镁砂对硅溶胶结合铁沟浇注料脱膜强度和流动性的影响

摘要：研究了在25℃温度下，镁砂对于硅溶胶结合铁沟浇注料脱膜强度和流动性的影响。结果表明：对于使用六偏磷酸钠作为减水剂的硅溶胶结合铁沟浇注料，加入镁砂后，由于镁砂不仅能够促进硅溶胶粒子间的缩合反应而形成硅氧烷网络（-Si-OH+HO-Si-=-Si-O-Si+H2O），同时还能与硅溶胶形成（-Si-O-Mg-O-Si-）键，浇注料的脱膜强度得到显著提高；由于Mg2+能与六偏磷酸根生成沉淀，且Mg2+能把胶粒扩散层中的反离子压入到吸附层，使胶粒的ζ-电位降低，进而导致浇注料发生聚沉，流动性明显降低。

关键词：浇注料；脱模强度；流动性；硅溶胶

0 引言

传统的铁沟浇注料通常采用水泥作为结合剂，但由于水泥结合铁沟浇注料在烘烤过程中，水化产物分解所产成的水蒸汽无法及时排除，水蒸汽在浇注料内部产生较高的蒸汽压，超过浇注料本身强度出现爆裂。此外，加入的硅灰与铝酸钙水泥产生反应，形成了类似沸石型的钙铝硅水化物，这种水化物在300℃以后才脱水，在短时间内快速放出大量蒸汽而导致爆裂。

硅溶胶结合浇注料相对于传统的水泥结合浇注料具有良好的烘烤性能，但是由于硅溶胶结合浇注料的脱膜强度低，并未得到广泛的应用。之所以研究流动性是因为浇注料必须具有良好的流动性才能保证正常的工作性，如果浇注料在施工时流动性差，成型就会比较困难，物料不能正常流动填充，容易造成空洞，降低浇注料的强度和使用性能。但是如果流动性太好，会影响浇注料的凝结时间。因此，不仅要保证浇注料施工时具有一定的流动性还要保证其具有合适的凝结时间和脱模强度。已有的研究表明，为了提高硅溶胶结合铁沟浇注料的脱模强度，通常加入镁砂细粉、Mg（OH）2、铝酸钙水泥等作为硅溶胶结合浇注料的胶凝剂。但是针对加入镁砂的硅溶胶结合铁沟浇注料的流动性和脱膜强度的研究还不太多。本文以硅溶胶作为结合剂制备铁沟浇注料，研究了镁砂的加入量对硅溶胶结合铁沟浇注料脱膜强度和流动性的影响。

1 试验

1.1 原料及配比

试验原料为电熔棕刚玉66%，电熔白刚玉10%，97%碳化硅16%，活性氧化铝细粉4%，高温球沥青3%，硅灰1%，硅溶胶6.62%，金属硅粉0.8%，镁砂（0.1%，0.3%。0.5%），减水剂（六偏磷酸钠）0.1%。

相对于其他减水剂以及加入量，0.1%的六偏磷酸钠对于加入镁砂的浇注料有较好的缓凝作用，且此时浇注料的流动性最好，脱膜强度也较高。

1.2 试样的检测

1.2.1 流动性的检测

将各个基础组按照配比制成2200g的混合物，在搅拌锅内干混60s，随后匀速加入121ml的硅溶胶再搅拌120s，按照GB /T2419- 94分别测量0min、15min、30min、45min时的流动值。

1.2.2 脱模强度的检测

将各个基础组按照配比制成2680g的混合物，放入搅拌机中搅拌60s，然后匀速加入148ml的硅溶胶再搅拌80s，之后将物料浇入40mm×40mm×160mm的三联模内，在振动台上振动浇注成型，在25℃下养护24h后，按照GB/T3001-2000检测试样的常温抗折强度；按照GB/T5072.2-2004检测试样的耐压强度。

