不定型耐火材料

不定型耐火材料

1.1概论

不定形耐火材料是由骨料、细粉和结合剂混合而成的散状耐火材料，必要时可加入适量外加剂。它没有固定的外形，呈松散状、浆状或泥膏状，因而也称为散状耐火材料。此外，不定形耐火材料可以制成预制块使用或制成无接缝的整体构筑物，因此也称为整体耐火材料。不定形耐火材料具有生产工艺简单、生产周期短、节约能源、使用时整体性好、适应性强、便于机械化施工等特点。

不定形耐火材料的基本组成是骨料和细粉耐火材料，根据使用要求，可由各种材质组成。为了使这些耐火物料结合为整体，加入适当品种和数量的结合剂，并根据不定形耐火材料具体要求加入少量的外加剂，以改善不定形耐火材料的可塑性、流动性、凝结性等。

不定形耐火材料的化学和矿物组成主要取决于所用的骨料和细粉，另外还与结合剂的品种和数量有密切的关系。同时，它的使用性能在很大程度上取决于它的作业性能、施工方法和技术。

不定形耐火材料品种繁多，可根据材质种类、施工方法、结合方式等来分类。按所用耐火材料材质可分为刚玉质、高铝质、粘土质、硅质、铝尖晶石质、镁质、碳化硅质、含碳质等不定形耐火材料。按结合形式可分为：

①水合结合（又称水硬性结合），室温下通过水化凝结而硬化。

②陶瓷结合，高温下，由于烧结形成的非晶质和晶质连接在一起的结合形式。

③化学结合，在室温或高温下，通过化学反应（不是水化反应）而产生的硬化，分为无机和有机结合两类。

④黏着结合，通过结合剂产生的吸附作用、扩散作用、静电作用而产生的复合结合。

⑤凝聚结合，通过微粒子（胶体粒子）之间相互吸引紧密接触，借助于范德华力而结合在一起。

如果有几种结合剂配合使用，根据在硬化过程中起主要作用的结合剂性质加以命名。

根据施工方式可分：

①耐火捣打料，用捣打（机械或人工）方法施工的不定形耐火材料。

②耐火可塑料，具有较高的可塑性，以软坯状、块状或片状等状态交货，施工后加热硬化的不定形耐火材料。

③耐火浇注料，主要以粉状交货，加水或其他液体混合后浇注施工，亦可制备成预制件交货。

④耐火压入料，使用时加水或液态结合剂调和成膏状或浆体，用挤压方法施工的不定形耐火材料。

⑸耐火喷涂料，用机械喷射的方法施工的不定形耐火材料。

⑥砌筑接缝材料，这种材料可用抹刀或类似工具施工，也可用于灌缝或浸浇。这种材料可分为三类，水硬性耐火泥浆（细的耐火骨料、耐火粉和水泥结合剂的混合料）、热硬性耐火泥浆（细的耐火骨料、耐火粉料和磷酸或磷酸盐等热硬结合剂组成的混合料）、气硬性耐火泥浆（细的耐火骨料、耐火粉料和硅酸钠等气硬性结合剂组成的混合料）。

⑦耐火涂抹料，由耐火骨料、粉料和结合剂组成的混合料，以手工或机械涂刷或涂抹方法施工。

⑧干式振动料，不加水或液体结合剂，用振动方法施工的不定形耐火材料。

不定形耐火材料·以其生产工艺流程短、节能等特性，十几年发展迅猛，在许多场合替代定形耐火材料制品。在我国，不定形耐火材料占耐火材料生产总量的约30%，并仍处于增长状态，不定形耐火材料广泛应用于冶金工业、机械工业、能源、化学工业和建筑材料工业的各个窑炉和热工构筑物。

1.2 不定形耐火材料工程原理

浇注料的配制及硬化过程可分为两个阶段，每一阶段具有不同的性能和状态。水泥或胶接剂凝结前、浇注料或混凝土变为固体前的时期称为浇注料拌合物，物料硬化和使用期间称为浇注料或混凝土，它具有固体的全部性能。

1.2.1 浇注料拌合物的内部结构

浇注料拌合物为复杂的、各相异性的多相系统。它是直接由水泥和骨料以及细粉的混合物加水拌合而成的。在这个系统中包括微细分散的水泥颗粒、细粉及较大颗粒的粗细骨料，在很多情况下还加入专用外加剂、水和在拌制过程中吸入空气。

由于固相颗粒和水之间存在着相互作用力（包括分子吸引力、粘滞力、毛细管力和其他力），浇注料拌合物具有黏性以及用于表征黏结液体的某些功能。浇注料拌合物的性能介于粘性液体和固体之间。它与真黏性液体的差别在于它们具有由于粘滞力而产生的某些结构强度和结构黏度，与固体不同之处在于它缺少足够的弹性性能以及即使很小的载荷作用下也会产生不可逆的塑形变形。浇注料拌合物的性能具有一系列的

