随着耐火材料的发展，不定形耐火浇注料所占的比例越来越大。从传统的水泥结合浇注料开始，陆续开发出低水泥浇注料、超低水泥浇注料和无水泥浇注料。这主要是因为超细粉与微粉的引入降低了水泥的用量。这一类浇注料相比于传统的水泥结合浇注料具有更高的致密度、耐火度和更优良的抗渣性。但同时它也带来了一些弱点，如烘烤时易发生爆裂，影响其使用。
针对其抗爆裂性差的原因，国内外学者研究认为，主要有以下两个原因:一是超细粉引入后，填充许多细小空隙，使浇注料透气度降低;二是加入超细粉后并不形成传统水泥浇注料中所形成的CAH10、C2AH8和C3AH6等水化物，而是形成类似沸石型的钙铝硅水化物，而这类水化物在300℃以前脱水比传统水化物缓慢得多，这就使得其在300℃前很少因水化物分解而形成排气通道。
ρ-Al₂O₃结合浇注料是一种高性能无水泥浇注料，与含水泥结合的浇注料相比，ρ-Al₂O₃结合因其纯度高、含Ca量极低，在高温使用过程中，不会生成钙长石或钙铝黄长石等低熔点液相，具有更优异的高温使用性能。但有研究表明，与低水泥结合浇注料、超低水泥结合浇注料和溶胶结合浇注料相比，ρ-Al₂O₃结合浇注料的抗爆裂性更差。但目前对于ρ-Al₂O₃结合浇注料的抗爆裂性能方面的报道较少，本工作中以电熔白刚玉为主要原料，ρ-Al₂O₃为结合剂，通过改变SiO₂微粉的加入量研究其对抗爆裂性能等的影响。
试验
1.1 原料
试验用主要原料为:电熔白刚玉颗粒，粒度5～3、3～1和≤1mm,w(Al₂O₃)≥99.4%;电熔白刚玉细粉，粒度≤0.074mm,w(Al₂O₃)≥99.4%;活性α-Al₂O₃微粉，d50=1.198μm,w(Al₂O₃)≥99.38%;SiO₂微粉，d50=0.268μm,w(SiO₂)≥96.77%;结合剂为ρ-Al₂O₃,d50=2.4μm,w(Al₂O₃)≥99.6%;减水剂为六偏磷酸钠。
1.2 试样制备
配制编号分别为S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6的7种试样。将配好的料先于料袋中用手预混，再倒入搅拌锅中干混90s;然后加水湿混150s，振动浇注成40mm×40mm×160mm、50mm×50mm×50mm和50mm×50mm的样坯，室温养护24h后脱模;再于110℃干燥24h后，在空气气氛中1400℃保温3h热处理。
1.3 性能检测
按GB/T5988—2004检测试样的线变化率，按GB/T2997—2000检测试样的显气孔率和体积密度。按GB/T3001—2007检测试样的常温抗折强度，按GB/T5072—2008检测试样的常温耐压强度。按GB/T3000—1999检测试样的透气度值，使用压汞仪检测试样的孔径分布。按照GB/T36134—2018进行试样的抗爆裂试验:振动浇注成50mm×50mm×50mm尺寸的样坯，于室温下带模养护12h后，立即脱模放入抗爆裂实验炉中，未放入炉内的试样于密封袋中密封。记录试样爆裂时的炉温以及发生爆裂时的时间，并将试样爆裂后的样块拍照。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分别对试样物相组成和显微结构进行分析。
结果与讨论
2.1 物相组成与显微结构
图1为试样S0、S5和S6在1400℃保温3h后的XRD图谱。从图中可以看出，试样S0烧后的物相主要为刚玉，试样S5、S6烧后的物相除刚玉外，还含有少量莫来石相，且试样S6的莫来石衍射峰比试样S5的略强。这说明，在1400℃下，SiO₂微粉和活性α-Al₂O₃微粉可能发生反应，生成了莫来石晶体;且随着SiO₂微粉含量的增加，生成的莫来石含量也有所增加。
