王明英，張興福，王自福，劉亞麗，陳俊薇，王勇（山東省建筑科學(xué)研究院，山東 濟南　250031）

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改性硫氧鎂膠凝材料原材料配比的研究

王明英，張興福，王自福，劉亞麗，陳俊薇，王勇
（山東省建筑科學(xué)研究院，山東 濟南250031）

研究了一種新型鎂質(zhì)膠凝材料——改性硫氧鎂膠凝材料的原材料配比，結(jié)果表明，經(jīng)改性的硫氧鎂膠凝材料具有很好的力學(xué)性能和抗水性，在硫酸鎂溶液濃度為1.26 g/cm3，氧化鎂和硫酸鎂摩爾比為10.62，改性劑摻量為1.0%時，制備的凈漿試塊有最佳的力學(xué)性能和抗水性。

硫氧鎂；膠凝材料；配比；力學(xué)性能

0　引言

鎂質(zhì)膠凝材料是以氧化鎂、氯化鎂（或硫酸鎂、磷酸鎂）和水為原料，經(jīng)添加增強材料、填料和改性劑而形成的膠凝材料。鎂質(zhì)膠凝材料包含氯氧鎂、硫氧鎂、磷酸鎂3類，常見的為氯氧鎂類及硫氧鎂類，磷酸鎂類凝結(jié)時間短、強度高，但由于其成本高，目前僅在工程搶險、搶修和軍工領(lǐng)域使用。氯氧鎂及硫氧鎂膠凝材料制品具有生產(chǎn)成本低、強度高、耐火性能強等優(yōu)點，常被替代木材或作為其它建材廣泛應(yīng)用。

鎂質(zhì)膠凝材料屬不燃材料，耐火極限可達1～4 h，耐火溫度和時間要明顯高于水泥甚至鋼材，且在阻燃過程中沒有有害氣體排放，可以達到最高防火不燃級別（A1級）。

鎂質(zhì)膠凝材料的原材料之一氧化鎂來源于菱鎂礦輕燒，而我國菱鎂礦石資源豐富，礦石儲量和品位居世界第一。另一個主要原料氯化鎂主要來源于沿海地區(qū)大型鹽化工企業(yè)的剩余物（過去是向海洋排放）和鹽湖地區(qū)提取鉀鹽后大量的副產(chǎn)物光鹵石母液。同時，菱鎂制品可以以廢渣（如刨花、鋸粉、粉煤灰、礦渣等）、農(nóng)業(yè)廢棄物（秸稈粉、稻殼粉等）為填料，制品中不含石棉、有機揮發(fā)物、無放射性物質(zhì)，且菱鎂制品在制作過程中無三廢排放，低碳，環(huán)保，屬國家鼓勵的綠色建材產(chǎn)品。

氯氧鎂膠凝材料在國內(nèi)外研究和應(yīng)用較早，技術(shù)也比較成熟，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到建筑、建材、裝飾等領(lǐng)域。但因其含氯離子，在生產(chǎn)中難免會有游離的氯離子存在于制品中，造成吸潮返鹵、腐蝕鋼筋等現(xiàn)象，影響其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。

硫氧鎂膠凝材料在國內(nèi)的研究近幾年得到突破，未改性的硫氧鎂膠凝材料強度低，抗水性差，且易產(chǎn)生裂紋；經(jīng)改性后的硫氧鎂膠凝材料強度和抗水性大大提高，強度可以達到氯氧鎂膠凝材料的80%～100%，軟化系數(shù)達到0.80以上，甚至超過1.0。并且由于不含氯離子，制品不會有吸潮返鹵的現(xiàn)象，對鋼筋的腐蝕程度也有很大程度的降低，因此改性硫氧鎂膠凝材料有更廣闊的應(yīng)用前景。

本文主要研究改性硫氧鎂膠凝材料中氧化鎂和硫酸鎂不同摩爾比的影響，找出最佳配比。

1　實驗

1.1實驗原料

輕燒氧化鎂為海城華豐鎂業(yè)礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)，性能指標(biāo)見表1，符合WB/T 1019—2002《菱鎂制品用輕燒氧化鎂》中一等品（B）級要求。

