铝酸钙水泥浇注料：破解中温强度“陷阱”的深度解析

铝酸钙水泥（CAC）结合浇注料，作为不定形耐火材料的基石，其应用之广泛无需赘言。然而，工程师们在实际应用中常常面临一个棘手的难题：精心养护的浇注料在投入使用、经历中温阶段（约300-1100°C）后，强度为何会不升反降？这种性能上的“陷阱”不仅影响窑炉寿命，更可能带来安全隐患。要真正驾驭这类材料，就必须深入其内部，理解从水化到硬化再到高温相变的完整链条。

问题的核心，在于铝酸钙水泥本身。它既是赋予浇注料早期强度的功臣，其水化产物的亚稳态特性又为后期的强度衰退埋下了伏笔。

两类核心引擎：普通与纯铝酸钙水泥

铝酸钙水泥的选择是配方设计的起点，直接决定了浇注料的性能天花板和适用场景。市面上主要存在两大类别：

1. 普通铝酸钙水泥： 以天然高铝矾土和石灰石为原料，经煅烧制成。其Al₂O₃含量通常在53%至66%之间，含有一定量的SiO₂和Fe₂O₃等杂质。这类水泥成本效益高，是黏土质、高铝质等通用型浇注料的理想结合剂。
2. 纯铝酸钙水泥： 采用高纯度的工业氧化铝和石灰石，通过煅烧或电熔工艺制备。其Al₂O₃含量可达71%以上，杂质极低。这使其成为配制莫来石质、刚玉质等高性能浇注料，应对严苛工况的不二之选。

两种水泥的化学与相组成差异巨大，直接影响其水化行为和最终性能。

表1：铝酸钙水泥化学成分与主要矿物相

注：CA=CaO·Al₂O₃, CA₂=CaO·2Al₂O₃, C₂AS=2CaO·Al₂O₃·SiO₂

表2：普通铝酸钙水泥标号与物理性能参考

强度演变的微观机理：水化产物的“变形记”

铝酸钙水泥的强度来源于加水后形成的水化产物，但这些产物并非一成不变。养护温度是决定水化产物类型的关键变量，也正是理解强度变化的核心。

• 低温区 (<21°C): 主要生成六方针状或片状的 CaO·Al₂O₃·10H₂O (CAH₁₀) 和非晶态的氢氧化铝凝胶(AH₃)。这些交织的针状晶体能快速构建起骨架，提供优异的早期强度。
• 中温区 (21-35°C): 主要生成 2CaO·Al₂O₃·8H₂O (C₂AH₈) 和氢氧化铝凝胶。
• 高温区 (>35°C): 主要生成立方晶系的 3CaO·Al₂O₃·6H₂O (C₃AH₆) 和氢氧化铝凝胶。

关键在于，CAH₁₀ 和 C₂AH₈ 都是 亚稳态水合物。在常温或受热条件下，它们会不可逆地转变为 稳定态的 C₃AH₆。这个转变过程，恰恰是浇注料强度下降的元凶。

为什么转化会导致强度下降？

1. 晶体形态的劣化： 从提供良好机械交织的针/片状（CAH₁₀, C₂AH₈）转变为离散的立方粒状（C₃AH₆），胶结网络被破坏，结合强度自然减弱。
2. 密度的剧增与孔隙的产生： 这是一个更为隐蔽却影响巨大的因素。三种水化物的真密度差异悬殊：CAH₁₀ (1.72 g/cm³), C₂AH₈ (1.95 g/cm³), C₃AH₆ (2.53 g/cm³)。当低密度的亚稳相转变为高密度的稳定相时，固相体积收缩，在胶结相内部产生大量新的微观孔隙，有效承载面积减少，宏观表现即为强度大幅衰退。

因此，养护温度的控制至关重要。如下图所示，20°C左右养护通常能获得最佳强度。温度过低，水化不充分；温度过高（如30°C以上），虽然早期强度发展快，但很快就会因C₃AH₆的生成而出现“强度倒退”。

图1：养护温度、龄期与强度的关系

从烘烤到烧结：强度的“V”形曲线

当浇注料被加热投入使用时，其强度会经历一个典型的“V”形变化。

图2：铝酸钙水化物加热过程中的相变示意

• 脱水阶段 (100-300°C): 水化产物开始脱去结晶水，水化结合键被破坏，强度开始下降。
• 中温强度谷 (300-1100°C): 这是性能最脆弱的区域。水化结合完全失效，而新的陶瓷结合尚未形成。浇注料的强度主要依赖于骨料颗粒间的摩擦力，处于最低点。
• 陶瓷结合阶段 (>1100°C): 随着温度进一步升高，材料基质中的细粉开始发生固相反应和烧结，形成新的、稳定的陶瓷结合。强度开始回升，甚至超过初始强度。

要准确评估浇注料在整个服役周期内的性能，就必须全面考察其从养护、烘烤到不同工作温度下的冷态和热态强度，特别是中温区的性能数据。这不仅涉及复杂的测试流程，更需要对材料相变机理的深刻理解。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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应用实践：材料匹配与性能优化

在实际配方设计中，结合剂与骨料的匹配是基本原则。

• 黏土质与高铝质浇注料： 通常选用经济的普通铝酸钙水泥。水泥加入量一般为10%-15%（质量比）。通过引入硅微粉等外加剂，可以优化颗粒级配，生成莫来石相，从而改善中温强度和耐磨性。

表3：普通铝酸钙水泥结合浇注料典型性能

• 刚玉质浇注料： 必须使用纯铝酸钙水泥，以避免杂质在高温下形成低熔点相。CA-70和CA-75级水泥因其快凝相（CA）与慢凝相（CA₂）比例适中，性能稳定，应用最为广泛。例如，采用CA-70水泥配制的刚玉浇注料，在1500°C烧后，由于水泥中的CaO与骨料中的Al₂O₃反应生成六铝酸钙（CA₆），会产生微膨胀，有助于抵消烧结收缩，保持结构致密。

铝酸钙水泥浇注料的应用覆盖了从轧钢加热炉、锅炉，到电炉顶、LF炉盖、石化催化裂化反应器等几乎所有高温工业领域。理解其从水化到相变的内在逻辑，是实现材料性能最大化、确保工业窑炉长寿稳定运行的关键。