低水泥澆注料防爆性與熱震穩(wěn)定性的研究

表1 主要原料的化學(xué)組成

表2 防爆纖維主要性能指標(biāo)

表3 不同防爆纖維摻量澆注料試樣的抗爆裂性結(jié)果

表4 不同碳化硅摻量澆注料試樣的抗爆裂性結(jié)果

表5 不同碳化硅摻量澆注料試樣的熱震穩(wěn)定性檢測結(jié)果

  低水泥澆注料因具有加水量少、致密度高、體積穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛，但由于其透氣性較差，在烘烤、點(diǎn)火過程中容易發(fā)生爆裂、脫皮、剝落等問題，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致施工體整體破壞，給用戶帶來嚴(yán)重?fù)p失。因此，如何改善和提高低水泥澆注料的防爆性能對低水泥澆注料的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。目前，改善澆注料防爆性能的主要手段是在澆注料中添加防爆纖維，以增大澆注料的透氣性。本文主要研究了防爆纖維摻量和碳化硅摻量對低水泥澆注料防爆性能的影響，此外還對防爆纖維摻量對低水泥澆注料氣孔率的影響，碳化硅摻量對低水泥澆注料熱震穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究。

  實(shí)驗(yàn)

  1.原料

  實(shí)驗(yàn)所用澆注料為低水泥澆注料，主要原料包括85均質(zhì)礬土熟料、97黑碳化硅、α-Al2O3微粉、95硅灰和Secar71水泥，實(shí)驗(yàn)所用防爆纖維為聚丙烯纖維。主要原料化學(xué)組成如表1所示，防爆纖維主要性能指標(biāo)如表2所示。

  2.試樣的制備及性能檢測

  按設(shè)計(jì)的配方組成配料，將配好的澆注料在攪拌機(jī)內(nèi)干混1min，然后加入一定量的水濕混3min，出料，澆注成40mm×40mm×160mm和230mm×114mm×65mm的試樣。試樣經(jīng)20℃×24h自然養(yǎng)護(hù)后，一部分直接放入已達(dá)到設(shè)定溫度的加熱爐中，保溫15min后觀察試樣的爆裂情況，另一部分分別經(jīng)110℃×24h、200℃×24h和1400℃×3h熱處理后用于檢測顯氣孔率和熱震穩(wěn)定性。顯氣孔率按照標(biāo)準(zhǔn)YB/T5200進(jìn)行檢測，抗熱震性次數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)YB/T376.1（水急冷法）進(jìn)行檢測。

  結(jié)果與討論

  1.不同摻量防爆纖維對澆注料抗爆裂性能、氣孔率的影響

  表3列出了不同防爆纖維摻量低水泥澆注料試樣爆裂實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。從表3可以看出，沒有添加防爆纖維的試樣在600℃爆裂，隨著防爆纖維摻量的提高，相應(yīng)澆注料試樣的爆裂溫度分別提高到700℃、900℃和1000℃以上。隨著防爆纖維摻量的提高，200℃×24h熱處理試樣的顯氣孔率均有明顯提高。相關(guān)文獻(xiàn)指出：澆注料加入防爆纖維后，當(dāng)對澆注料加熱烘烤，防爆纖維會發(fā)生收縮、熔融，在澆注料中形成細(xì)長的氣孔，增加了澆注料內(nèi)部的開口排氣孔，提高了澆注料的透氣性，從而加速水蒸氣的排出，進(jìn)而提高澆注料的抗爆裂性，改善澆注料的防爆性能。

  2.不同摻量碳化硅對澆注料爆裂溫度、熱震穩(wěn)定性的影響

  在固定防爆纖維摻量的基礎(chǔ)上，研究了不同摻量碳化硅對低水泥澆注料爆裂溫度和熱震穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)結(jié)果分別如表4和表5所示。表4列出了不同摻量碳化硅澆注料試樣抗爆裂性的結(jié)果。從表4可以看出，隨著碳化硅摻量從0%增加到13%，澆注料試樣的爆裂溫度從900℃降低到800℃，呈現(xiàn)出一個(gè)降低的趨勢。分析其降低的原因主要是B0~B5六組配方，碳化硅摻量逐漸增加，85均質(zhì)礬土摻量逐漸減?。ū３痔蓟枧c85均質(zhì)礬土合量不變），因?yàn)樘蓟璧膶?dǎo)熱系數(shù)高于85均質(zhì)礬土的導(dǎo)熱系數(shù)，所以隨著碳化硅摻量的增加和85均質(zhì)礬土的減少，澆注料整體的導(dǎo)熱系數(shù)會逐漸提高，從而導(dǎo)致澆注料在高溫下產(chǎn)生的瞬時(shí)蒸汽壓力更大，一旦該蒸汽壓力高于澆注料的拉伸強(qiáng)度，就會使?jié)沧⒘媳?，從?shí)驗(yàn)結(jié)果來看，隨著碳化硅摻量的增加，低水泥澆注料的爆裂溫度雖有一個(gè)降低的趨勢，但降低幅度并不大。

  表5列出了不同碳化硅摻量澆注料試樣的熱震穩(wěn)定性檢測結(jié)果。從表5可以看出，隨著碳化硅摻量的增加，澆注料1400℃×3h熱處理試樣熱震穩(wěn)定性的檢測次數(shù)從4次提高到25次，提高的趨勢非常明顯，提高幅度也較大。分析其原因主要是兩方面。一是97碳化硅和85均質(zhì)礬土熟料的熱膨脹系數(shù)不同，97碳化硅熱膨脹系數(shù)較小，85均質(zhì)礬土熟料的熱膨脹系數(shù)較大，這種熱膨脹系數(shù)的不匹配會造成澆注料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生，且隨著碳化硅摻量提高和85均質(zhì)料摻量降低，澆注料整體熱膨脹系數(shù)降低，從而使?jié)沧⒘鲜艿降臒釕?yīng)力降低，改善澆注料的熱震穩(wěn)定性。二是隨著碳化硅的增加和85均質(zhì)礬土的減少，澆注料整體的導(dǎo)熱系數(shù)會逐漸提高，而導(dǎo)熱系數(shù)的提高對澆注料熱震穩(wěn)定性的改善有明顯作用，這是因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)的提高，會使得澆注料在受到熱震沖擊時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力減小，從而提高澆注料熱震穩(wěn)定性。

  綜上所述，可以得出以下結(jié)論：一是防爆纖維摻量的增加對提高低水泥澆注料顯氣孔率和改善低水泥澆注料的防爆性能有顯著作用；二是碳化硅摻量的減少對改善低水泥澆注料抗爆裂性有作用，但是作用不太顯著，碳化硅摻量的增加對改善低水泥澆注料1400℃熱處理試樣的熱震穩(wěn)定性有明顯作用。

  注：表中√表示未爆裂，×表示爆裂