图2示出了试样S0、S3和S6经1400℃保温3h后的显微结构照片。可以看出:试样S0各骨料之间相互独立，而试样S3骨料之间通过SiO₂微粉产生的液相相互结合在一起;随着SiO₂微粉含量的增加，试样S6中产生的液相明显增多，骨料之间的结合更为紧密。这说明，在无SiO₂微粉的情况下，试样S0没有发生液相烧结，骨料与基质之间没有结合，强度非常低;而试样S3和S6发生了液相烧结，各骨料与基质之间有机地结合在一起，且在氧化铝微粉表面可能生成了针状莫来石，使得强度提高。
2.2 常规性能
图3示出了室温养护24h脱模后、110℃干燥24h后以及1400℃热处理3h后试样的常温抗折强度和耐压强度。从图中可以看出:随着SiO₂微粉含量的增加，室温养护24h脱模后的试样的常温抗折强度和耐压强度逐渐增高;经110℃干燥24h后的试样随SiO₂微粉含量的增加，其常温抗折强度和耐压强度先增加后趋于平缓;在1400℃热处理3h后，SiO₂微粉含量为0时的试样强度最低，低于其烘后强度，其他试样的常温抗折强度随着SiO₂微粉含量的增加略微增加。
SiO₂微粉的比表面积大，表面存在许多的不饱和键，遇水后形成大量带有Si—OH的胶态结构，这使得脱模后的强度随SiO₂微粉含量的增加而逐渐增加;在经110℃干燥时，SiO₂微粉颗粒表面的Si-OH键脱水聚合成Si-O-Si这种结合牢固的三维网状结构，使得烘后试样的强度逐渐升高;在SiO2微粉含量(w)超过3%后，这种Si-O-Si三维网状结构可能已基本完成，再继续增加Si-O-Si键的含量对其强度的影响就不大了。在1400℃下，SiO₂微粉因其活性很高，产生液相并促进烧结，使得烧后试样具有很高的强度。随着烧结程度的增加，其强度也在缓慢的增加。而SiO₂微粉含量为0的试样在1400℃下没有发生液相烧结，只是发生了ρ-Al₂O₃水化产物结合水的脱除，导致其1400℃烧后的强度低于110℃烘后的。
图4为不同SiO₂微粉试样的体积密度、显气孔率及烧后线膨胀率。
从图4可以看出:1)随着SiO₂微粉含量的增加，试样脱模、干燥和烧后的体积密度先增加后降低，在SiO₂微粉含量(w)为3%时取得最大值;2)脱模、干燥和烧后试样的显气孔率随SiO₂微粉含量的增加基本逐渐降低，且烧后试样的显气孔率大于干燥后的，脱模后的显气孔率最低;3)试样的烧后线膨胀率随SiO2微粉的增加逐渐增大。SiO₂微粉因其粒径小且是球形，所以极易填充浇注料内的微小空隙，从而使其致密程度增加，并降低其气孔率。当SiO₂微粉含量(w)超过3%后，由于SiO₂微粉的堆积密度比刚玉的小，所以体积密度略有下降。随着SiO₂微粉含量的不断增加，烧结程度不断加深，产生的液相量也在不断地填充微小空隙，使得收缩不断加剧，显气孔率不断下降。
2.3 孔径分布和透气度
图5示出了不同SiO₂微粉含量试样1400℃烧后的孔径分布和孔径累积百分含量。
从图5可以看出:1)在SiO₂微粉含量为0时，孔径分布图形较为尖窄，为单峰形状，平均孔径为2.9μm，孔径分布范围主要集中在1～9μm;随着SiO₂微粉含量的不断增加，峰值不断减少，图形向右偏，且逐渐呈双峰分布。2)当SiO₂微粉含量(w)为6%时，其平均孔径为5.5μm，孔径分布范围主要集中在2～5、6～40μm;且从孔径累积百分含量图中也可以看出，随着SiO₂微粉含量的增加，其图形向右偏移。这说明随着SiO₂微粉含量的增加，试样整体的孔径增大。