结合特征结合形成的条件占总水量的百分比%

新拌合的水泥水泥终

凝前

浆中

化学结合

物理化学及吸附结合机械及构造的结合由于浆体的水化和结

晶化

在固相分子力场的作

用范围内吸附

在微毛细管，缝隙和

气泡中所裹协的水

1-2 4-5

3-5 20-25

93-95 70-75

特点，这取决于其内部结构和组成材料的性能。

将浇注料拌合物看成是有水泥浆和骨料两种成分组成的体系较为适宜。浇注料拌合物的主要结构组分是水泥浆，它由水泥、细粉状耐火物料及添加物和水组成。水泥颗粒和细粉料具有很微小的尺寸和很大的表面积，因此水泥浆具有高度发达的固液相界面。在这种体系中，吸附力、分子力和毛细管力表现非常明显，从而提高了体系的联结力。水泥浆的性能取决于固、液相之间的比例。随着含水量的增加，水泥浆的流动性增大，塑形强度降低。水分在浇注料拌合物中以多种形态存在，见表1-1。少量水分参与水泥的化学作用，而处于化学结合状态。这种水分的数量逐渐增加，但在接近终凝时，不大于总水量的5%，另外一些水分在吸附力作用下，以物理化学联结方式吸附在固相的表面。由于固体表面具有不平衡的分子力，它善于吸引水分子，而这些水分子具有相当大的偶极矩，会紧密的定向排列在固体表面力场的作用范围内。因为发生在分子力作用范围内的巨大压力及分子定向排列的影响，使得吸附薄膜内的水分具有固体的某种性能——弹性、抗压强度和低冰点。

表1-1浇注料拌合物中水的存在形式

在水泥水化过程中，一般会引起固相比表面积的增加，物理化学结合水的数量也发生了变化。在新拌水泥浆中，这种水的相对含量为

3%-5%，到终凝时，增加到含水量的25%。水泥浆的主要水分位于颗粒之间，使其孔隙空间的尺寸可能变化在1-50μm之间或更大些。它的厚度比那些联接微弱的水溶剂薄膜约大数十倍或数百倍。另外，由于毛细管力的作用和水泥在水化过程中凝胶的形成，在颗粒之间的水分与水泥浆

的结构靠物理力而黏结在一起，这种水称为自由水。它不是化学结合，也不受固相分子力的作用。在水泥浆刚拌制后，自由水的相对含量约为水总体积的95%，而到终凝时则减至65%-79%。因此，自由水对水泥浆流动性的影响很大。

在水泥浆中加入骨料对材料的性能有重要影响。由于吸附力、分子力和毛细管力的作用，紧贴骨料表面的水泥浆层会失去流动性。这种相互作用波及到微细的水泥颗粒，于是，骨料对水泥浆的作用区扩大，见图1-1.作用区的厚度取决于水泥和骨料的性能，平均约为10-15um.骨料的影响随其含量和比表面积的增加而有所增加。

根据水泥浆和骨料间比例的变化，浇注料拌合物有三种主要构造类型（见图1-2），每一种类型都表征浇注料成型时的一定性能和特点。在第一种结构中，骨料颗粒相距很大，实际上它们之间无相互作用。颗粒只影响其贴紧的水泥浆，其总作用与骨料颗粒含量极其比表面积成正比。在第二种结构中，水泥浆较少，仅填充在骨料颗粒之间的孔隙中，而颗粒本身的活动是很有限的，其润滑层的厚度在骨料颗粒接触部位等于水泥颗粒平均直径的1-3倍。在这种情况下，每个骨料颗粒的作用区互相交错，骨料颗粒之间发生摩擦。为了赋予拌和物类似第一类结构形式的流动性，则要求施加更强烈的作用力，或借助改变加水量来增加水泥浆的流动性。第三种结构中，水泥浆很少，它只能以不大的厚度包裹骨料的颗粒，只能填充骨料间的部分空隙。

流动速度t 流动速度t

颗粒吸 x 颗粒吸x 细粉含量μ%100 50 0

附厚度附厚度颗粒含量§% 30 50 100

（a) 对水的影响

图1-1 骨料对水和水泥浆的影响图1-2浇注料拌和物构造类型及其对拌和

物需水量和流动性的影响

1——骨料呈悬浮状的拌和物；2——骨料紧密排的拌和物；3——水泥浆不够的大孔拌和物

每一种结构都具有决定其性能及各种因素对性能影响的规律性。对第一种结构来说，具有决定意义是水泥的性能，即按黏性液体特征关系确定的流变性能。在第二种结构中，骨料的作用及其颗粒间的摩擦作用有所增大。第三种结构中骨料对性能则有特别显著地影响，在这种情况下，描述其流变性能时，则应考虑“（干料间的）内摩擦力的影响。

随着骨料的增加，逐步完成从一种结构形式向另一种结构形式的过度。最初，过度只出现在局部的小体积中，然后慢慢扩大到拌和物的整个体积。当从第二种形式过渡到第三种形式时，最初（当填充骨料空隙中的水泥浆较多时）是在搅拌和浇灌时，浇注料拌和物内吸入大量微细空气泡，宛如增加了水泥浆的体积，从而更好得到填充了骨料颗粒间的空隙，这种构造实际上属于第二种。当继续减少水泥浆的含量时，就会增加吸入空气的体积及气泡的尺寸产生连续的大量的断裂和缝隙，这种构造则已属于第三种。由于浇注料拌和物的构造具有渐变的特性，不同构造之间的界限只是假定的。当水泥和骨料的性能，浇注料拌和物的流动性、成型方式和其他因素变化时，这些界限的变化是很大的。

普通耐火浇注料拌和物属于第二种结构形式。这种结构的特点在于可在最小水泥用量时，获得具有一定流动度的不离析的浇注料拌和物。