铝酸盐水泥复合普通硅酸盐水泥对砂浆早期抗冻性能的影响

研究了早期受冻环境下铝酸盐水泥复合普通硅酸盐水泥砂浆试件的力学性能及其微观形貌的变化。结果表明：纯铝酸盐水泥体系具有良好的早期抗冻性能，但其与普通硅酸盐水泥复合时，普通硅酸盐水泥掺加比例0~70%时，其早期抗冻性能会有明显下降趋势；而在70%~100%时又呈现上升趋势，但增加幅度较小。铝酸盐水泥低掺量掺入会延迟硅酸盐水泥的水化，导致其复合体系早期抗冻性降低。

近年来，以湿法喷射施工为代表的快速施工方式越来越成为不定形耐火材料施工中的重要组成方式，并且其应用场合也越来越复杂多样，不仅仅是传统的冶金行业，在石化、电力、水泥等行业也得到了快速的发展。这其中，即包括全新耐火衬体的造衬施工，也包括大量的在原有衬体基础上快速修复和修补。在一些结构复杂不易架设模具、空间受限、浇注施工困难的场合，湿法喷射施工和人工涂抹施工常常成为唯一的选择。

本文中，分别从喷涂设备角度和材料配方角度，重点研究了铝酸盐水泥结合湿法喷射施工技术的优化和高性能涂抹料的开发。重点介绍了小型湿法喷射设备适用范围和特点。同时，也介绍了通过新型涂抹料辅助剂的引入，开发了高强、高耐火性能的铝酸盐水泥结合涂抹料。上述两项研发工作，目前在现场实际工程项目中也得到了成功的应用。

1.1    目前国内耐火材料用湿法喷射装备的简介

不定形耐火材料的湿法喷射施工在近年来取得了非常迅速的发展，其基本工作原理如图 1 所示。与传统的浇注施工相比，湿法喷射不需要支设模具、施工简单快速、施工体的厚度适应范围大，喷涂材料的性能与浇注料比较接近。同时，与常用的半干法喷涂相比，现场粉尘低，材料反弹率低，同时材料加水量低，性能更加优异。因此，湿法喷射目前在国内高炉本体内衬、钢包内衬等领域得到了越来越广泛的应用。

在湿法喷射的施工工艺中，除了喷射材料自身的配方和性能优化以外，喷射设备的工作原理和参数、操作的可靠性及与材料的匹配性，甚至设备的外形大小和可移动性都会成为影响施工能否顺利进行的主要因素。应该说，在不定形材料的多种施工工艺中，湿法喷射对设备的要求和依赖性要比其他的几种要高。对比国内目前常用的耐火材料用湿法喷涂设备，因为喷射材料性能的巨大差异，其均属于为耐材专门开发或优化的设备，很难直接使用建筑混凝土或建筑砂浆中的设备，而其中活塞泵式的湿法喷射设备在其中占有绝对主流的位置。图 2 示出了国外进口的大型活塞泵式湿法喷涂机。

随着耐火材料湿法喷射应用领域越来越广泛，除了大型湿喷装备以外，某些项目，特别是越来越多的一些小型的耐材维修项目对湿法喷射装备提出了新的要求：

（1）装备小巧、灵活，便于搬运、移动，特别适应于某些空间受限或是特殊位置（比如高空平台）；

（2）适用于施工材料数量规模不大的施工项目（甚至是每次只有一吨或几吨左右的喷涂量），设备或管道浪费材料少；

（3）有一定的基本泵送距离和泵送高度的能力；

（4）操作简单、方便，特别是喷射后期泵体内部和管道内部的清洗要方便、高效；

（5）相较大型湿喷设备，设备的成本要低、维护简单方便。

针对上述要求，目前的大型湿法喷射装备虽然喷射能力很高，泵送距离也非常远，但是受限于较大的自身体积和喷射过程前后浪费的材料相对较多，特别是价格也居高不下，不是非常适应这种小型灵活的施工方式。因此，就需要一种小型湿法喷射设备来满足这方面的需求。

1.2   小型湿法喷射设备的介绍和性能测试

在本次试验中，测试了某公司研发成功的一款小型湿法喷射设备 。图 3 为 小型设备照片，图 4 为小型设备工作和施工工艺示意图。

从图 3 和图 4 中可以看到，小型湿喷机的的基本工作流程与活塞泵式的大型喷射设备基本相同，可以描述为：材料和水首先在搅拌机中进行充分的搅拌混合，之后进入一个螺旋给料机，通过连接管道，给料机将材料输送进压缩泵体，而泵体通过压缩产生的动力将材料通过输料管道泵送到喷枪口，在那里，材料与促凝剂充分混合，最后与空压机产生的压缩空气混合后，喷射到目标的表面。

当然，比较 小型湿喷机与常见的大型活塞泵式喷射机，还是可以发现两者之间存在一些不同点：首先， 小型湿喷机的体积还是比较小巧的，可以比较轻易的移动；当然，受其体积和功率的限制，不适合于大型喷涂施工，更适合于小型的喷射项目；其次，与大型设备的整体集成化，小型湿喷机被设计成分体式的，分成材料加水搅拌机、螺旋输送器、压缩泵体、促凝剂泵和管道与喷枪几个单元，因此便于维护设备和现场施工中解决突发问题；其三，设备在喷射后清洗非常方便。

