快速蒸汽养护下氧化铝水泥胶粘剂在大吨位绝缘子中的性能增强研究

《Materials》：Enhanced Properties of Alumina Cement Adhesive for Large-Tonnage Insulator Under Rapid Curing Regime

本研究发现70°C蒸汽养护2小时可使氧化铝水泥直接形成稳定相C3AH6和AH3，其抗压强度达112.7兆帕，干燥收缩率低于0.04%，且360天内性能稳定。通过热机械性能测试验证了该胶粘剂在绝缘子中的应用可行性，为超高压工程提供了高性能水泥基材料解决方案。

　　

氧化铝水泥胶粘剂在大吨位绝缘子中的应用背景

在超高压输电工程持续建设的背景下，大吨位绝缘子的需求日益增长，对其机械性能和长期可靠性提出了更高要求。作为玻璃或陶瓷绝缘子的关键粘结材料，水泥胶粘剂的性能直接决定了绝缘子在长期机电载荷和复杂环境条件下的结构稳定性与使用寿命。目前国内大吨位绝缘子制造主要采用硅酸盐水泥胶粘剂，但存在早期强度低、固化时间长和干燥收缩大等问题。相比之下，氧化铝水泥（CAC）具有高早强、低干缩、低孔隙率和短固化时间等优势，能显著提升绝缘子的生产效率和性能稳定性。

材料与方法

研究采用CA 50级氧化铝水泥作为胶凝材料，人造瓷砂为骨料，硅灰为矿物掺合料。通过设计水胶比0.36（X1组）和0.18（X2组）的净浆试件，在20-90°C温度区间进行2小时蒸汽养护。基于此优化出水泥:骨料=3:1、水胶比0.18、减水剂0.2%、硅灰3.5%的胶粘剂配方，采用70°C恒温蒸汽养护2小时的快速固化制度。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和低场核磁共振（LF-NMR）等表征手段，系统分析了水化产物相组成、微观结构和孔隙演化规律。

蒸汽养护温度对氧化铝水泥水化产物的影响

研究揭示了蒸汽养护温度对氧化铝水泥水化路径的调控机制：20°C时主要生成亚稳态板状CAH₁₀晶体，形成多孔网络结构；50-60°C时转化为六方板状C₂AH₈，晶体尺寸减小但孔隙率仍较高（4.89%-5.14%）；70°C时亚相完全消失，直接形成立方状稳定相C₃AH₆和AH₃，孔隙率降至最低值3.02%；当温度升至80-90°C时，虽仍生成C₃AH₆，但过快水化导致微裂纹产生，孔隙率反弹至7.20%。SEM观察显示70°C养护下水化产物呈1-3微米立方晶体，面面接触形成连续空间框架结构。

氧化铝水泥胶粘剂的性能研究

采用70°C/2h快速养护制度制备的胶粘剂展现出卓越性能：2小时抗折强度达14.2兆帕，抗压强度112.7兆帕，远超行业高强胶粘剂标准（抗折≥10.5兆帕，抗压≥83.5兆帕）。长期性能测试表明，360天内抗压强度保持139.9兆帕（峰值143.2兆帕），强度保留率超97%。干燥收缩呈现三阶段特征：90天内快速增至0.0308%（占总收缩80%），180天达0.0351%，360天稳定于0.0383%。弹性模量始终维持在49.3-49.8吉帕区间，360天稳定值为49.6吉帕，体现优异的长期刚度稳定性。

微观结构演变规律

XRD谱图证实胶粘剂在360天龄期内持续保持C₃AH₆和AH₃稳定晶相，未出现亚相转化。LF-NMR测试显示孔隙结构持续优化：1天总孔隙率9.35%，11天降至6.22%，90天达3.56%。孔径分布呈现凝胶孔（<20纳米）比例显著增加，有害孔（>100纳米）比例持续下降的趋势。SEM观测显示C₃AH₆和AH₃凝胶紧密包裹骨料表面，形成三维网络结构填充界面空隙，有效提升荷载传递效率。

绝缘子热机械性能验证

采用该胶粘剂粘结的瓷绝缘子通过GB/T 1001.1-202标准热机械性能测试：在80%额定机电破坏负荷（550千牛）条件下，平均破坏负荷达671.63千牛（标准差4.63千牛）；100%负荷条件下仍达696.69千牛（标准差2.12千牛），均满足X–1.42S ≥ R的合格判据。12次热循环（-40°C至+60°C）过程中未出现瓷件损坏或电气故障，证实其在极端工况下的可靠性。

结论

本研究通过精确控制蒸汽养护温度（70°C/2h），成功制备出具有稳定晶相结构（C₃AH₆/AH₃）和低孔隙率（3.56%）的氧化铝水泥胶粘剂。其早期强度发展迅速，长期性能稳定，干燥收缩率低于0.04%，弹性模量约49.6吉帕。微观结构显示水化产物形成致密三维网络，热机械验证试验证实其满足大吨位绝缘子的工程应用要求，为超高压输电装备提供了高性能水泥基材料解决方案。