水合氧化鋁作為結合劑在耐火澆注料中的應用

水合氧化鋁是一種低晶度、亞穩態、高比表面積（200m2/g左右）的過渡氧化鋁，是Al（OH）3在真空或快速脫水情況下即在400-800℃下閃燒（少於1s）形成的一種氧化鋁。一般情況下，水合氧化鋁顆粒的平均尺寸約為15m，呈多孔結構，其內部氣孔多為貫穿氣孔和閉口氣孔。由於水合氧化鋁的比表面積比較大，孔隙較多，遇水後很容易發生水化。因此水合氧化鋁屬於水硬性的水合結合劑，水合氧化鋁水合結合的機理是，水合氧化鋁遇水後再次發生水化，從而形成各種水化產物膠結澆注料的骨料及基質。隨著熱處理溫度升高，其水化產物會發生脫水反應及分解反應，還會發生過渡氧化鋁的晶型轉變，最終在高溫條件下轉變為穩定的α-Al2O3。

1、水合氧化鋁的水化物相

水合氧化鋁作為氧化鋁所有同素異形體中唯一一種可以水化的形態，其水化特點是：水合氧化鋁在遇到水後，顆粒表面羥基化，然後部分顆粒溶解，快速進行水化反應，進而有水化產物-偽勃姆石凝膠產生，該水化產物覆蓋在原料的顆粒表面。緊接著，部分的偽勃姆石凝膠進一步發生了結晶反應，生成了水化產物勃姆石，然後勃姆石進一步水化形成拜耳石。水合氧化鋁的水化反應式如下所示，由於水合氧化鋁的水化產物由拜耳石以及勃姆石凝膠等組成，這些水化產物膠結顆粒，填充澆注料孔隙，從而為澆注料提供了脫模強度。

2、水合氧化鋁的水化特點

水合氧化鋁的水化過程由以下四個階段組成，第一階段是誘導前期，即遇水後，水合氧化鋁發生水化，凝膠狀水化產物迅速形成並覆蓋在顆粒的表面，這個過程較短，明顯地釋放水化熱。第二階段是誘導期，由於原料顆粒表面被生成的凝膠狀水化產物所覆蓋，水分子難以透過凝膠層，因此水化速率降低。第三階段是加速期，隨著水化時間的延長，水分子對凝膠層的滲透壓力增大，導致原料顆粒表面的凝膠層破裂，水分子穿過凝膠層進一步與未水化的原料顆粒接觸後進一步發生水化反應，加速了水化反應的進行，從而使得水化反應速率升高。最後階段，水化過程幾乎結束，沒有產生明顯的水化熱，此時水化產物基本為Al（OH）3。

3、溫度對水合氧化鋁水化的影響

水合氧化鋁的水化溫度會對水合氧化鋁的水化過程產生影響，對水化產物種類的形成也有影響，其具體水化產物形成過程如（1。2）式所示。例如，圖1。1所示為TA-700（一種水合氧化鋁）在不同溫度下水化不同時間的水化產物XRD圖譜。可以看出，過低的溫度下，水化產物拜耳石的形成時間非常長，不利於生成。將水合氧化鋁放置5℃下水化8d後，其水化產物物相組成中未出現拜耳石；而在25℃下48h即出現了拜耳石的衍射峰；50℃下僅需8h。這也就表明，較低的溫度不利於水化產物拜耳石的形成；而溫度的升高，促進了水合氧化鋁的水化，進而促進了水化產物拜耳石的產生。另外，水化過程中，水合氧化鋁容易不完全水化。

另外，有研究表明，養護溫度的升高促進水化產物拜耳石的含量增加的同時，也促進了其結晶程度更加完整［44］。例如，圖1。2所示為Alphabond300在A、B兩種條件下水化後的XRD和TG圖。從圖1。2（a）可以看出，水合氧化鋁在A、B兩種條件下水化後，其水化產物均為勃姆石與拜耳石。但是對比兩種條件水化後的XRD衍射峰可知，在20℃下水化48h後進而在110℃下水化12h得到的水化產物拜耳石的衍射峰要強於僅在20℃下水化48h的峰強。這也就表明，隨著養護溫度的升高，促使水化產物拜耳石與勃姆石的結晶程度增加。結合圖1。2（b）看出，水合氧化鋁在A條件下水化後，其質量損失（150℃至800℃）約為14。20%，這也就表明，在該條件下僅有31%的水合氧化鋁完全水化。而在B條件下，大約70%的水合氧化鋁完全水化，並且其水化產物為拜耳石及偽勃姆石。

4、水合氧化鋁水化產物在升溫過程中的物相變化

水合氧化鋁遇水後發生水化反應，有各種水化產物生成。因此，在溫度升高的過程中，水化產物會脫水分解。在溫度升高的過程中，ρ-Al2O3水化產物主要集在三個溫度段內發生變化。第一階段是室溫至100℃，物理吸附水在該溫度段內蒸發，第二階段是100-350℃，水化產物中的羥基水脫除，第三階段是350-600℃，該階段水化產物發生分解。

圖1。3為在溫度升高的過程中，ρ-Al2O3水化產物的物相變化。溫度達到400℃以上時，水化產物拜耳石分解並轉變為γ-Al2O3。溫度達到100℃時，無定形Al（OH）3凝膠轉變為幹凝膠，隨之在210-300℃分解。在450-550℃範圍內，AlOOH脫羥基水，進一步轉變為γ-Al2O3。隨著溫度的升高，過渡氧化鋁最終會轉變為α-Al2O3。