朱效甲 ，安華 ，朱效濤 ，朱倩倩 ，朱玉杰 ，朱效兵 ，張秀娟 ，劉念杰 ，朱燕鳳

(1.濟(jì)南市杰美菱鎂建材研究所，山東 濟(jì)南 250031；2.山東美泰板材有限公司，山東 日照 276800)

0 引言

在鎂質(zhì)膠凝材料制品的生產(chǎn)過程中，養(yǎng)護(hù)是非常重要的工藝環(huán)節(jié)，養(yǎng)護(hù)過程包括三個基本要素，即養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)濕度和養(yǎng)護(hù)時間，三者之間相互影響，缺一不可。在執(zhí)行三要素養(yǎng)護(hù)制度的同時，大部分鎂質(zhì)制品生產(chǎn)過程需要經(jīng)歷第一養(yǎng)護(hù)階段和第二養(yǎng)護(hù)階段。

有研究顯示，高溫會對普通水泥基材料的宏觀熱工性能和力學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響，同時快速升高的熱應(yīng)力和蒸汽壓力使得水泥基材料內(nèi)部損傷積累，也會導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度下降。因此，高溫會導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能的劣化，降低結(jié)構(gòu)承載能力和使用安全性[1]。但是，對硫氧鎂水泥制品高溫養(yǎng)護(hù)性能的研究甚少。文章以硫氧鎂水泥、EPS顆粒復(fù)合發(fā)泡板材為研究對象，介紹了不同養(yǎng)護(hù)溫峰對硫氧鎂水泥、EPS顆粒發(fā)泡板材性能的影響，獲得硫氧鎂水泥制品水化過程的信息等。

1 試驗

1.1 原材料

（1）輕燒氧化鎂粉（MgO）：遼寧海城華豐鎂業(yè)有限公司生產(chǎn)，細(xì)度0.07 mm，篩余量3.0%，采用水合法[2]測得其活性氧化鎂含量為63.24%，950℃燒失量為8.1%。其化學(xué)成分見表1。

表1 輕燒氧化鎂粉主要化學(xué)成分 %

（2）工業(yè)七水硫酸鎂(MgSO4·7H2O)，由山東日照江源凈水化工有限公司提供，工業(yè)級白色粉末晶體，含量為99.85%。主要化學(xué)成分見表2。

表2 七水硫酸鎂主要化學(xué)成分 %

（3）改性增強(qiáng)劑：淡黃色液體，pH值為12，密度為1.38 g/cm3。主要成分為檸檬酸鹽復(fù)合物，自制。

（4）EPS 顆粒：直徑 Φ=1～1.2 mm，松散堆積密度為14 kg/m3，吸水率為0.13%，市購。

（5）發(fā)泡劑：動物蛋白復(fù)合發(fā)泡劑，發(fā)泡倍數(shù)為25 倍，沉降距為 3 mm/h，泡沫密度為 0.06～0.09 g/mm3，泌水量為40 mL/h，pH值為7.0，市購。

（6）聚丙烯單絲纖維（pp 纖維）：長度 4～6 mm，密度為0.91 g/cm3，拉伸極限為15%，抗拉強(qiáng)度為500 MPa，彈性模量為2 793 MPa，燃點(diǎn)為 590℃，熔點(diǎn)為168℃，吸水率為0.1%，山東隆恩纖維有限公司生產(chǎn)。

1.2 主要設(shè)備儀器

（1）容量為1 m3的螺帶攪拌機(jī)。

（2）輥壓成型板材生產(chǎn)線。

（3）WDW－20型微機(jī)控制電子萬能材料試驗機(jī)，濟(jì)南永測工業(yè)設(shè)備有限公司制造。

（4）電熱鼓風(fēng)干燥箱：101－2 型,天津市泰斯特儀器有限公司。

（5）百分表及表架：測量范圍為 0～30 mm，分度值為0.01 mm，哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限公司。

1.3 料漿制備

在攪拌機(jī)內(nèi)投入定量的硫酸鎂溶液、改性增強(qiáng)劑和PP纖維，啟動攪拌機(jī)攪拌1 min，再加入輕燒氧化鎂粉（MgO）攪拌2 min，制成均勻的菱鎂料漿，再加入定量的EPS顆粒，充分?jǐn)嚢? min，此時料漿密度為0.56～0.58 g/cm3,再用發(fā)泡劑泡沫將料漿密度調(diào)至 0.25～0.26 g/cm3,備用?；九浔葹?m（MgO）：m（EPS顆粒）：m（改性增強(qiáng)劑）：m（PP 纖維）：m（發(fā)泡劑泡沫）：m（硫酸鎂溶液）=1：0.06：0.02：0.005：0.184：0.81。

