Основная функция кремнеземного дыма в огнеупорных бетонах 

Кремнеземный дым представляет собой аморфный микропорошок со сферической структурой, обладающий большой удельной поверхностью и высокой химической реактивностью. Он находит широкое применение в огнеупорной и керамической промышленности.

01 Свойства микропорошка кремнезема

Микропорошок кремнезема, также известный как кремнеземный дым, обычно является побочным продуктом плавки металлургического кремния или ферросилициевого сплава. В процессе производства поликремния и ферросилиция часть SiO₂ восстанавливается до газа SiO. Этот газ выпускается из печи, где он повторно окисляется при контакте с кислородом, образуя микропорошок кремнезема. Следовательно, по сути, это оксид кремния, полученный методом осаждения из паровой фазы.

Микропорошок кремнезема имеет стандартную сферическую морфологию со средним размером частиц около 0,15 мкм и удельной поверхностью в диапазоне 15–30 м²/г, что свидетельствует о высокой химической реактивности. Микропорошок кремнезема не горючий и представляет минимальную опасность для здоровья человека.

Содержание SiO₂ в микропорошке кремнезема колеблется в пределах 87-98%, причем его химическая реакционная способность зависит от концентрации SiO₂. Как правило, чем выше содержание SiO₂, тем больше площадь поверхности и, следовательно, тем выше реакционная способность. Обычно микропорошок кремнезема, полученный при плавке ферросилициевого сплава, имеет более низкое содержание SiO₂, чем микропорошок, полученный из металлического кремния. Кроме того, микропорошки кремнезема, производимые разными производителями, обычно имеют значительные различия в химическом составе, что приводит к значительным различиям в их химических свойствах. Например, по сравнению с микропорошками кремнезема, полученными при производстве металлического кремния, микропорошки, полученные при производстве диоксида циркония путем переработки силиката циркония, имеют относительно меньший средний размер частиц. с более низким содержанием примесей, содержащих основные оксиды. Это приводит к сравнительно более низкому значению pH в водных растворах, что позволяет снизить вязкость в литейных смесях. Следовательно, это улучшает текучесть литейных смесей и продлевает их срок службы, что приводит к относительно более высокой доле использования в неформованных огнеупорных литейных смесях.

02 Влияние кремнеземного дыма на гидратацию алюминатно-кальциевого цемента

В большинстве случаев кремнеземный дым используется в сочетании с цементными вяжущими, такими как портландцемент. Обладая высокой удельной поверхностью, кремнеземный дым обеспечивает множество мест зарождения для продуктов гидратации алюминатного цемента. Это способствует кристаллизации продуктов гидратации, усиливает цементацию между частицами литейного материала и, как следствие, повышает прочность литейного материала. Кремнеземный дым способен изменять состав продуктов гидратации, образующихся при гидратации алюминатного цемента.

Исследования показывают, что добавление кремнеземного дыма в глиняные спеченные бетоны на основе алюминато-кальциевого цемента во время отверждения при 40 °C влияет на образование и трансформацию продуктов гидратации алюминато-кальциевого цемента. Чистый алюминатно-кальциевый цемент, гидратированный в течение 24 часов, продемонстрировал увеличение образования продуктов гидратации β-C₂AH₈ и α-C₂AH₈ с увеличением продолжительности отверждения. Однако производство α-C₂AH₈ постепенно уменьшалось после 24 часов. При добавлении кремнеземного дыма в алюминатно-кальциевый цемент образование как α-C₂AH₈, так и β-C₂AH₈ достигает максимума после 24 часов отверждения. После этого как α-C₂AH₈, так и β-C₂AH₈ преобразуются в гидрат кальциевого полевого шпата C₂ASH₈. Кремнеземный дым, собираемый промышленным способом методом осаждения из паровой фазы, содержит различные примеси щелочных металлов. Эти примеси придают кремнеземному дыму в водных растворах особые химические свойства, такие как дзета-потенциал и значение pH. Исследования показывают, что кремнеземный дым, демонстрирующий различные значения pH в водных растворах, значительно влияет на процесс гидратации алюминатного цемента (CAC).

С увеличением значения pH (2,77, 6,91 и 7,66) кремнеземный дым усиливает скорость гидратации алюминатно-кальциевого цемента и способствует образованию продуктов гидратации. Это может происходить из-за того, что микросферы кремнезема с более высоким pH ионизируют больше ионов OH⁻ в водных растворах, ускоряя процесс «гидроксилирования» во время гидратации цемента. Впоследствии это ускоряет гидратацию алюминатового цемента и способствует образованию продуктов гидратации цемента. И наоборот, когда pH кремнеземного дыма достаточно низкое, это приводит к диссоциации большего количества ионов H⁺ в водном растворе. Некоторые из этих ионов H⁺ нейтрализуют ионы OH⁻, тем самым ингибируя процесс «гидроксилирования» алюминатового цемента и, как следствие, замедляя скорость гидратации цемента.

03 Применение микросфер кремнезема в неформованных огнеупорных материалах

Кремнеземный дым — это мелкий порошок, широко используемый в бетонных смесях. Кремнеземный дым имеет мелкий размер частиц, что позволяет ему заполнять пустоты между частицами в бетонных смесях и тем самым снижать потребность в воде. Имея стандартную сферическую структуру, кремнеземный дым демонстрирует «эффект шарикоподшипника». Заполняя межклеточные пространства между частицами, он преобразует относительное скользящее трение в катящееся трение. Это снижает трение между частицами, что в результате снижает вязкость бетонной смеси и улучшает ее текучесть.

Микропорошок кремнезема обладает аморфной кристаллической структурой благодаря уникальному процессу производства, что делает поверхности его частиц склонными к разрыву связей. Наличие этих разорванных связей позволяет микропорошку кремнезема легко адсорбировать ионы OH⁻ из водных растворов, образуя комплексы Si-OH, которые впоследствии диссоциируют на ионы Si-O⁻ и H⁺ в растворе. Благодаря относительно мелкому размеру частиц (микрометровый масштаб), кремнеземный дым легко образует коллоидные структуры с двойными электрическими слоями в водных растворах. Высокореактивный кремнеземный дым адсорбирует ионы OH⁻ в водных растворах, образуя обильные гидроксильные группы на поверхности своих частиц. Во время отверждения при низкой температуре кремнеземный дым подвергается реакциям дегидратации, образуя связи -Si-O-Si- между частицами. Это повышает прочность отливки при извлечении из формы. При повышенных температурах микропорошок кремнезема может переходить в жидкую фазу, снижая вязкость массопереноса между частицами. Это ускоряет скорость массопереноса и способствует спеканию между частицами. Следовательно, бетоны, содержащие микропорошок кремнезема, способствуют спеканию внутри матрицы при 800 °C, повышая способность частиц к взаимосцеплению. Это приводит к улучшению прочности бетона при средних температурах.