灰色关联分析的目的在于寻求试样的性能与变化量之间的主要关系，通过发展趋势作分析，寻找出影响刚玉浇注料试样性能的主导原因。以往已有相关的研究使用灰色系统理论来探究浇注料性能的关联因素。以浇注料样品经过不同温度热处理后的显气孔率、体积密度、抗折强度、耐压强度和线变化量为母系列X0(t)={X0(1),X0(2),…X0(n))。以相应不同二铝酸钙轻质原料加入量为子系列Xi(t)={Xi(1),Xi(2),…Xi(n))，计算出不同二铝酸钙轻质原料加入量与样品各类性能之间的关联度(分辨系数为0.5),计算结果见表1。从表中数据可以看出在1550℃烧后的试样各性能与加入量的关联度较大，但试样的烧后永久线变化量与二铝酸钙轻质原料加入量的关联度较低。因为试样在高温煅烧后的线变化与多种因素有关，不仅仅包含了烧后试样内部的烧结而且还与CA6的生成、试样内部的气孔有关因此其影响因素非常复杂，不能简单的通过单一因素来解释和预测。
表1二铝酸钙轻质原料加入量与试样各项性能的关联度
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