低水泥浇注料防爆性与热震稳定性的研究

表1 主要原料的化学组成

表2 防爆纤维主要性能指标

表3 不同防爆纤维掺量浇注料试样的抗爆裂性结果

表4 不同碳化硅掺量浇注料试样的抗爆裂性结果

表5 不同碳化硅掺量浇注料试样的热震稳定性检测结果

  低水泥浇注料因具有加水量少、致密度高、体积稳定性好、强度高等优点，应用非常广泛，但由于其透气性较差，在烘烤、点火过程中容易发生爆裂、脱皮、剥落等问题，严重的甚至导致施工体整体破坏，给用户带来严重损失。因此，如何改善和提高低水泥浇注料的防爆性能对低水泥浇注料的实际应用和发展具有重要意义。目前，改善浇注料防爆性能的主要手段是在浇注料中添加防爆纤维，以增大浇注料的透气性。本文主要研究了防爆纤维掺量和碳化硅掺量对低水泥浇注料防爆性能的影响，此外还对防爆纤维掺量对低水泥浇注料气孔率的影响，碳化硅掺量对低水泥浇注料热震稳定性的影响进行了研究。

  实验

  1.原料

  实验所用浇注料为低水泥浇注料，主要原料包括85均质矾土熟料、97黑碳化硅、α-Al2O3微粉、95硅灰和Secar71水泥，实验所用防爆纤维为聚丙烯纤维。主要原料化学组成如表1所示，防爆纤维主要性能指标如表2所示。

  2.试样的制备及性能检测

  按设计的配方组成配料，将配好的浇注料在搅拌机内干混1min，然后加入一定量的水湿混3min，出料，浇注成40mm×40mm×160mm和230mm×114mm×65mm的试样。试样经20℃×24h自然养护后，一部分直接放入已达到设定温度的加热炉中，保温15min后观察试样的爆裂情况，另一部分分别经110℃×24h、200℃×24h和1400℃×3h热处理后用于检测显气孔率和热震稳定性。显气孔率按照标准YB/T5200进行检测，抗热震性次数按照标准YB/T376.1（水急冷法）进行检测。

  结果与讨论

  1.不同掺量防爆纤维对浇注料抗爆裂性能、气孔率的影响

  表3列出了不同防爆纤维掺量低水泥浇注料试样爆裂实验的结果。从表3可以看出，没有添加防爆纤维的试样在600℃爆裂，随着防爆纤维掺量的提高，相应浇注料试样的爆裂温度分别提高到700℃、900℃和1000℃以上。随着防爆纤维掺量的提高，200℃×24h热处理试样的显气孔率均有明显提高。相关文献指出：浇注料加入防爆纤维后，当对浇注料加热烘烤，防爆纤维会发生收缩、熔融，在浇注料中形成细长的气孔，增加了浇注料内部的开口排气孔，提高了浇注料的透气性，从而加速水蒸气的排出，进而提高浇注料的抗爆裂性，改善浇注料的防爆性能。

  2.不同掺量碳化硅对浇注料爆裂温度、热震稳定性的影响

  在固定防爆纤维掺量的基础上，研究了不同掺量碳化硅对低水泥浇注料爆裂温度和热震稳定性的影响，试验结果分别如表4和表5所示。表4列出了不同掺量碳化硅浇注料试样抗爆裂性的结果。从表4可以看出，随着碳化硅掺量从0%增加到13%，浇注料试样的爆裂温度从900℃降低到800℃，呈现出一个降低的趋势。分析其降低的原因主要是B0~B5六组配方，碳化硅掺量逐渐增加，85均质矾土掺量逐渐减小（保持碳化硅与85均质矾土合量不变），因为碳化硅的导热系数高于85均质矾土的导热系数，所以随着碳化硅掺量的增加和85均质矾土的减少，浇注料整体的导热系数会逐渐提高，从而导致浇注料在高温下产生的瞬时蒸汽压力更大，一旦该蒸汽压力高于浇注料的拉伸强度，就会使浇注料爆裂，从实验结果来看，随着碳化硅掺量的增加，低水泥浇注料的爆裂温度虽有一个降低的趋势，但降低幅度并不大。

  表5列出了不同碳化硅掺量浇注料试样的热震稳定性检测结果。从表5可以看出，随着碳化硅掺量的增加，浇注料1400℃×3h热处理试样热震稳定性的检测次数从4次提高到25次，提高的趋势非常明显，提高幅度也较大。分析其原因主要是两方面。一是97碳化硅和85均质矾土熟料的热膨胀系数不同，97碳化硅热膨胀系数较小，85均质矾土熟料的热膨胀系数较大，这种热膨胀系数的不匹配会造成浇注料内部微裂纹的产生，且随着碳化硅掺量提高和85均质料掺量降低，浇注料整体热膨胀系数降低，从而使浇注料受到的热应力降低，改善浇注料的热震稳定性。二是随着碳化硅的增加和85均质矾土的减少，浇注料整体的导热系数会逐渐提高，而导热系数的提高对浇注料热震稳定性的改善有明显作用，这是因为导热系数的提高，会使得浇注料在受到热震冲击时，内部产生的热应力减小，从而提高浇注料热震稳定性。

  综上所述，可以得出以下结论：一是防爆纤维掺量的增加对提高低水泥浇注料显气孔率和改善低水泥浇注料的防爆性能有显著作用；二是碳化硅掺量的减少对改善低水泥浇注料抗爆裂性有作用，但是作用不太显著，碳化硅掺量的增加对改善低水泥浇注料1400℃热处理试样的热震稳定性有明显作用。

  注：表中√表示未爆裂，×表示爆裂