从图2的显微结构照片中可以看出，在1400℃下，SiO₂微粉产生的液相填充了基质中的许多微小气孔，并消除了一些闭口气孔，使得试样中小孔径的孔减少;产生的液相在降温过程中不断收缩固化，使得许多气孔相互连通形成大孔径的孔，且由于热膨胀系数的不同，使得基质与骨料之间产生许多微裂纹，这些微裂纹也连通许多微小孔和闭口气孔，使得孔径变大。因此，随着SiO₂微粉含量的增加，液相量也不断增加，上述过程不断加剧，使得试样整体孔径不断增大。
不同SiO₂微粉含量下，试样脱模、干燥和烧后的透气度。从表中可以看出:1)脱模和干燥后的透气度随SiO₂微粉含量的增加而减小，在SiO₂微粉含量达到3%(w)以后，其值趋于平稳。经1400℃热处理后，试样的透气度随SiO₂微粉含量的增加而逐渐增加;2)脱模和烘后试样的透气度值比较接近，而烧后试样的透气度是脱模和烘后的几百倍。这是因为SiO₂微粉具有填充空隙作用，试样S0没有加入SiO₂微粉，内部空隙较多，气孔率较高，因此连通气孔较多，透气性较高;加入SiO₂微粉之后，SiO₂微粉不断填充空隙，使得大气孔变成小气孔，也可能会封闭一些连通气孔并形成更多的闭口气孔，使得透气性降低。而试样经1400℃热处理后，随着SiO₂微粉含量的增加，内部产生的微裂纹数也在不断增加，这种微裂纹连通许多其他的开口气孔，形成类似树枝状分布的江河流通图，为气体的流通和扩散提供了方便快捷的通道。
2.4 抗爆裂性能
不同SiO2微粉含量试样在各温度段的抗爆裂试验结果。从表中可以看出:试样S0在炉温为500℃时未发生爆裂，在550℃炉温下发生爆裂，爆裂时间为250s，因此其抗爆裂温度为500℃;试样S1的抗爆裂温度为550℃，在600℃炉温下的爆裂时间为246s;试样S2的抗爆裂温度为500℃，在550℃炉温下的爆裂时间为325s;试样S3、S4、S5和S6的抗爆裂温度均为450℃，在炉温为500℃下的爆裂时间分别为468、460、373和375s。
图6为试样在各温度下爆裂后残余的大块碎样图。从图中可以看出，试样均为粉碎性爆裂，无产生大裂纹型的爆裂，这也是ρ-Al₂O₃结合的爆裂特性。同时也可以看出，试样S3、S4、S5和S6在500℃炉温下爆裂后的残余大块碎样量在逐渐减少，这也可以说明爆裂程度增加，抗爆裂性能降低。
抗爆裂性主要与材料内部气体逸散的快慢程度有关，也与材料内部的结合强度有关。试样S0在脱模后虽然具有较高的气体逸散能力，但其结合强度很低，在温度为300～500℃时，ρ-Al₂O₃的水化产物脱除结合水，使其结合强度进一步降低，而这时的内部蒸汽压增大，在这两方面的作用下，使得其抗爆裂性并不是很好。而在加入SiO₂微粉的情况下，其脱模时的结合强度得到很大的提高，且随着自由水和吸附水的脱除，形成Si—O—Si三维网状结构，使得结合强度进一步提高，且这种结构在1200℃以前不会遭到破坏。因此，ρ-Al₂O₃的水化产物脱水不会对其强度造成很大影响，使得其抗爆裂性有所增加。但随着SiO₂微粉含量越来越高，其结合强度不再显著增加，而其内部气体逸散能力快速下降，使得其抗爆裂性不断减弱。
结论
(1)随着SiO₂微粉含量的增加，试样的常温力学性能得到很大提高，体积密度先增加后略有下降，显气孔率则逐渐降低，线膨胀率逐渐增加。
(2)随着SiO₂微粉含量的增加，试样经1400℃热处理后的整体孔径在逐渐增大，脱模后和110℃烘后的透气度先减少后趋于平稳，1400℃热处理后的透气度则逐渐增大。
(3)随着SiO₂微粉含量的增加，试样的抗爆裂性能先增加后降低，在SiO₂微粉含量(w)为1%时，抗爆裂温度最高，为550℃。综合考虑试样的力学性能和抗爆裂性能，SiO₂微粉的适宜添加量为1%～2%(w)。