1.4 板材成型

結(jié)合生產(chǎn)，將攪拌好的硫氧鎂水泥、EPS顆粒發(fā)泡料漿投放到自動輥壓板材生產(chǎn)線上，輥壓成型規(guī)格為2 500 mm×1 250 mm×50 mm的板胚，并對其進(jìn)行保潮控溫預(yù)養(yǎng)護(hù)（第一養(yǎng)護(hù)階段）。

1.5 板材養(yǎng)護(hù)

在第一養(yǎng)護(hù)階段結(jié)束后（養(yǎng)護(hù)時間為20 h，養(yǎng)護(hù)峰值溫度為45℃），按照圖1所示的方法布置測溫探頭并將板材疊加碼放，進(jìn)行第二階段保潮保溫養(yǎng)護(hù)。測溫結(jié)果見表3。

表3 板材養(yǎng)護(hù)溫峰測試結(jié)果

圖1 板材第二養(yǎng)護(hù)階段測溫探頭布置示意

1.6 檢測標(biāo)準(zhǔn)與方法

本試驗試件是從板材測溫探頭對應(yīng)處切取，制成規(guī)格尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的試件，依照GB/T5486—2008《無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗方法》及JGT/266—2011《泡沫混凝土》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測試。體積穩(wěn)定性測試是在板材第一養(yǎng)護(hù)階段結(jié)束并脫模后，安裝測溫探頭的同時安裝百分表，記錄該位置的基準(zhǔn)數(shù)L0，在測溫溫峰過后，再記錄各測點(diǎn)的數(shù)值作為測試值L1，支距L為650 mm，按公式（1）計算其線性漲縮率。

式中：L1—脹縮后的測試值，mm；L0—安表時的初始值，mm；L—支距，mm；ε—脹縮率，‰。

2 結(jié)果與分析

2.1 硫氧鎂水泥結(jié)晶硬化相DSC-TG分解規(guī)律

硫氧鎂水泥結(jié)晶硬化產(chǎn)物DSC-TG熱分解規(guī)律見圖2。

圖2 硫氧鎂水泥結(jié)晶硬化產(chǎn)物DSC-TG熱分解

由圖 2 可以看出，5Mg（OH）2·MgSO4·7H2O（5·1·7相）在90℃、143℃、405℃和950℃出現(xiàn)分解吸熱峰，分解過程可分為四個階段，其中第一階段為30～52℃是失去自由水的過程，試件加熱到81℃時失重3.47%，對應(yīng)著5·1·7相失去一個結(jié)晶水，形成5Mg（OH）2·MgSO4·6H2O（5·1·6 相）；在 81 ℃升至 95 ℃過程中失重3.40%，對應(yīng)著5·1·7相失去第二個結(jié)晶水，形成 5Mg（OH）2·MgSO4·5H2O（5·1·5 相）；當(dāng)溫度提高到131℃時，失重6.72%，對應(yīng)著5·1·7相再失去兩個結(jié)晶水， 形成 5Mg （OH）2·MgSO4·3H2O（5·1·3 相）；當(dāng)溫度為 131～250 ℃時，5·1·3 相剩余的3個結(jié)晶水完全失去，形成5Mg（OH）2·MgSO4。即：

