铝酸盐水泥结合相在热处理过程中的演变及对材料强度的影响

对于所有接触耐火浇注料的工程师与科研人员来说，一个普遍存在的棘手问题便是材料在中温区间的强度衰减。一块在常温下表现优异的浇注料，为何在升温至特定区间（例如1100°C附近）后，其机械强度会发生断崖式下滑，甚至损失超过50%？这一现象直接关联到材料的服役寿命和窑炉的运行安全。要解开这个谜题，我们必须深入其微观世界，探究其核心黏合剂——铝酸盐水泥结合相在受热后所经历的一系列复杂而剧烈的物理化学转变。

水化产物的热不稳定性：解构的开端

铝酸盐水泥在水化后，会形成多种含水化合物，这些水化相是浇注料在低温阶段强度的主要来源。然而，这些相的热稳定性差异极大，为后续的强度衰减埋下了伏笔。常见的几种水化相及其稳定存在的温度区间大致如下（在此采用水泥化学简化式：C=CaO, A=Al₂O₃, H=H₂O）：

• CAH₁₀：主要在低温（约0 ~ 20°C）下稳定存在。
• C₂AH₈：在稍高温度（约20 ~ 60°C）下更为稳定。
• C₃AH₆：作为最稳定的水化产物之一，其热稳定性可维持至约350°C。

当温度持续升高，这些依靠化学键合水来维持结构的水化相便开始逐一“崩解”。这个过程的核心是脱水，它标志着水化结合作用的终结。

从水化结合到陶瓷结合：一个危险的“强度真空带”

材料从依靠水化产物获得强度（水化结合），转变为依靠高温烧结形成新物相获得强度（陶瓷结合），这个过程并非无缝衔接。恰恰相反，两者之间存在一个明显的“强度真空带”或“强度谷”，这正是中温强度问题的核心。

整个转变过程可以大致划分为几个关键的温度阶段：

1. 初始脱水阶段 (200 ~ 350°C): 在此温度区间，稳定范围最广的C₃AH₆开始分解，转变为CaO和C₁₂A₇。同时，凝胶状的氢氧化铝（AH₃）也脱水转变为结晶态的Al₂O₃。此时，水化结合力被严重破坏，而新的、耐高温的陶瓷结合尚未形成，材料的结合力跌入第一个低谷。

2. 固相反应与新相生成 (600 ~ 1000°C): 随着温度进一步升高，先前分解产生的C₁₂A₇和CaO会发生固相反应，重新生成铝酸一钙（CA）。这一步是向陶瓷结合迈出的重要一步，但生成的物相与基体骨料之间的结合力仍然有限。

3. 高级铝酸盐的形成 (1000 ~ 1600°C): 当温度突破1000°C，陶瓷结合的构建过程才真正加速。

   • 在1000 ~ 1300°C，CA与富余的氧化铝（A）反应，生成更为耐火的铝酸二钙（CA₂）。
   • 在1400 ~ 1600°C，CA₂会继续与氧化铝反应，最终生成耐火度极高的六铝酸钙（CA₆），它被视为理想的最终陶瓷结合相。

精确追踪并分析在不同热处理温度下，材料内部发生的物相转变、微观结构演化以及由此导致的宏观性能变化，对于优化浇注料配方、改进热处理工艺至关重要。这是一个复杂的多变量问题，需要借助专业的分析手段来获得可靠的决策依据。

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体积效应：压垮强度的最后一根稻草

如果说“结合力断层”是中温强度衰减的根本原因，那么在1000°C之后发生的固相反应所伴随的体积效应，则让情况雪上加霜。

从水化结构向陶瓷结构的转化，本质上是一系列剧烈的化学重组。这些固相反应，特别是CA向CA₂及CA₆的转化，往往伴随着显著的体积膨胀。这种原位的体积变化在已经失去水化结合力的材料基体内部会产生巨大的内应力，导致微裂纹的萌生与扩展，并最终形成一个更加疏松多孔的结构。

因此，传统铝酸盐水泥结合的耐火浇注料在中温区域表现出的低强度，是水化结合失效、陶瓷结合未完全建立以及固相反应体积效应三者共同作用的结果。理解这一内在机制，是开发新一代高性能浇注料、攻克中温强度瓶颈的理论基石。