硅砂表面高温改性提高水玻璃砂强度的机理

D0I:10.13374/j.1ssn1001-053x.1998.02.040 第20卷第2期 北京科技大学学报 Vol.20 No.4 1998年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1998 硅砂表面高温改性提高水玻璃砂强度的机理 朱玉龙蔡震升胡汉起 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)等的研究表明，硅砂表面存在吸附膜. 高温改性使吸附膜被牢固烧结在砂粒表面，改变了吸附膜和砂粒表面的物理和化学特性，大大改 善了湿润性，使粘结桥的断裂形式从附着断裂向内聚断裂转化，提高了水玻璃砂的强度 关键词铸造硅砂；高温改性；水玻璃砂：强度 分类号TG222 水玻璃砂的强度取决于水玻璃和砂粒的物理化学性质，两者的相互作用及硬化方式和工 艺.研究表明对原砂进行适当处理可以大幅度提高水玻璃砂的强度，降低水玻璃加入量，改善 溃散性和回用性2.本文研究大林硅砂表面高温改性处理对微波硬化水玻璃砂强度的影响. 1实验方法 选用低模数水玻璃，4070大林水洗砂和秦皇岛人工破碎精制石英砂，进行微波硬化.在 硅矽棒高温炉中进行硅砂表面的高温改性，用超声波能够分离下来的吸附膜的量来表征吸附 膜的内聚强度及与砂粒表面的结合强度；用接触角的相对大小表征硅砂表面与水玻璃液的湿 润性的优劣通过等离子光谱、X衍射谱、能谱等确定硅砂本身及表面吸附膜的化学成分和矿 物成分；用扫描电镜观察砂粒形貌、水玻璃在砂粒表面的包覆情况、粘结桥形态及断裂特性. 2实验结果及分析 2.1硅砂高温改性对水玻璃砂强度的影响 改性温度对水玻璃砂强度影响见图1.结果表明，对大林硅砂，随改性温度的升高，水玻 璃砂的抗压强度从2.0MPa提高到6.0MPa以上，当温度升高到900℃时，强度上升趋缓.而用 秦皇岛砂混制成的水玻璃砂的强度不因高温改性而变化.研究还表明，900℃下保温30mi 两者强度均可达到最大值，再延长保温时间影响不大；硅砂表面高温改性提高水玻璃砂强度 的效果可长期保存 大林硅砂为天然风积砂，在其形成过程中曾被无机物或有机物污染，在砂粒表面存在与 其本身的物理化学性质不同的吸附膜.高温改性改变了吸附膜的物理化学性质，改善了硅砂 表面与水玻璃的相互作用关系.而秦皇岛砂由于是由纯净的石英岩破碎而得，表面干净无污 染膜，高温改性对其表面物理化学性质无特别的影响，故强度变化不大 2.2高温改性对硅砂表面吸附膜物理化学性质的影响 图1曲线3是改性温度对硅砂表面吸附膜量的影响结果显示，随着改性温度的升高，能 1997-06-15收稿 朱玉龙男，30岁，博士蔡震升男，60岁，教授

第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 歇 硅砂表面高温改性提高水玻璃砂强度的机理 朱玉龙 蔡震升 胡汉起 北京科技大学材料科学 与工程学 院 北京 摘要 射线衍射 、 扫描 电镜 、 能谱 等的研究表 明 ， 硅砂表面存在 吸 附膜 高温 改性使吸 附膜被牢 固烧结在砂粒表面 ， 改变 了吸附膜和砂粒表面 的物理和化学特性 ， 大大改 善了湿润性 ， 使粘结桥的断裂形式从附着断裂 向内聚断裂转化 ， 提高了水玻璃砂的强度 关健词 铸造硅砂 高温改性 水玻璃砂 强度 分类号 迎 水玻璃砂 的强度 取决于水玻璃和砂粒 的物理 化学性 质 ， 两者 的相 互作用及硬化方式和工 艺 研究 表 明对原砂 进行适 当处理 可 以大 幅度提 高水玻璃砂 的强度 ， 降低水玻璃加人量 ， 改善 溃散性和 回用性 刀 本文研究大林硅砂表面高温改性处理 对微波硬化水玻璃砂强度的影 