2.1    铝酸盐水泥结合涂抹料的技术特点和目前存在的问题

在不定形耐火材料的施工方法中，除了应用广泛的浇注施工、半干法喷涂和我们前文讨论的湿法喷射以外，还有一种非常传统的施工方法：手工涂抹施工。从技术的发展上看，手工涂抹应该是应用最早的一种施工方式，但是随着其他“先进”施工方式的普及，手工涂抹因为其劳动强度大、劳动效率低、现场安全等方面的问题，逐渐被其他方法所替代。但是在现实中，某些特殊的场合仍然需要采用手工涂抹来进行施工，特别是施工面积不大、不容易架设模具，受空间或其他影响喷涂又无法开展的施工现场。目前，在钢包包壁的修补，石化、水泥、电力、冶金等某些保温、耐磨衬里的施工仍然采用手工涂抹施工。特别是在某些需要快速抢修、快速修补的场合，手工涂抹的灵活性和方便性还是具有很大的优势。

从涂抹材料的结合体系来看，主要可以分为水泥结合和非水泥结合两种体系。非水泥结合主要采用磷酸盐、硫酸盐、硅酸盐等无机酸或无机盐类作为结合剂。而铝酸盐水泥结合的手工涂抹料，具有硬化迅速、早期强度高、结合剂可以和材料以干粉形式混合和运输、不需要现场困料等技术优势。但是，在铝酸盐水泥结合的手工涂抹材料的配方设计上一直受到两个方面因素的制约，一个因素是涂抹料的施工性能，另外一个是涂抹料的中高温的实际使用性能。下面是对铝酸盐水泥结合的手工涂抹料施工性能的几个要求的要点：

（1）材料具有优异的内部塑性黏度，可以在施工体厚度较厚的情况下，仍然依靠材料内部的黏度而保持不流淌、不塌落；并且在涂抹施工后的一段时间内，材料不会随着时间的变化而出现塑性黏度的下降的情况；

（2）材料在搅拌过程中和涂抹施工过程中，不会出现较大的触变性和剪切变稀的流体特征，而使得材料能够顺利的涂抹到目标表面而不出现垂挂和流淌的现象；

（3）涂抹料的可工作时间（可涂抹时间）可以通过外加剂进行调整；

（4）上面的两种特性对于加水量的轻微波动不是特别的敏感；

（5）涂抹时顺滑、易施工、表面黏度不过高而降低手工涂抹的效率；

从上述可以看到，涂抹料具有与常见的低水泥浇注料完全不同的施工要求。但是在实际的使用中，又常常希望涂抹料的效果能够达到或者接近浇注料的效果。因此，这就出现了在涂抹料的配方设计中如何平衡施工性能和使用性能的矛盾。下面，用表 1对比了目前常规的铝酸盐水泥结合重质涂抹料和低水泥浇注料的配方特点、施工性能和中高温性能。

2.2    铝酸盐水泥结合的高性能涂抹料的开发

从前文的分析中可以看到，常规的高水泥结合手工涂抹料由于要保证施工时良好的黏结性能，不发生流挂等情况，不得已在配方中增大水泥的含量，极少加入外加剂和微粉，加大软质黏度或其他增稠材料的加入量，这都影响了涂抹料的高温使用性能，因此与常规的低水泥浇注料相比在各种性能上都有较大的差异。

本研究中，在保证涂抹料良好施工性能的同时，通过涂抹料辅助剂 的引入，降低了软质黏土的加入量，0.5%~1.0%（w），特别是在涂抹料中引入适量的硅微粉、氧化铝微粉，通过减水剂和缓凝剂的复配，降低了涂抹料的加水量，极大提高了涂抹料的高温使用性能。将传统的涂抹料、高性能涂抹料和浇注料三种配方及其施工性能进行了比较，见表 2。

从图 6 和图 7 的高温烧后强度及耐磨系数的对比来分析，由于有适量超微粉的引入，以及通过减水剂明显的降低了材料的加水量，高性能涂抹料的高温烧后强度和高温处理后的耐磨系数都明显优于传统的高水泥结合的涂抹料。虽然与低水泥浇注料的数值还是有一定的差距，但是在保证涂抹施工性能的同时，两者在高温下的性能变化趋势和具体数值已经非常接近了。

因此，通过引入涂抹料辅助剂，能够在保证涂抹施工性能要求的同时，引入微粉和减水剂及其他外加剂，充分降低加水量和优化施工时间，因此能明显提高涂抹料的高温使用性能，并随之提高材料在实际使用中的高温强度和耐磨性能等。

（1）随着耐火材料湿法喷射应用领域越来越广泛，除了大型湿喷装备以外，小型湿法喷射设备 具有小巧、灵活，便于搬运移动，特别适用于施工材料数量规模不大的施工项目，设备或管道浪费材料少；

（2）小型湿喷机具备操作简单、方便，特别是喷射后期泵体内部和管道内部的清洗方便、高效；相较大型湿喷设备，设备的成本要低、维护简单方便；

（3）通过引入涂抹料辅助剂，能够在保证涂抹施工性能要求的同时，引入微粉和减水剂及其他外加剂，充分降低加水量和优化施工时间，因此能明显提高铝酸盐水泥结合涂抹料的高温使用性能，并随之提高材料在实际使用中的高温强度和耐磨性能等。