结合剂对免烧黏土砖性能的影响

王京京，潘 磊，王 允，张亚彬，王 成

（濮阳濮耐高温材料（集团）股份有限公司，河南 濮阳457100）

目前市场上所用黏土砖的烧成一般在倒焰窑或隧道窑进行，烧成温度在1 250～1 380℃，烧成保温时间一般为2～10 h。这不仅消耗能源，增加了烧成成本，也造成较大的环保压力。近年来，国家节能环保政策进一步趋严，相继出台污染物、温室气体排放及节能减排相关政策，耐火材料行业面临的节能减排、环保约束进一步加大，如果能开发出免烧的黏土砖，不仅能简化生产工艺，减小生产时的环保压力，还可以节能降耗。

本工作中以三级高铝矾土、黏土为主要原料，PN21（由木质素磺酸钙、碳酸镁、白炭黑、氧化铝微粉等制备）为结合剂，研究其加入量对免烧黏土砖性能的影响。

1 试验

1.1 原料

本试验采用三级高铝矾土（粒度5～2 mm、2～0.5 mm、≤0.5 mm和<0.088 mm）及黏土（<0.1 mm）为主要原料，PN21为结合剂，其化学组成见表1。

表1 原料化学组成 （w%）

1.2 试样制备

根据表2的设计配比配料。先将5～2 mm和2～0.5 mm的三级高铝矾土骨料和膨胀剂放入轮碾机中干混2 min，加入1%的水混和2 min，再加入混合粉（黏土、三级高铝矾土细粉与PN21结合剂）混合2 min，再加入2%的水轮碾混合10 min，保证泥料的挥发份在4.1～4.5%。经600T摩擦压砖机成型为240 mm×115 mm×51 mm的标砖。标砖经室温养护一周后在55℃烘干15 h后再经120℃烘干15 h。

表2 试样配比 （w%）

1.3 性能检测

根据GB/T 5072-2008《耐火材料常温耐压强度试验方法》，将标砖切割为50 mm×50 mm×50 mm的立方体，分别经600℃×3 h、900℃×3 h、1 200℃×3 h热处理后检测试样烧后的常温耐压强度。根据GB/T 2997-2000《致密定型耐火制品体积密度、显气孔率和真气孔率试验方法》，检测试样120℃烘干后的体积密度和显气孔率；根据GB/T 5788-2007《加热永久线变化试验方法》，检测试样600℃、900℃、1 200℃烧后的永久线变化率；在标砖上钻取Φ50 mm×50 mm的圆柱体，根据YB/T 370-1995《耐火制品荷重软化温度试验方法》，检测试样0.2%、0.6%、1%、2%的荷重软化温度。对试样烘干后的断面进行扫描电镜观察，并采用X’Pert Pro型X射线衍射仪进行XRD分析。

2 结果与讨论

2.1 PN21结合剂对免烧黏土砖体积密度及显气孔率的影响

图1为经110℃烘干后试样的体积密度及显气孔率。可以看出：PN21加入量由0分别增加至1%、3%、5%、7%，试样的体积密度及显气孔率变化不明显。随着PN21加入量的增加，泥料的成型性能得到改善，砖坯在成型过程中更容易致密，但结合剂中的水份及有机挥发物在烘干后会在砖坯中留下气孔。因此，PN21加入量的变化对试样的体积密度与显气孔率影响不大。

图1 试样烘干后的体积密度和显气孔率对比图

2.2 PN21结合剂对免烧黏土砖不同温度热处理后的线变化率的影响

试样分别经三个温度点烧后的线变化率见图2。可以看出，经600℃热处理后试样的线变化率较小，基本在0.05%以内；900℃与1 200℃热处理后，未加PN21试样的线变化率为负值，试样呈明显的线收缩状态。添加PN21结合剂后，试样的线变化率随着PN21加入量的增加由线收缩逐渐变为线膨胀，1 200℃热处理后试样的线膨胀率小于900℃热处理后的线膨胀率。

图2 试样的烧后线变化率对比图

结合剂遇水后形成的水化产物中含有少量的水化硅酸镁凝胶和Mg（OH）2，它们经热处理后分解出的MgO具有较大的热膨胀系数使得试样900℃烧后的线膨胀系数随结合剂加入量的增加而增加；当热处理温度超过1 100℃时，试样内部的游离SiO2与活性Al2O3在1 100℃已开始了莫来石化反应，带来一定的体积膨胀，而砖坯中的黏土随着热处理温度的提高，液相量逐渐增加，在液相表面的张力作用下，未熔颗粒进一步靠拢开始烧结，引起体积急剧的收缩。因此，试样总体的线变化为微膨胀，但经1 200℃热处理后的线膨胀系数小于900℃热处理后的。

2.3 PN21结合剂对免烧黏土砖体常温耐压强度的影响

图3所示为试样分别经120℃、600℃、900℃、1 200℃热处理后的常温耐压强度，从图中可以看出，经120℃烘干后，未加PN21结合剂的试样P0常温耐压强度只有9 MPa，添加PN21结合剂后，试样的常温耐压强度随着PN21结合剂加入量的增加而增加；经600℃热处理后，每组试样的常温耐压强度略低于120℃烘干后的耐压强度。试样经900℃以上高温热处理后，试样内部的结合主要依靠黏土烧结后带来的强度，所以样块的常温耐压强度随结合剂加入量的增加变化不明显。

图3 试样热处理后的常温耐压强度对比图

2.4 PN21结合剂对免烧黏土砖荷重软化温度的影响

图4显示了试样的荷重软化温度变化图，从图中可以看出，结合剂PN21的加入量由0增加至7%，试样的荷重软化温度变化不大，试样变形量为0.2%的荷重软化温度均超过1 400℃。

图4 试样的荷重软化温度对比图

2.5 烘干后试样断面的SEM照片

在电镜下观察试样P5经120℃烘干15 h后的断面，其电子扫描照片及能谱分析结果如图5所示。

图5 经120℃烘干后试样P5断口的SEM照片

由图中试样断口的显微照片可以看出，结合剂PN21经水化后在颗粒表面形成一层团絮状的凝胶，在试样中起主要的结合作用。针对此团絮状物质进行化学扫描，显示为镁、硅、铝质的凝胶。

将PN21结合剂加一定量的水搅拌均匀，在50℃下养护15 d后，采用X射线衍射（XRD）测定水化产物的矿物组成。测试参数：扫描范围5°～75°（2Theta），步长0.05°/step。检测结果如图6所示。由图可知：PN21结合剂水化后除了含有较多的非晶态凝胶外，还包含有氢氧化镁、水化硅酸镁等溶胶，在砖坯内部起着良好的结合作用。

图6 PN21结合剂浆体养护15 d后的XRD图谱

3 结论

（1）PN21加入量由0分别增加至1%、3%、5%、7%，试样的体积密度及显气孔率变化不明显。

（2）经600℃热处理后试样的线变化率变化较小，基本在0.05%以内；900℃与1 200℃热处理后，未加PN21试样的线变化率为负值，试样呈明显的线收缩状态。添加PN21结合剂后，试样的线变化率随着PN21加入量的增加由线收缩逐渐变为线膨胀，1 200℃热处理后试样的线变化率小于900℃热处理后的线变化率。

（3）添加PN21结合剂可以明显提高试样烘干后的常温耐压强度，且随着PN21结合剂加入量的增加试样的常温耐压强度逐步增加；

（4）结合剂PN21加入量由0增加至7%，对试样的荷重软化温度影响不大，试样变形量为0.2%的荷重软化温度均超过1 400℃。