响 实验方法 选 用低模数水玻璃 ， 大林水洗砂 和秦皇 岛人工破碎精制石英砂 ， 进行微波硬化 在 硅矽棒高温炉 中进行硅砂表面 的高温改性 ， 用超声波能够分离下来的吸 附膜的量来表征 吸附 膜 的 内聚强 度及 与砂粒表面 的结合强度 用接触角 的相 对大小表征硅砂表面与水玻璃液 的湿 润性 的优 劣 通过 等离子 光谱 、 衍 射谱 、 能谱等确定 硅砂 本身及 表 面 吸 附膜 的化学成分 和 矿 物成分 用 扫描 电镜观察砂粒形貌 、 水玻璃在砂粒表面 的包覆情况 、 粘结桥形 态及 断裂特性 实验结果及分析 硅砂高温改性对水玻璃砂强度 的影晌 改性温 度 对水玻璃砂 强 度影 响见 图 结果 表 明 ， 对大林 硅 砂 ， 随改性 温 度 的升 高 ， 水玻 璃砂 的抗压强度从 侧 提高到 以上 ， 当温 度升高到 ℃ 时 ， 强度上 升趋缓 而 用 秦 皇 岛砂 混 制 成 的水 玻 璃 砂 的强 度不 因高温 改性 而 变化 研 究 还 表 明 ， ℃ 下 保温 两者 强 度均 可 达到 最大值 ， 再延 长保温 时 间影 响不 大 硅 砂 表 面 高温 改性 提 高水玻 璃砂 强度 的效果 可 长期保存 大林 硅 砂 为天 然 风积 砂 ， 在其形 成过程 中曾被 无机物 或有 机 物 污染 ， 在 砂粒 表 面存 在 与 其本 身 的物理 化 学性 质不 同的吸 附膜 高温 改性 改变 了 吸 附膜 的物理 化 学性 质 ， 改 善 了硅 砂 表 面 与水玻 璃 的相 互 作 用 关系 而 秦皇 岛砂 由于是 由纯净 的石 英 岩 破 碎 而得 ， 表 面 干净 无 污 染膜 ， 高温 改性 对其表 面物理 化学性 质无特别 的影 响 ， 故强度变化不大 高温改性对硅砂表面吸 附膜物理化学性质的影响 图 曲线 是 改性 温 度 对硅砂 表 面 吸 附膜量 的影 响 结果 显示 ， 随着改 性 温 度 的升高 ， 能 一 收稿 朱 玉 龙 男 ， 岁 ， 博士 蔡震升 男 ， 岁 ， 教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1998．02．040

Vol.20 No.2 朱玉龙等：硅砂表面高温改性提高水玻璃砂强度的机理 ·175· 够被超声波剥离下来的吸附膜的量愈来愈 1.2 少，到900℃时基本不能剥离.这是由于吸附 膜中的Na,K,Mg等含量较高，高温改性后 -0 0.9 被牢固烧结在砂粒表面，增强了吸附膜的内 聚强度和与砂粒的结合强度，不易被超声波 0.6 剥离下来，使水玻璃砂的强度显著提高 著 票 如 我们用EDS研究了硅砂表面和本体的 0.3 化学组成，结果表明砂粒本体只含有Si和 O,表面则有Fe,Al,K,Mg,a,Ca等元素的 00 0 20040060080010001200 富集这证明了砂粒表面吸附膜的存在对用 改性温度/℃ 超声波剥离下来的砂粒表面吸附膜进行等 图1改性温度对水玻璃砂强度的影响，水玻璃加 离子光谱和XRD研究，确定了它的化学组成 入量为1.5%，保温时间均为2b 和矿物组成，结果见表1,2.研究表明，大林 曲线1和2分别为大林砂和泰蠱岛砂 硅砂表面存在一层以粘土类矿物和胶质铁 曲线3可被剥离的吸附膜量 为主的吸附膜 23高温改性对湿润性的影响 表1大林硅砂及其表面吸附膜的化学组成（质量分数） % SiOz A20 FeO/Fe2O K2O h20 Mgo CaO 硅砂 94.13 3.03 0.25 1.29 1.52 0.084 0.24 吸附膜 57.77 16.27 6.63 2.83 2.87 2.24 2.58 表2大林硅砂表面吸附膜900℃改性前后的矿物组成（质量分数） 改性前20%石英，6%长石，2.5%高岭石，53%伊利石/蒙脱石混层，17%绿泥石，其他有机物、胶质等 改性后24%石英，7%长石，其余为烧结了的粘土矿物和三氧化二铁等金属氧化物 用毛细渗透动态法测定了硅砂与水玻璃液的接触角，详见文献[3】 将70目的硅砂装人直径为6mm的毛细管，将测定结果以h2对t作图，见图2.