2 结果与讨论

镁砂加入量对硅溶胶结合铁沟浇注料流动性的影响见图1。由图1可知，加入镁砂后，浇注料的流动值明显降低，且初始流动值相差不大；镁砂加入量为0.3%时，浇注料在30min时还有流动性，45min时已完全凝固；镁砂加入量为0.5%时，浇注料在15min时还有流动性，30min完全凝固，但已不能满足施工需求。

加入镁砂后，Mg2+能与六偏磷酸根生成沉淀，会消耗一定量的六偏磷酸根，导致胶粒的ζ-电位降低而发生聚沉。此外，六偏磷酸钠是一种阴离子分散剂，当镁砂加入到分散体系中时，Mg2+把胶粒扩散层中的反离子压入（排斥）到吸附层，从而减小了胶粒的带电量，使胶粒的ζ-电位降低而聚结。正是由于Mg2+有以上两个方面的聚沉作用，所以，它对六偏磷酸钠作分散剂的浇注料表现出优良的促凝作用，可迅速引起浆体完全聚沉。

镁砂加入量对试样的脱膜抗折强度的影响见图2。从图中可以看出，不加镁砂时，试样的抗折强度是最低的，为0.71MPa。加入镁砂后，试样的抗折强度得到了明显提升，其中加入0.3%镁砂的抗折强度最高，为1.09MPa。但各个加入量对应的强度差别并不大。

硅溶胶结合铁沟浇注料的脱膜强度主要取决于养护过程中硅溶胶粒子间的缩合反应（CSiCOH + HOCSiC = CSiCOCSiC+ H2O），水是缩合反应的产物之一，加入镁砂后，镁砂与水发生反应（MgO+ H2O =Mg（OH2）），水的减少会有利于该反应向右进行，即镁砂促进了硅溶胶粒子间的缩合反应。

此外，加入的镁砂在浇注料的搅拌和养护过程中可缓慢溶出Mg2+离子；这些离子可以把硅溶胶粒子表面-Si-O-连结起来，形成（CSiCOCMgCOCSiC）键。同时加入的镁砂可夺取硅溶胶表面的羟基中的H+，从而促进硅溶胶粒子间的缩合反应而形成硅氧烷（CSiCOCSiC）网络、促进浇注料的凝结。以上有关镁砂的作用机制都还只是推测，对于镁砂影响硅溶胶离子间的键变化还有待深入的研究。

3 结语

不加镁砂的情况下，硅溶胶结合铁沟浇注料在25℃温度下养护24h后的脱模强度非常低，抗折强度为0.71MPa，耐压强度为4.77MPa，无法满足施工需求。加入镁砂后浇注料的脱膜强度显著提高，其中镁砂加入量为0.3%时，抗折强度达到1.09MPa，耐压强度达到6.62MPa。这可能是因为Mg2+能够促进硅溶胶粒子间的缩合反应而形成硅氧烷（CSiCOCSiC）网络，同时还能与硅溶胶形成（CSiCOCMgCOCSiC）键，使硅溶胶结合铁沟浇注料具有较高的脱膜强度。加入镁砂后，硅溶胶结合铁沟浇注料的流动性明显的降低，这可能是因为Mg2+与六偏磷酸根反应消耗了一部分六偏磷酸根，此外Mg2+把扩散层中的反离子压入到吸附层，减小了胶粒的带电量，导致ζ-电位降低而发生聚沉。

参考文献：

[1] Ismael M R， Anjos R D， Salom?o R， et al. Colloidal silica as a nanostructured binder for refractory castables[J]. Refract. Appl. News， 2006，11（04）：16-20.

[2] 王世清.溶胶结合快干浇注料的研制及其工业应用[J].工业炉，2012，34（04）：44-46.

本工作得到国家自然科学基金（51372230）、“十二五”国家科技支撑计划项目（2013BAE03B01）、先进耐火材料国家重点实验室开放课题基金（201301）和省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室（武汉科技大学）开放课题基金资助。