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。