在我们的实 验条件下图2曲线可表示为：h2=cos0 80 ×t其中，k=cro/2n为常数，h为t时 间水玻璃液上升高度，润湿角，1为时 60 间 结果显示，改性后c0s0的值从 40 0.40提高到1.33.这表明改性以后cos8的 值提高了2倍，6的值显著减小，湿润性 20 得到显著改善，湿润性的改善是因为砂 ● 粒表面吸附有不利于水玻璃湿润的有机 10 20 30 40 50 和无机污染物，高温改性使有机污染物 t/min 氧化分解，剩下的污染物被牢固烧结在 图2高温改性对湿润性的影响 砂粒表面，吸附膜对湿润性的危害作用 1未改性大林原砂；2900℃改性大林砂

朱玉龙等 硅砂表面高温改性提高水玻璃砂强度 的机理 咧卿和攀、 侧塌颊田、﹄芝 够 被 超 声 波 剥 离下 来 的 吸 附膜 的量 愈来 愈 少 ， 到 ℃ 时基本不 能剥离 这是 由于 吸附 膜 中 的 ， ， 等 含 量 较 高 ， 高温 改 性 后 被 牢 固烧结在砂粒表 面 ， 增强 了吸附膜 的 内 聚强 度 和 与砂粒 的结 合 强 度 ， 不 易被 超 声 波 剥 离下来 ， 使水玻璃砂 的强度显著提高 我 们用 研究 了硅 砂 表 面 和 本体 的 化 学 组 成 ， 结 果 表 明 砂 粒 本 体 只 含 有 和 ， 表 面 则有 ， ， ， 吨 ， ， 等元 素的 富集 这 证 明 了砂粒表 面 吸 附膜 的存 在 对用 超 声 波 剥 离下 来 的砂 粒 表面 吸 附膜 进 行 等 离子光谱和 研究 ， 确定 了它 的化学组成 和 矿 物 组 成 ， 结果见 表 ， 研究表 明 ， 大林 硅 砂 表 面 存在 一 层 以 粘 土类 矿 物和 胶 质铁 为主 的吸附膜 高温改性对湿润性的影晌 …呀 三 改性温度 ℃ 圈 改性沮度对水玻玻砂强度的影晌 ， 水玻玻加 入 为 ， 保沮时间均为 曲线 和 分别为大林砂和 组岛砂 曲线 可被 离的吸附膜 裹 大林硅砂及其衰面吸附膜的化学组成 质 分数 月 民 月飞八 吸 两 吨 场 硅砂 吸附膜 表 大林硅砂表面吸附膜，佣℃ 改性前后的矿物组成 质 分数 改性前 石英 ， 长石 ， 高岭石 ， 伊利石糜脱石混层 ， 绿泥石 ， 其他有机物 、 胶质等 改性后 石英 ， 长石 ， 其余为烧结了的粘土矿物和三氧化二铁等金属 氧化物 用 毛细渗透动态法测定 了硅砂 与水玻璃液 的接触角 ， 详见文献 【 将 目的硅砂装人直径 为 的毛细 管 ， 将测定结果 以 对 作 图 ， 见 图 在我们的实 余魂日。 验条件下 图 曲线可表示 为 矿 肋 其 中 ， 。 而 叮为常数 ， 为 时 间水玻 璃液 上 升 高度 ， 润 湿 角 ， 为 时 间 结 果 显 示 ， 改 性 后 肋 的 值 从 提高到 这表 明改性 以后 的 值 提 高 了 倍 ， 的值 显 著 减 小 ， 湿 润性 得 到 显 著 改 善 湿 润 性 的 改 善是 因为砂 粒表 面吸附有不利于水玻璃湿润 的有机 和 无 机 污染 物 ， 高温 改性 使有 机 污染 物 氧化分解 ， 剩下 的污 染物被 牢 固烧结在 砂 粒 表 面 ， 吸 附膜 对湿 润 性 的危 害作 用 刀而 图 商温改性对湿润性的影晌 未改性大林原砂 ℃ 改性大林砂

