棕刚玉基防火材料的制备与性能研究
摘要：本文以工业棕刚玉（Al₂O₃≥95%）为骨料，采用铝酸盐水泥和硅微粉作为复合结合剂，通过振动成型-高温烧结工艺制备了一组棕刚玉基防火材料。系统研究了烧结温度、结合剂掺量对材料体积密度、显气孔率、耐火度及抗压强度的影响。利用XRD和SEM分析了物相组成与微观形貌。结果表明：在1500 ℃烧结并添加6%硅微粉时，材料性能最优，耐火度达1790 ℃，1100 ℃水冷热震30次后强度保持率71.6%。该材料在高温隔热与结构防护领域具有广阔应用前景。
关键词：棕刚玉；防火材料；烧结制度；耐火度；抗热震性
1. 引言
建筑和工业装备的被动防火保护对材料提出了严苛要求：需同时具备高耐火度、低导热系数和良好的热震稳定性。传统硅酸盐防火材料虽成本低，但高温易粉化；碳化硅质材料耐高温却热导率偏高。棕刚玉因高熔点（2050 ℃）、高硬度和优异的化学惰性，成为耐火原料的理想选择。然而单一棕刚玉骨料难以成型，需引入结合剂形成陶瓷结合相。本研究通过优化结合剂配比与烧结工艺，制备了棕刚玉基防火材料，并系统表征其性能，旨在为高性能耐火构件的开发提供实验依据。
2. 实验部分
2.1 原料
选用河南某厂生产的棕刚玉颗粒（粒度3~1 mm、1~0.1 mm及≤0.088 mm），其化学成分如表1所示。结合剂采用CA-70铝酸盐水泥（Al₂O₃含量≥70%）和950级硅微粉（SiO₂≥92%）。
| 原料 | Al₂O₃ | SiO₂ | Fe₂O₃ | TiO₂ | CaO+MgO | 烧失量 |
| 棕刚玉 | 95.32 | 1.24 | 0.58 | 2.10 | 0.35 | 0.41 |
| 铝酸盐水泥 | 71.20 | 0.80 | 0.20 | — | 27.60 | 0.20 |
| 硅微粉 | 0.40 | 92.80 | 0.50 | — | 0.30 | 6.00 |
表1 原料主要化学成分（质量分数/%）
2.2 制备工艺
按表2称取物料，先干混2 min，再加入占粉料总质量5.5%的水（含减水剂0.15%）搅拌3 min。将混合料浇注于100 mm×100 mm×100 mm模具中，振动成型后标准养护24 h，脱模后于110 ℃干燥12 h。采用马弗炉分别在1350 ℃、1400 ℃、1450 ℃、1500 ℃下保温3 h烧结，升温速率5 ℃/min。
| 编号 | 棕刚玉骨料 | 铝酸盐水泥 | 硅微粉 | 水 |
| A1 | 80 | 20 | 0 | 5.5 |
| A2 | 80 | 18 | 2 | 5.5 |
| A3 | 80 | 16 | 4 | 5.5 |
| A4 | 80 | 14 | 6 | 5.5 |
表2 试验（质量分数/%）
2.3 测试方法
按GB/T 2997-2000测定体积密度和显气孔率；按GB/T 5072-2008测试常温抗压强度；耐火度采用GB/T 7322-2007方法测定；抗热震性测试：将试样加热至1100 ℃保温15 min，水冷至室温，重复循环30次后计算强度保持率。
3. 结果与讨论
3.1 烧结温度对材料物理性能的影响
以A4为例，不同烧结温度下试样的物理性能列于表3。随温度升高，颗粒间扩散加剧，液相量增加，体积密度上升，显气孔率下降。1500 ℃时，CA₆和CAS₂等高温相充分生长，材料致密化程度最高。
| 烧结温度/℃ | 体积密度/(g/cm³) | 显气孔率/% | 抗压强度/MPa |
| 1350 | 2.68 | 21.3 | 68.4 |
| 1400 | 2.77 | 18.6 | 82.7 |
| 1450 | 2.84 | 15.9 | 96.5 |
| 1500 | 2.91 | 12.7 | 118.2 |
表3 不同烧结温度下A4试样的性能
3.2 结合剂配比对性能的影响
在1500 ℃烧结条件下，不同硅微粉掺量的试样性能如表4。硅微粉添加适量时，生成的莫来石相能填充骨料间隙，提高强度；过量则产生游离石英导致膨胀，使气孔率回升。A4（6%硅微粉）表现出最优综合性能。
| 编号 | 体积密度/(g/cm³) | 显气孔率/% | 抗压强度/MPa | 耐火度/℃ |
| A1 | 2.72 | 18.3 | 74.9 | 1710 |
| A2 | 2.78 | 16.5 | 86.3 | 1740 |
| A3 | 2.84 | 14.2 | 102.7 | 1760 |
| A4 | 2.91 | 12.7 | 118.2 | 1790 |
表4 1500 ℃烧结后不同配比试样的性能
3.3 抗热震性能
经过30次1100 ℃水冷热震循环，A4试样表面无剥落，边角完整。强度保持率达到71.6%。XRD分析显示，材料中形成的片状六铝酸钙（CA₆）和针状莫来石（A₃S₂）交织成网络结构，能够有效钉扎裂纹，吸收热应力导致的损伤。
3.4 微观形貌
SEM观察表明，1500 ℃烧结后棕刚玉颗粒被玻璃相和结晶相紧密包裹。A4试样中，硅微粉与铝酸盐水泥反应生成大量莫来石晶须，长度约3~5 μm，均匀分布在刚玉骨架间，显著提升了材料的高温强度与结构韧性。
4 扩展：复合防火性能优化
为进一步降低热导率，可在上述体系中引入漂珠或空心微珠。表5列出了添加不同体积分数漂珠（粒径50~100 μm）后A4在1500 ℃烧结试样的热导率及耐火度数据。可见适量漂珠可将热导率降低至1.2 W/(m·K)以下，但过高会增加气孔率，导致强度下降。
| 漂珠体积分数/% | 热导率/(W/(m·K)) | 耐火度/℃ | 抗压强度/MPa |
| 0 | 2.35 | 1790 | 118.2 |
| 5 | 1.86 | 1775 | 96.8 |
| 10 | 1.44 | 1760 | 78.5 |
| 15 | 1.12 | 1745 | 56.3 |
表5 漂珠掺量对A4基材料性能的影响
5. 结论
（1）以棕刚玉为骨料、铝酸盐水泥与硅微粉为结合剂，可制备出高耐火度防火材料；最优为棕刚玉80%、水泥14%、硅微粉6%，1500 ℃烧结后显气孔率12.7%，抗压强度118.2 MPa，耐火度达1790 ℃。
（2）适量硅微粉促进莫来石生成，提高材料致密化程度及热震稳定性，30次水冷后强度保持率为71.6%。
（3）引入10%漂珠可在保持较高强度的同时将热导率降至1.44 W/(m·K)，为制备轻质、隔热型棕刚玉基防火材料提供了可行途径。
致谢：本研究得到xxx耐火材料重点实验室开放课题资助，特此感谢。