不止是添加剂：TiO₂如何从根本上解决钙砂的水化难题

烧结钙砂，作为一种源自石灰岩的高性能耐火原料，其制备过程可谓“千锤百炼”——从加热分解、消化、成型到反复煅烧。然而，一个固有的化学特性始终是悬在其应用之上的“达摩克利斯之剑”：水化。游离的CaO与水分接触后极易反应生成Ca(OH)₂, 伴随体积膨胀，导致材料结构疏松乃至崩解，严重制约了其在高端领域的应用。

行业内的常规思路往往聚焦于如何提高钙砂的致密性，但效果差强人意。真正的突破口，或许在于改变材料的微观作用机制。引入二氧化钛（TiO₂）进行反应性烧结，便提供了这样一种极具潜力的改性路径。

微量添加的宏观效应：3% TiO₂的性能重塑

当体系中引入约3%的TiO₂，并在1650°C下烧结2小时，钙砂的物理化学性能会发生显著改变。下表对比了不同处理方式下钙砂的性能指标：

表1 钙砂性能对比

注：

• 样品A：经碳酸化处理的高纯钙砂。
• 样品B：添加微量TiO₂的普通钙砂。
• 样品C：添加约3% TiO₂，在1650°C × 2h条件下煅烧的钙砂。其气孔率为7.2%，吸水率2.1%，1000°C下线膨胀率为1.2% ~ 1.4%。

数据揭示了一个有趣的现象：样品C在引入约3%的TiO₂后，体积密度有所下降，气孔率（7.2%）相较于高纯钙砂（样品A，显气孔率1.2%）反而显著升高。这似乎与追求“致密”以抗水化的传统认知相悖。那么，其优异抗水化性的秘密究竟藏在哪里？这需要我们跳出单纯的物理指标，深入探究其微观结构和物相构成的本质变化。

精确分析样品中CaO的结晶形态、晶粒尺寸分布，以及新生成相的种类与包覆状态，是解开这个谜题的关键。这些复杂的表征工作，往往需要依赖专业的分析技术和经验。

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釜底抽薪：TiO₂的双重作用机制

当TiO₂的添加量提升至约10%，其抗水化机理变得更为清晰。在1650°C的高温下，TiO₂并非简单地作为一种惰性填料存在，而是扮演了主动的“微观结构建筑师”，通过两种协同机制，从根本上“屏蔽”了CaO的水化通道。

1. 促进CaO晶粒长大：TiO₂的引入显著促进了烧结过程中CaO晶粒的再结晶和长大。更大的晶粒意味着更小的比表面积，这直接减少了材料表面与外界水汽接触的活性位点数量，从物理层面降低了水化反应的初始速率。样品B的数据（CaO结晶尺寸达100μm）已初步印证了这一点。

2. 原位生成“保护膜”：这才是最核心的机制。在高温下，TiO₂会与CaO颗粒表面发生原位反应，生成一层致密的钛酸钙（3CaO·2TiO₂）薄膜。这层薄膜如同一件“纳米铠甲”，紧密地包覆在CaO晶粒表面，物理性地隔绝了CaO与外界环境的直接接触。只要这层保护膜不被破坏，内部的活性CaO就无法接触到水分子，从而实现了优异的抗水化稳定性。值得一提的是，该钛酸钙相的分解熔融温度高达1725°C，确保了其在多数高温应用场景下的结构稳定性。

可以说，TiO₂的引入，巧妙地利用原位化学反应，为活泼的CaO穿上了一层坚固的“惰性外衣”。这种从“被动防御”转向“主动构建”的策略，为开发新一代高性能、高稳定性的钙基耐火材料提供了全新的设计思路。