加入氧化鋁或氧化鋯質(zhì)空心球等可制備隔熱性能較好的輕質(zhì)澆注料，但空心球的強(qiáng)度低也影響了輕質(zhì)澆注料的強(qiáng)度。為了提高高鋁空心球輕質(zhì)澆注料的強(qiáng)度，我們首先研究了熱處理溫度對高鋁空心球致密度、強(qiáng)度和物相組成的影響，然后研究了高鋁空心球加入量對輕質(zhì)澆注料性能的影響。

　　試驗(yàn)

　　1原料

　　試驗(yàn)中采用的高鋁空心球，其w(Al2O3)≥53%，粒度分為3、5和7mm三級，分別在1300、1330、1360、1390、1420、1450和1480℃保溫3h熱處理后，檢測其體積密度、顯氣孔率(阿基米德排水法)、筒壓強(qiáng)度等，并進(jìn)行XRD分析。

　　制備輕質(zhì)澆注料的其他原料有:焦寶石，w(Al2O3)≥44%，粒度≤1mm;88礬土細(xì)粉;α-Al2O3微粉;二氧化硅微粉;鋁酸鹽水泥(Secar71);廣西黏土;減水劑三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉。

　　2試樣制備

　　按表1配料。先將88礬土細(xì)粉、α-Al2O3微粉、二氧化硅微粉、廣西黏土、鋁酸鹽水泥和減水劑在金宏GMJ型球磨機(jī)中預(yù)混30min制備成預(yù)混細(xì)粉，然后與高鋁空心球一起放入HOBARTA200C型攪拌機(jī)中攪拌2min，再緩慢加入占干料質(zhì)量11.7%的水繼續(xù)攪拌3min。攪拌完成后振動澆注成40mm×40mm×160mm的試樣，自然干燥24h后脫模，于110℃干燥24h后，分別在1100和1300℃保溫3h熱處理。

　　3性能檢測

　　按照GB/T2997—2000(2004)測定燒后試樣的顯氣孔率和體積密度;按照GB/T3001—2000測定燒后試樣的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度;按照GB/T5988—2004測定試樣的加熱永久線變化，并對燒后試樣進(jìn)行XRD、SEM分析。

　　結(jié)果與討論

　　1不同溫度熱處理后空心球的性能

　　以不同溫度熱處理前后3mm空心球?yàn)槔渲旅芏取?qiáng)度和物相組成的變化由于其他兩種粒度的空心球的變化趨勢與3mm的基本相同)。

　　隨著熱處理溫度的升高，空心球的體積密度呈先減小后增大的變化趨勢，顯氣孔率呈先增大后減小的變化趨勢，拐點(diǎn)均為1390℃;筒壓強(qiáng)度呈先增大后減小再增大的變化趨勢，兩個拐點(diǎn)分別為1360和1390℃，以1390℃熱處理后的筒壓強(qiáng)度為最小。

　　沒有經(jīng)過熱處理的空心球的主要物相是剛玉，其次是莫來石，還伴有一定量的方石英和石英;隨著熱處理溫度從1300℃升高到1390℃，剛玉、方石英和石英的衍射峰逐漸減弱直至消失。這是因?yàn)榭招那蛑械姆绞⒑褪⑴c剛玉反應(yīng)生成了莫來石，并有部分方石英和石英熔入玻璃相中。生成莫來石的膨脹效應(yīng)會導(dǎo)致空心球的致密度減小，而致密度減小又會導(dǎo)致其強(qiáng)度減小;方石英和石英熔入玻璃相中會增大玻璃相的黏度，而玻璃相黏度的增大以及莫來石相的增多則有利于提高空心球的強(qiáng)度。

　　1300～1360℃熱處理后空心球強(qiáng)度的增大可能是因?yàn)椴Ａ囵ざ鹊脑龃笃饹Q定性作用，而1360～1390℃熱處理后空心球強(qiáng)度的減小則可能是因?yàn)橹旅芏葴p小導(dǎo)致的強(qiáng)度減小起決定性作用。熱處理溫度超過1390℃后，剛玉和莫來石的衍射峰變化不大，表明方石英和石英與剛玉之間的莫來石化反應(yīng)趨于完成，空心球主要發(fā)生燒結(jié)致密化和莫來石晶粒的生長，因此其致密度和強(qiáng)度均逐漸增大。但總體來看，熱處理溫度對空心球致密度和強(qiáng)度的影響均不大。