30～52℃為失去自由水的過程；

81～250℃為失去結(jié)晶水的過程；

250～786 ℃為失去結(jié)合水的過程（5Mg（OH）2·MgSO4→5MgO+MgSO4+5H2O）；

786～1 030 ℃為 MgSO4分解過程 （MgSO4→MgO+SO3）[3-4]。

2.2 養(yǎng)護(hù)溫峰對硫氧鎂水泥力學(xué)性能的影響

養(yǎng)護(hù)溫峰對硫氧鎂水泥力學(xué)性能的影響見圖3。

圖3 養(yǎng)護(hù)溫峰對硫氧鎂水泥力學(xué)性能的影響

研究表明，溫度低于52℃時是一個失去自由水和附著水的過程，硬化結(jié)晶相晶面間距沒有發(fā)生明顯變化；當(dāng)溫度高于52℃時，晶面間距開始改變，結(jié)晶水開始分解，使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。在熱養(yǎng)護(hù)歷程中，硫氧鎂水泥硬化結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成和結(jié)構(gòu)破壞過程是決定其物理力學(xué)性能的一對主要矛盾。導(dǎo)致硬化體結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞的因素，可涉及到化學(xué)變化、物理變化和物理化學(xué)變化等方面[5]。李振國[6]等研究表明，在50℃的水熱環(huán)境下硫氧鎂水泥1 d的強(qiáng)度由66.9 MPa提高到77.1 MPa，可是3 d的強(qiáng)度保留率為98.10%，7 d的強(qiáng)度保留率為77.60%。在80℃的水熱環(huán)境下其強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間增加而衰退較快，1 d、3 d、7 d 的強(qiáng)度保留率為 79.70%、70.10%和62.50%，說明水熱養(yǎng)護(hù)時水化產(chǎn)物發(fā)生不利轉(zhuǎn)變并使力學(xué)強(qiáng)度衰退。其原因主要是5·1·7相在水熱環(huán)境中發(fā)生分解反應(yīng)，其反應(yīng)式為5Mg（OH）2·MgSO4·7H2O→6MgO+12H2O+SO3。

由圖3可以看出，隨著試件本體養(yǎng)護(hù)溫度峰值的升高，其力學(xué)強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫峰從35℃提高到110℃時，抗折強(qiáng)度從0.66 MPa降至0.23 MPa，降幅為65.15%，抗壓強(qiáng)度由1.34 MPa降至0.68 MPa，降幅為49.25%。分析原因，在熱養(yǎng)護(hù)溫峰升高的過程中，試件內(nèi)部的液相、氣相很快產(chǎn)生體積膨脹，并產(chǎn)生不同程度的膨脹內(nèi)應(yīng)力，從而破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而體系內(nèi)固相本身因受熱養(yǎng)護(hù)的影響，同樣會產(chǎn)生膨脹因子，再加上高溫養(yǎng)護(hù)會促進(jìn)硬化產(chǎn)物結(jié)晶相的轉(zhuǎn)變和分解，更加劇了體系結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致其力學(xué)性能大幅度降低。

2.3 不同養(yǎng)護(hù)溫峰對試件含水率、力學(xué)性能的影響

將不同養(yǎng)護(hù)溫度的試件在設(shè)定溫度為60℃的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干12 h，測其烘干后的含水率、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表4。

表4 不同養(yǎng)護(hù)溫峰對試件含水率、力學(xué)性能的影響

結(jié)合圖3和表4不難看出，養(yǎng)護(hù)溫峰明顯影響硫氧鎂水泥制品的力學(xué)性能。養(yǎng)護(hù)溫峰從35℃提高到110℃，試件含水率由1.36%提高到8.88%，增幅為7.52%，而抗折強(qiáng)度由35℃時的0.62 MPa下降至110℃的0.38 MPa，降幅為38.71%，抗壓強(qiáng)度由35℃時的1.50 MPa下降至110℃的0.74 MPa，降幅為50.67%。分析原因，是由于熱養(yǎng)護(hù)溫峰的提高，硬化結(jié)晶體的結(jié)晶水脫失，硬化結(jié)晶相出現(xiàn)分解，導(dǎo)致試件力學(xué)強(qiáng)度下降，含水率提高。又由于試件含水率的提高，試件毛細(xì)孔內(nèi)的水分在壓力荷載的作用下，作為介質(zhì)消減了材料內(nèi)支點(diǎn)的連接，降低了試件的承載能力，再加上壓力荷載下由于水的潤滑作用，材料內(nèi)部產(chǎn)生的滑移摩擦力減少，導(dǎo)致其力學(xué)強(qiáng)度整體降低[7]。