朱玉龙等 硅砂表面高温改性提高水玻璃砂强度 的机理 咧卿和攀、 侧塌颊田、﹄芝 够 被 超 声 波 剥 离下 来 的 吸 附膜 的量 愈来 愈 少 ， 到 ℃ 时基本不 能剥离 这是 由于 吸附 膜 中 的 ， ， 等 含 量 较 高 ， 高温 改 性 后 被 牢 固烧结在砂粒表 面 ， 增强 了吸附膜 的 内 聚强 度 和 与砂粒 的结 合 强 度 ， 不 易被 超 声 波 剥 离下来 ， 使水玻璃砂 的强度显著提高 我 们用 研究 了硅 砂 表 面 和 本体 的 化 学 组 成 ， 结 果 表 明 砂 粒 本 体 只 含 有 和 ， 表 面 则有 ， ， ， 吨 ， ， 等元 素的 富集 这 证 明 了砂粒表 面 吸 附膜 的存 在 对用 超 声 波 剥 离下 来 的砂 粒 表面 吸 附膜 进 行 等 离子光谱和 研究 ， 确定 了它 的化学组成 和 矿 物 组 成 ， 结果见 表 ， 研究表 明 ， 大林 硅 砂 表 面 存在 一 层 以 粘 土类 矿 物和 胶 质铁 为主 的吸附膜 高温改性对湿润性的影晌 …呀 三 改性温度 ℃ 圈 改性沮度对水玻玻砂强度的影晌 ， 水玻玻加 入 为 ， 保沮时间均为 曲线 和 分别为大林砂和 组岛砂 曲线 可被 离的吸附膜 裹 大林硅砂及其衰面吸附膜的化学组成 质 分数 月 民 月飞八 吸 两 吨 场 硅砂 吸附膜 表 大林硅砂表面吸附膜，佣℃ 改性前后的矿物组成 质 分数 改性前 石英 ， 长石 ， 高岭石 ， 伊利石糜脱石混层 ， 绿泥石 ， 其他有机物 、 胶质等 改性后 石英 ， 长石 ， 其余为烧结了的粘土矿物和三氧化二铁等金属 氧化物 用 毛细渗透动态法测定 了硅砂 与水玻璃液 的接触角 ， 详见文献 【 将 目的硅砂装人直径 为 的毛细 管 ， 将测定结果 以 对 作 图 ， 见 图 在我们的实 余魂日。 验条件下 图 曲线可表示 为 矿 肋 其 中 ， 。 而 叮为常数 ， 为 时 间水玻 璃液 上 升 高度 ， 润 湿 角 ， 为 时 间 结 果 显 示 ， 改 性 后 肋 的 值 从 提高到 这表 明改性 以后 的 值 提 高 了 倍 ， 的值 显 著 减 小 ， 湿 润性 得 到 显 著 改 善 湿 润 性 的 改 善是 因为砂 粒表 面吸附有不利于水玻璃湿润 的有机 和 无 机 污染 物 ， 高温 改性 使有 机 污染 物 氧化分解 ， 剩下 的污 染物被 牢 固烧结在 砂 粒 表 面 ， 吸 附膜 对湿 润 性 的危 害作 用 刀而 图 商温改性对湿润性的影晌 未改性大林原砂 ℃ 改性大林砂

Vol.20 No.2 朱玉龙等：硅砂表面高温改性提高水玻璃砂强度的机理 ·177· 砂粒界面或吸附膜内部断裂而破坏.此时粘结桥的强度取决于吸附膜的内聚强度和与砂粒的 结合强度，而不是由水玻璃膜内聚强度和与砂粒表面的附着强度决定，这就导致了粘结桥的 强度较低高温改性使吸附膜被牢固烧结在砂粒表面，使得吸附膜的内聚和附着强度远大于 水玻璃膜的内聚和附着强度，再加上湿润性的改善使水玻璃膜和砂粒表面的结合强度大大提 高，此时粘结桥的强度主要取决于水玻璃膜的内聚强度，从而使强度比改性前显著提高. 3结论 (1)存在吸附膜且高温下可被牢固烧结于砂粒表面的硅砂，经高温改性后，混制成的水玻 璃砂的强度都会有大幅度的提高. (2)硅砂高温改性提高强度的机理在于：高温改性使砂粒表面存在的吸附膜中的有机污 染物被高温氧化分解，无机污染物被牢固烧结于砂粒表面，从而大大降低了含泥量，改善了砂 粒表面与水玻璃液的湿润性，显著增强了水玻璃膜与砂粒表面的结合强度，有利于完美的、高 强度的粘结桥的形成，使断裂形式从附着断裂向内聚断裂转化. 