表1　輕燒氧化鎂的性能指標(biāo)　%

硫酸鎂為淄博鷹力硫酸鎂廠生產(chǎn)的七水硫酸鎂，各組分含量見表2，符合CMMA/T 1—2015《鎂質(zhì)膠凝材料制品用硫酸鎂》的要求。使用時至少提前1 d配制成硫酸鎂飽和溶液，取上層清液使用。

表2　實驗用七水硫酸鎂各組分含量　%

用硫酸鎂飽和溶液配制成不同濃度的硫酸鎂溶液，分別取樣分析MgSO4含量，如表3所示。

表3　不同濃度硫酸鎂溶液的MgSO4含量

改性劑為山東省建筑科學(xué)研究院研制的硫氧鎂抗水增強劑，為粉體制劑，主要組分為無機鹽A、粉煤灰、硅灰，組分之間按比例混合制成，摻加量為輕燒氧化鎂質(zhì)量的1%。

1.2實驗設(shè)備

D8 ADVANCE型X射線衍射儀，德國布魯克公司；FEI QUANTAFEG250熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡，美國FEI公司；JJ-5水泥膠砂攪拌機，無錫建儀儀器設(shè)備有限公司；YAW-300C型壓力試驗機，濟南中路昌試驗機制造有限公司。

1.3實驗方法

表4　實驗具體配合比

將一定量的輕燒氧化鎂與不同濃度的硫酸鎂溶液混合至適宜澆筑的稠度，記錄硫酸鎂溶液的用量，根據(jù)表1和表3計算得出活性氧化鎂和硫酸鎂摩爾比，實驗配比如表4所示。將攪拌均勻的料漿注入40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)模具成型，24 h后脫模，稱量試塊的質(zhì)量，計算脫模密度。

室溫、空氣中養(yǎng)護，分別測7 d、28 d以及養(yǎng)護28 d后泡水7 d的抗折、抗壓強度。并取28 d強度試驗后破碎的試塊樣品進行XRD、SEM分析。

2　實驗結(jié)果與討論

2.1硫氧鎂膠凝材料的力學(xué)性能

按表4配比制備的硫氧鎂膠凝材料24 h脫模密度，7 d、28 d以及養(yǎng)護28 d后泡水7 d的抗折、抗壓強度如表5所示。

表5　硫氧鎂膠凝材料的力學(xué)性能

實驗過程中發(fā)現(xiàn)，未添加抗水增強劑改性的0#試塊脫模后表面有裂紋，從表5也可以看出，0#試塊的抗折強度和抗壓強度都很低，泡水7 d后有試塊甚至已經(jīng)斷裂，未斷裂的抗折強度也較低，無法測出。而與其相同配比的添加1%抗水增強劑的1#試塊則有很好的力學(xué)性能，尤其是泡水7 d的軟化系數(shù)為0.89，表現(xiàn)出了良好的抗水性。

1#～6#試塊均添加了1%的抗水增強劑，力學(xué)性能和抗水性均優(yōu)于0#試塊，軟化系數(shù)除4#、5#試塊稍有降低，其余均有很大提高，說明抗水增強劑可顯著改善硫氧鎂膠凝材料的抗水性。

1#～6#試塊硫酸鎂溶液濃度不同，故活性氧化鎂和硫酸鎂摩爾比不同，1#試塊使用硫酸鎂溶液波美度為29°Bé，摩爾比為10.62，此時試塊具有最佳的力學(xué)性能。而隨著硫酸鎂溶液波美度的降低，摩爾比增大，試塊的力學(xué)性能降低。

