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高效减水剂在低水泥浇注料中的作用

发表时间:2024-07-03 访问量:5916

低水泥耐火浇注料

低水泥耐火浇注料是相对于与传统的铝酸盐水泥耐火浇注料相而言的。传统的铝酸盐水泥耐火浇注料的水泥加入量通常在12-20%,其加水量一般为9-13%。由于加水量高,浇注体的孔隙多,不致密,强度也不高;由于水泥加入量多,虽然能够得到较高的常温及低温强度,但中温时由于铝酸钙的晶型转变致使强度下降明显,且引入的CaO与浇注料中的SiO2和Al2O3发生反应,生成一些低熔点物质,导致材料高温性能恶化。

当采用超微粉技术、高效外加剂以及科学的颗粒级配时,将浇注料的水泥用量降至8%以下、水用量降至≤7%,即可配成低水泥系列耐火浇注料,带入的CaO含量≤2.5%,其各项性能指标一般超过铝酸盐水泥耐火浇注料。该类耐火浇注料具有良好的触变性,即搅和料有一定的形态,稍加外力便开始流动,解除外力则保持已获得的形态,所以还称为触变性耐火浇注料,自流耐火浇注料也属于此范畴。低水泥系列耐火浇注料迄今尚没有规定出准确的含义。美国材料与试验学会(ASTM)根据耐火浇注料中的CaO含量进行了定义和分类。

致密高强是低水泥系列耐火浇注料的突出特点,这对于提高产品使用寿命和性能是有好处的,但也给使用前的烘烤带来了麻烦,即烘烤时稍有不慎易发生浇注体爆裂现象,轻则需要重新浇注施工,严重时还会危及周围工作人员的人身安全。因此目前各国对低水泥系列耐火浇注料的烘烤也进行了多方面的研究,其主要技术措施是:通过制定合理的烘炉曲线和引入优良的防爆剂等,这样能使耐火浇注体中的水分顺利排除而不引起其他副作用。

超微粉技术是低水泥系列耐火浇注料的关键技术(目前大多数应用于陶瓷和耐火材料中诸多超微粉实际上都处在0.1~10m之间,其主要起分散促进剂和结构密实剂的作用。前者使水泥颗粒高度分散而不絮凝,后者则使浇注体内微孔得到充分填实而提高强度。

目前常用的超微粉的种类有SiO2、α-Al2O3、Cr2O3等。其中SiO2微粉的比表面积为20m2/g左右,其粒径约为水泥粒径的1/100,因此具有良好填充性。另外SiO2、Al2O3、Cr2O3微粉等还可以在水中形成胶体粒子,当有分散剂存在时,粒子表面形成重叠的双电层从而产生静电斥力,即克服了质点间的范德华力,降低了界面能,防止了粒子之间的吸附絮凝;同时,粒子周围吸附了分散剂而形成溶媒层,因此也增大了浇注料的流动性。这也是超微粉作用机理之一,即掺加超微粉及适宜的分散剂,可降低耐火浇注料的水用量,提高流动性。

低水泥耐火浇注料的凝结硬化是由水合结合和凝聚结合共同作用的结果。铝酸钙水泥的水化和硬化主要是水硬性物相CA和CA2的水化及其水化物的结晶生长过程,即它们与水发生水化反应形成六方片状或针状的CAH10、C2AH8和立方的C3AH6晶体以及Al2O3аq凝胶体等水化产物,然后在养护和加热过程中形成相互连接的凝聚-结晶网络结构。凝聚结合是由于活性SiO2超微粉遇水后形成胶体粒子,与加入的外加剂(即电解质物质)缓慢解离出的离子相遇,因二者表面电荷相反,即胶体表面吸附了反离子而使£电位下降,当吸附达到“等电点”时便发生凝聚。或者说,当胶粒表面静电斥力小于其引力时,借助于范德华力而发生凝聚结合。掺加硅微粉的耐火浇注料凝结后,SiO2表面形成的Si-OH基,经干燥脱水架桥,形成了硅氧烷(Si-O-Si)网状结构,从而发生了硬化。在硅氧烷网状结构中,硅与氧之间的键,随着温度的升高而不降低,因此强度也不断提高。同时,在高温下SiO2网状结构还会与其所包裹的Al2O3发生反应而生成莫来石,可提高中、高温强度。

高效减水剂在低水泥浇注料中的作用

减水剂是一类在保持浇注料的流动值基本不变的条件下能显著降低搅拌用水量的物质,也称降水剂、分散剂或塑化剂。减水剂在耐火浇注料中,尤其是在低水泥和超低水泥耐火浇注料中的作用是非常重要的。它不仅仅是简单地降低耐火浇注料在施工过程中的加水量,而且在减少加水量的基础上,还明显地优化了浇注料的施工性能。

木质素磺酸盐于上世纪30年代在美国研制成功并逐渐得到应用,作为代减水剂最早在建筑领域用作混凝土减水剂,该产品的出现有力地推动了减水剂行业和技术的发展。随着研究和应用的日益深入,人们发现木质素磺酸盐减水剂减水率低、缓凝性大。20世纪60年代,萘系、聚磺酸盐系及聚合磷酸盐为代表的第二代减水剂逐渐被研制和应用。80年代初期,聚羧酸盐系的第三代高性能减水剂逐渐出现,具有梳型分子结构的聚羧酸系减水剂具有分散性强、掺量低等优点,逐渐成为国内外减水剂研究与开发的热点。

高效减水剂在低水泥浇注料中发挥越来越重要的作用,但是截止到目前为止,仍没有一个完美的理论来解释高效减水剂的作用机理,大家普遍认同的减水机制包括静电斥力作用、吸附分散作用、空间位阻作用。

01静电斥力作用

加减水剂后,减水剂的亲水基团指向水溶液,憎水基团定向吸附在基质西安建筑科技大学硕士学位论文7颗粒表面,构成单分子或多分子吸附膜。由于亲水极性基团的电离使得基质颗粒表面带上电性相同的电荷,电荷量随着减水剂浓度的增大直至饱和,基质颗粒表面的相同电性的电荷使得基质颗粒之间产生静电斥力。这种斥力作用有利于包裹于絮凝结构中的自由水的释放,从而有效地增大不定形耐火材料的流动性。

02吸附分散作用

溶液中基质颗粒的热运动在某些边棱角处互相碰撞吸附、相互吸引,因粒子间的分于引力作用等产生絮凝。由于减水剂分子具有极性或非极性基团,逐渐吸附在基质颗粒表面,基质颗粒表面形成了双电层,相邻粒子之间产生静电斥力。使得基质颗粒分散,降低了基质颗粒固液界面的表面张力,提高了浆体的分散性。

03空间位阻作用

减水剂吸附在基质颗粒的表面,并且形成一层具有一定厚度的聚合物分子吸附层。当基质颗粒相互靠近时,吸附层相互重叠,使得基质颗粒间产生斥力作用。聚合物分子吸附层之间相互交叉,在聚合物链之间产生物理的空间位阻,这种由于聚合物吸附层靠近重叠而产生的阻力阻止基质颗粒接近的机械分离作用力,称之为空间位阻斥力。一般来说,所有离子型聚合物都会引起静电斥力和空间位阻两种作用,其强度的大小取决于溶液中的离子浓度、聚合物的分子结构和摩尔质晨。聚羧酸系减水剂吸附在基质颗粒表面,虽然静电斥力较小,但是由于其主链与基质颗粒表面相连,支链则延伸进入液相形成较厚的聚合物分子吸附层,因此具有较大的空间位阻斥力,在加入量较小时,即对基质颗粒具有显著的分散作用。


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