2.4 不同養(yǎng)護(hù)溫峰對試件吸水性能和耐水性能的影響

不同養(yǎng)護(hù)溫峰對試件吸水性能和耐水性能的影響見表5。

表5 不同養(yǎng)護(hù)溫峰對試件吸水性能和耐水性能的影響

由表5可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)溫峰的提高，試件含水率、質(zhì)量吸水率逐漸提高，抗折軟化系數(shù)、抗壓軟化系數(shù)逐漸降低。當(dāng)溫峰從35℃提高到110℃時，試件浸水12 h的質(zhì)量吸水率由93.26%提高到108.31%，提高幅度為16.14%;而抗折軟化系數(shù)由35℃時的 0.71下降至 110℃的 0.38，降幅為46.48%;抗壓軟化系數(shù)由35℃時的0.78下降至110℃的0.51，降幅為34.62%。試件在破型過程中，斷面的破壞程度與養(yǎng)護(hù)溫峰的升高趨勢相對應(yīng)。分析原因，較高的養(yǎng)護(hù)溫峰，導(dǎo)致試件內(nèi)部產(chǎn)生較大的膨脹內(nèi)應(yīng)力，從而使試件內(nèi)部產(chǎn)生許多裂痕，試件浸水后，水沿著空隙或裂紋及毛細(xì)管迅速進(jìn)入試件內(nèi)部，溶蝕了硬化結(jié)晶結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)，消弱了硬化產(chǎn)物之間的結(jié)合力，降低了制品的耐水性能和使用性能。因此，養(yǎng)護(hù)溫峰越高，對制品內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重，耐水性能也越差[8]。

2.5 養(yǎng)護(hù)溫峰對硫氧鎂水泥制品體積穩(wěn)定性能的影響

硫氧鎂水泥板材在疊加碼放熱養(yǎng)護(hù)過程中，其熱膨脹變形有一定的規(guī)律性，即養(yǎng)護(hù)溫度會由板材中心指向邊緣產(chǎn)生溫度梯度，隨著養(yǎng)護(hù)溫度梯度的加劇，板材也會產(chǎn)生自中心指向邊緣的熱膨脹梯度，養(yǎng)護(hù)溫峰出現(xiàn)并恒溫時，板材保持最大熱膨脹變形量不變，溫度下降后，除純屬溫度變形部分可以冷縮外，結(jié)構(gòu)破壞所導(dǎo)致的變形是無法恢復(fù)的，這種變形即為殘余變形，其結(jié)果會使板材碼放養(yǎng)護(hù)過程中出現(xiàn)中間高兩邊低的圓弧線鼓狀變形。

本試驗是在養(yǎng)護(hù)過程中自邊緣溫峰35℃至板材中心溫峰110℃的各點(diǎn)依次取值其線性變形，結(jié)果見圖4。

圖4 養(yǎng)護(hù)溫峰對硫氧鎂水泥制品體積穩(wěn)定性能的影響

由圖4可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)溫峰的提高，其線性膨脹率直線提高，兩者之間呈正相關(guān)性關(guān)系。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫峰分別為35℃、45℃、55℃、65℃、70℃、80℃、100℃和110℃時,其線性膨脹率分別為1.50‰、9.20‰、12.30‰、16.92‰、23.08‰、29.23‰、33.38‰和40.08‰，溫峰從35℃提高到110℃時，線性膨脹率提高了26.72倍，說明養(yǎng)護(hù)溫峰越高，其線性膨脹率越大。分析其原因，在硫氧鎂水泥制品體系中共同存在著液相、氣相和固相，其中固相中氧化鎂變成氫氧化鎂[MgO+H2O→Mg（OH）2]以及硬化結(jié)晶相5·1·7的生成都是一個體積膨脹過程，再加上硫氧鎂水泥水化硬化過程中水化熱高，釋放量大，同樣會使體系內(nèi)的液相、氣相急劇膨脹，幾個因素疊加在一起，更加劇了整個體系的膨脹變形。因此，養(yǎng)護(hù)溫度越高，體積膨脹率就越大，材料變形就越嚴(yán)重。

3 結(jié)語

（1）硫氧鎂水泥硬化結(jié)晶相的差熱分析顯示，其熱分解規(guī)律可分為4個階段，即第一階段為30～52℃，是失去自由水的過程；第二階段為52～250℃，是失去結(jié)晶水的過程；第三階段為250～786℃，是失去結(jié)合水的過程；第四階段為786～1 030℃，是硫酸鎂分解的過程。

（2）在硫氧鎂水泥制品硬化過程中，隨養(yǎng)護(hù)溫峰的提高，其力學(xué)強(qiáng)度逐漸降低，試件含水率逐漸升高。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫峰由35℃提高到110℃時，抗折強(qiáng)度下降38.71%，抗壓強(qiáng)度下降50.67%，含水率提高6.5倍。

（3）隨著養(yǎng)護(hù)峰值的提高，試件質(zhì)量吸水率逐漸提高，耐水性能降低，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫峰由35℃提高到110℃時，質(zhì)量吸水率提高16.14%，抗折軟化系數(shù)降低46.48%，抗壓軟化系數(shù)降低34.62%。

（4）隨著養(yǎng)護(hù)峰值的提高，硫氧鎂水泥制品體積穩(wěn)定性逐漸變差，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫峰由35℃提高到110℃時，其線性膨脹率提高26.72倍。