2.2XRD分析

各組試塊的XRD圖譜見圖1。

從圖1可以看出，7組試塊中均含有MgO、Mg（OH）2、MgCO3、MgSO4·nH2O以及硫氧鎂膠凝相，MgO為原料中失去活性的MgO，Mg（OH）2為少部分MgO與水反應(yīng)生成，MgCO3為原料輕燒氧化鎂粉中未煅燒完全的MgCO3，MgSO4·nH2O為未反應(yīng)的MgSO4與水結(jié)合形成的水合物，硫氧鎂膠凝相即是MgO、MgSO4與H2O反應(yīng)生成的化合物，是硫氧鎂膠凝材料強度的主要組成部分。

圖1各組試塊的XRD分析圖譜

相對其它各組試塊，0#試塊的硫氧鎂膠凝相的特征譜最不明顯，1#～6#試塊的硫氧鎂膠凝相特征譜都很明顯，這說明抗水增強劑的加入顯著改善了硫氧鎂膠凝材料的微觀結(jié)構(gòu)。

2.3SEM分析

各組試塊的SEM照片見圖2。

圖2 各組試塊的SEM照片

從圖2可以看出，0#試塊大部分是塊狀或片狀的膠凝相，針狀的硫氧鎂膠凝相（硫氧鎂晶須）很少，這也是其抗折、抗壓強度低的原因。1#～6#試塊均有針狀的硫氧鎂膠凝相出現(xiàn)，但隨著硫酸鎂溶液波美度降低，摩爾比增大，試塊中針狀的硫氧鎂膠凝相越來越少，6#試塊最少，1#試塊最多，這也與其力學(xué)性能相對應(yīng)，6#試塊強度最低，1#試塊強度最高。針狀晶相可以相互搭連形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是強度的主要組成部分，其它塊狀或片狀的晶相填充在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，共同組成硫氧鎂膠凝材料的強度支撐。

從圖2還可以看出，在對硫氧鎂膠凝材料改性和配比合理的情況下，可以增加針狀硫氧鎂膠凝相的量，增強其力學(xué)性能和抗水性。

3　結(jié)論

（1）硫氧鎂膠凝材料作為鎂質(zhì)膠凝材料的一個重要分支，應(yīng)用廣泛，發(fā)展前景十分廣闊，但是硫氧鎂膠凝材料必須經(jīng)過改性才能使用，未經(jīng)改性的硫氧鎂膠凝材料力學(xué)性能和抗水性都很差，無法作為建筑材料使用，而改性后的硫氧鎂膠凝材料則表現(xiàn)出了很好的力學(xué)性能和抗水性。

（2）改性硫氧鎂膠凝材料中氧化鎂和硫酸鎂的摩爾比對材料的性能有很大影響，應(yīng)嚴(yán)格控制，本實驗中凈漿（未添加其它填料）改性硫氧鎂膠凝材料的摩爾比為10.62，抗水增強劑摻量為1%時，試塊的力學(xué)性能最好，摩爾比越大，力學(xué)性能越差。而相同稀稠度下，摩爾比與硫酸鎂溶液的波美度有關(guān)，波美度越低，摩爾比越大。生產(chǎn)中若加入其它填料，摩爾比會相對降低，但選擇硫酸鎂溶液的波美度也不能太低。

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The raw material ratio research of modified magnesium oxysulfate cementing material

WANG Mingying，ZHANG Xingfu，WANG Zifu，LIU Yali，CHEN Junwei，WANG Yong
（Shandong Academy of Building Research，Jinan 250031，China）

This article researched a new magnesium cementing material——modified magnesium oxysulfate cement and its raw material ratio.Researches show that modified magnesium oxysulfate cement has great mechanical property and water-resisting property.When the magnesium sulfate solution is 1.26 g/cm3，the molar ratio of magnesium oxide to magnesium sulfate is 10.62，and the modifier additive amount is 1.0%，the neat cement has the greatest mechanical property and water-resisting property.

magnesium oxysulfate，cementing material，ratio，mechanical property

TU526

A

1001-702X（2016）06-0006-03

2015-11-25；

2016-01-20

王明英，女，1987年生，山東濟南人，工程師，碩士，研究方向為建筑材料。地址：濟南市無影山路29號，E-mail：18753114155@ 163.com。