参考文献 1陈毅水，薛云安型砂表面活性处理清华大学学报，1958,4(1)：89 2 Huang N Y,Su G X.Investigation on the Bonding Efficiency of Chemical Bonding Sand.AFS Trans,1988,96:109 3蒋子铎，邝生鲁，杨诗兰.动态法测定粉末一液体体系的接触角.化学通报，1987(7)：31 Mechanism of Increase in Strength of Sodium Silicate-bonded Sand by Silica Sand Surface Modified in High Temperature Zhu Yulong Cai Zhensheng Hu Hanqi Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT With the aid of XRD,SEM and EDS etc.,there is absorbed film on sand grain surface,high temperature modify makes the film sintered firmly on sand grain surface.Thus it changes physical and chemical characteristics of the film and sand grain surface,improves the wetting properties greatly,makes the fracture features of bonding bridge change from the adhesive to the cohesive and raises the strength of sodium sili- cate-bonded sand. KEY WORDS foundry silica sand;high temperature modify;sodium silicate-bonded sand; strength

朱玉 龙等 硅砂表面高温 改性提高水玻璃砂 强度 的机理 砂粒界 面 或吸 附膜 内部 断裂 而破 坏 此 时粘结桥 的强度取 决于 吸 附膜 的 内聚强度和 与砂粒 的 结合强 度 ， 而 不 是 由水玻璃膜 内聚强 度和 与砂 粒 表 面 的附着 强 度 决定 ， 这 就 导致 了粘 结桥 的 强 度 较低 高温 改性使 吸 附膜被 牢 固烧结 在砂 粒 表 面 ， 使得 吸 附膜 的 内聚和 附着强 度远 大于 水玻璃 膜 的 内聚和 附着强度 ， 再加上 湿润性 的改善使水玻璃膜 和砂粒表 面 的结合强度大大提 高 ， 此 时粘结桥 的强度 主要取决于水玻璃膜 的 内聚强 度 ， 从而使 强度 比改性前显著提 高 结论 存在 吸 附膜且 高温下可被牢固烧结于砂粒表 面 的硅 砂 ， 经 高温 改性后 ， 混 制成 的水玻 璃砂 的强度都会有大幅度的提高 硅 砂 高温 改性提 高强 度的机理 在于 高温 改性 使砂 粒 表 面存 在 的吸 附膜 中的有机 污 染物被 高温 氧化分解 ， 无机污染物被牢 固烧结于 砂粒表 面 ， 从而 大大 降低 了含 泥量 ， 改善 了砂 粒表面 与水玻璃液 的湿润性 ， 显著增强 了水玻璃膜 与砂 粒表 面 的结合强度 ， 有 利 于 完美 的 、 高 强度 的粘 结桥 的形 成 ， 使断裂形式从附着 断裂 向 内聚断裂 转化 参 考 文 献 陈毅永 ， 薛云安 型砂表面活性处理 清华大学学报 ， ， ， 烧 ， ， 蒋子铎 ， 邝生鲁 ， 杨诗兰 动态法测定粉末一液体休系的接触角 化学通 报 ， 一 五 及 及 助 ， ， ， 粥 ， 而 汀 ， 而 球 而 汀 ， ， 习 一 卜〕 一 ’