　　本次研究輕質(zhì)澆注料的目的是替代傳統(tǒng)的致密型鋼包永久層材料，在保持強(qiáng)度不下降的同時，提高永久層的保溫隔熱效果。澆注料所處的工作環(huán)境并不惡劣，最高使用溫度在1300℃左右。從節(jié)約成本的角度來看，可以直接使用未經(jīng)熱處理的空心球(性能與燒后的差別不大)作為骨料制備輕質(zhì)澆注料。

　　2空心球加入量對輕質(zhì)澆注料性能的影響

　　空心球加入量對110℃烘干后澆注料的體積密度和顯氣孔率隨著空心球加入量的增多，烘干后試樣的體積密度從2.00g·cm-3逐漸減小至1.85g·cm-3，而顯氣孔率則從32%逐漸增大至36%。這是因?yàn)榭招那虮旧淼捏w積密度小，顯氣孔率大。

　　空心球加入量(w)為30%和35%的試樣的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度都較低，空心球加入量為40%(w)的試樣的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度分別達(dá)到最高的5.1和28.4MPa，但空心球加入量為45%(w)的試樣的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度又有所降低。當(dāng)空心球加入量為40%(w)時，試樣中骨料與細(xì)粉的配比達(dá)到最佳，不同粒徑的空心球緊密堆積形成骨架，而細(xì)粉填充在空心球骨架的空隙中;對于烘干后試樣而言，水泥水化物對基質(zhì)細(xì)粉之間及基質(zhì)細(xì)粉與空心球之間的結(jié)合作用較弱，試樣的強(qiáng)度主要取決于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此，空心球加入量為40%(w)的試樣強(qiáng)度最大。

　　烘干后澆注料的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度1100和1300℃熱處理后澆注料試樣的體積密度和顯氣孔率見圖6，常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度見圖7。由圖6、圖7可知:隨著空心球加入量的增多，經(jīng)1100或1300℃熱處理后試樣的體積密度、常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度均逐漸減小，顯氣孔率均逐漸增大。

　　圖6不同溫度熱處理后澆注料的體積密度和顯氣孔率圖7不同溫度熱處理后澆注料的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度由于試樣細(xì)粉中加入了α-Al2O3和廣西黏土，經(jīng)1100℃或1300℃熱處理后，試樣基質(zhì)之間及基質(zhì)與骨料之間都產(chǎn)生了較高的燒結(jié)強(qiáng)度，此時試樣的強(qiáng)度不是像烘干后試樣那樣由其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所決定，而是取決于空心球強(qiáng)度、基質(zhì)細(xì)粉之間的結(jié)合強(qiáng)度、基質(zhì)與空心球之間的結(jié)合強(qiáng)度三者之中最弱的。可能是因?yàn)榻?jīng)1100℃或1300℃熱處理后試樣基質(zhì)細(xì)粉之間的結(jié)合強(qiáng)度以及基質(zhì)與空心球之間的結(jié)合強(qiáng)度均高于空心球的強(qiáng)度，因此熱處理后試樣的強(qiáng)度隨空心球加入量的增多而減小。

　　綜合來看，空心球加入量為40%(w)時，烘干及熱處理后澆注料試樣的致密度和強(qiáng)度相對最佳。

　　1300℃熱處理后，空心球加入量為40%(w)的試樣A3的SEM照片。可以看出:左側(cè)為基質(zhì)，存在一些較大的氣孔;右側(cè)為某個空心球的一小部分，包括部分球殼和部分空腔，其球殼厚度約為600μm。空心球與基質(zhì)之間結(jié)合較緊密。

　　結(jié)論

　　1)經(jīng)1300～1480℃高溫?zé)崽幚砗螅咪X空心球的體積密度和強(qiáng)度變化不大。

　　(2)綜合來看，高鋁空心球加入量為40%(w)時，烘干及熱處理后輕質(zhì)澆注料試樣的致密度和強(qiáng)度相對最佳。