矾土基低水泥耐火浇注料具有良好的化学稳定性和耐高温性能，但其热震稳定性较差，需要进一步加以研究提供其热震稳定性、扩大其应用范围。如今锆质材料以其优异的热震稳定性受到了关注。将锆英石加入低水泥耐火浇注料中，以期达到改善材料性能的目的。

试验用主要原料为高铝矾土熟料(骨料：临界粒度为5mm;粉料：<0.088mm)、SiO₂微粉、锆英石细粉、铝酸钙水泥(CA-70)，其主要成分见表1。外加剂采用含三聚磷酸钠(STP)、高效减水剂(FDN)和木质磺酸钙(木钙，相对分子量2000~100000)的复合外加剂。

表1 原料的化学组成(质量分数%)

试验方法

试验所用骨料为高铝矾土熟料颗粒，粉料由矾土熟料细粉、SiO₂微粉、锆英石细粉和水泥组成。骨料与粉料的质量比为70:30。复合外加剂和水采用外加法。

试验时先按基础配方配制混合料，再按试验方案加入不同量的锆英石细粉，在搅拌机内干混30s，并在30s内匀速加入一定量的水，搅拌2min后，将浇注料装入40mm×40mm×160mm的试模，自然养护24h后脱模。试样在烘干(110℃×24h)和热处理后(110℃×3h、1500℃×3h)，分别按标准GB/T2997-2000测试样的显气孔率和体积密度，按标准GB3001-2000测试样常温抗折、按标准GB5072—85测试样的抗压强度。试验中采用试样热震后(加热至1200℃→室温)的残余强度和超声波速度衰减来表征试样的热震稳定性，后者所用试验仪器为SD-2000型非金属超声测定仪。

试样镀金后，其微观结构通过JSM-6390LV扫描电镜观察得到：将试样研磨成粉末，通过200目筛，其相组成由X—射线扫描仪得到。

结果与讨论

体积密度、显气孔率和线变化

试样经110℃烘干24h后，显气孔率和体积密度变化不大;试样经1100℃保温3h热处理后，随着锆英石加入量的增加，体积密度有所下降，显气孔率上升。这是因为在1100℃时，基体中SiO₂与Al₂O₃反应生成莫来石，使试样产生体积膨胀，从而体积密度下降，显气孔率上升;试样经1500℃保温3h热处理后，随着锆英石加入量的增加，显气孔率下降，体积密度上升，锆英石加入量为4%的试样与未加锆英石的试样相比，体积密度增加幅度和显气孔率下降最为明显。经1500℃热处理后，基质中的锆英石发生分解，反应如下：

ZrSiO₄→SiO₂+ZrO₂

从理论上讲，1507℃时锆英石的分解反应才能进行。但实际上的反应温度往往要比热力学分析的理论温度要低。ZrSiO₄在1350℃已经开始分解了，这主要是由于锆英石为天然矿物，受其所含杂质及添加剂的影响，反应温度降低。锆英石反应生成的SiO₂促进了试样的烧结。因此，随着锆英石添加量的增加，试样的体积密度上升，显气孔率和先变化率下降。

强度的变化

锆英石强度的影响。经110℃烘干24h和1100℃保温3h热处理后，试样的抗折强度和抗压强度变化趋势不很明显。这主要因为1100℃以下，试样内部的烧结反应还没有进行，锆英石的分解和莫来石的生成也在1100℃以上才开始，还没有形成完好的结晶相。但经过1500℃保温3h热处理后，试样的抗折强度和抗压强度变化较明显，基本都呈先增大后减小的趋势。这是因为氧化铝和锆英石同时存在，并于1400℃发生反应：

2ZrSiO₄+Al₂O₃→2ZrO₂+Al₂O₃·SiO₂

锆英石分解产生的无定形SiO₂与Al₂O₃反应生成莫来石。随温度增加，莫来石的生成随锆英石而加入量的增加而增加，而且产生的ZrO₂会发生单斜型和四方型间的相变，由此带来的体积效应使得试样微裂纹增多，达到裂纹增韧的效果，从而使得试样强度增大;但随锆英石量继续增加，烧结过程中的体积效应使微裂纹也增多，达到一定程度，微裂纹汇集成宏观裂纹，导致试样强度下降。此外，锆英石分解产生的ZrO₂，对试样的烧结起到促进作用，对强度的提高也起到积极作用。

表2 试样残余强度及超声波波速(m/s)随循环次数的变化

热震稳定性

依据超声波波速变化，可以判断试样内部是否有裂纹出现或是相变发生。从表2来看，随热震循环次数增加，超声波的波速逐渐变小，由此可以推知试样内部结构有变化;而且随锆英石的加入的增加，波速衰减较小，说明试样内部结构变化有异;从试样热震后的残余强度保持率来看，随锆英石加入量的增加，试样热震后残余强度呈增加趋势，加入4%的锆英石与不加时相比，试样循坏5次的残余强度增加了10.7%。

试样热震性能的提高，主要是因为：随温度升高，锆英石不断分解，生成的ZrO₂与邻近的刚玉、莫来石分离形成微裂隙，同时莫来石的形成和ZrO₂晶相的转变，在基质中也形成明显的微裂纹，当收到机械应力和热应力的作用时，裂纹扩展与ZrO₂周围微裂隙及基质中显微裂纹相交，破坏能被消除或吸收，使裂纹扩展终止或转向。从而提高了材料的热震稳定性。

显微结构分析

由以上经验得出，锆英石在本试验中的最佳掺量为4~6%。选择试样H3。进行显微结构分析。

经1500℃保温3h的热处理后，对试样H3进行微观结构分析，从试样既有较为致密的结构，试样的结晶相为刚玉相和莫来石相，莫来石以柱状仅仅交织在一起，存在于刚玉相间。经1500℃热处理后，锆英石分解，生成的氧化锆颗粒为不规则多边形，呈亮白色状分布于刚玉、莫来石相间，且分散较为均匀。

还可以得到，试样中还存在少量气孔，这主要是因为试样中存在少量的杂质成分，在加热过程中，形成少许玻璃相，这与锆英石的分解和莫来石相的形成同时进行，并且莫来石相也在玻璃相中迅速形成。因而，一些形状不规则的锆英石颗粒就被包裹在莫来石颗粒内，在烧结的致密结构中形成了原始气孔，且玻璃相多孔区域存在较多氧化锆颗粒。

同时，我们也对试样进行了X-射线衍射分析，得到刚玉、莫来石、锆英石、二氧化锆四相的存在。

结论

(1)试样的体积密度、显气孔率和线变化随锆英石的加入量的变化在高温时较明显。

(2)试样的强度随锆英石加入量的增加呈现先增大后减小的趋势。

(3)锆英石的引入，可以明显改善材料的热震稳定性，是因为加热过程中形成莫来石和发生二氧化锆相变，形成许多微小裂纹。

(4)在本试验中，锆英石的最佳掺量为4~6%。

(5)从试样的微观分析可以得出其相组成为：刚玉、莫来石、锆英石、二氧化锆。