閆浩康，王 碩，袁建國，袁興棟，岳雪濤

(山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

1 概述

硫氧鎂水泥(Magnesium Oxysulfate Cement)最早是由學(xué)者Demediuk[1]提出的菱鎂水泥的一種，是由活性氧化鎂、七水硫酸鎂溶液和一定比例的外加劑混合攪拌，凝結(jié)硬化而形成硫氧鎂水化物。硫氧鎂復(fù)合水泥具有原料質(zhì)地輕，凝結(jié)速度快的巨大優(yōu)勢，與其他氯氧鎂復(fù)合水泥相比硫氧鎂水泥防腐耐水性能更好，返鹵泛霜較輕，不容易對(duì)水泥的鋼筋基體進(jìn)行銹蝕作用[2]。但硫氧鎂水泥的機(jī)械強(qiáng)度低、耐水性差的缺陷限制了硫氧鎂水泥的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

本文以檸檬酸、磷酸三鈉和三聚磷酸鈉為外加劑對(duì)硫氧鎂水泥進(jìn)行改性處理，對(duì)改性后的硫氧鎂水泥進(jìn)行力學(xué)性能測試，并對(duì)其水化產(chǎn)物進(jìn)行物相分析和晶相分析。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

七水硫酸鎂：采用山西省南風(fēng)集團(tuán)生產(chǎn)的99.0%純度的七水硫酸鎂，化學(xué)式為MgSO4·7H2O，分子量為246.47，為白色或無色透明的針狀或斜柱狀結(jié)晶體，易溶于水。

輕燒氧化鎂：采用遼寧省海城市生產(chǎn)的85型輕燒氧化鎂，利用水合法測定的活性氧化鎂(α-MgO)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47%，為淡黃色或白色粉末。

檸檬酸：采用由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析純一水合檸檬酸(C6H8O7·H2O)，分子量210.14，為無色結(jié)晶或白色顆粒，易溶于水。

磷酸三鈉：采用由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析純?cè)噭瘜W(xué)式為Na3PO4，分子量為164.26，為無色至白色針狀結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，易溶于水。

三聚磷酸鈉：采用由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析純?cè)噭?，化學(xué)式Na5P3O10，相對(duì)分子質(zhì)量367.86，為白色粉末狀結(jié)晶，易溶于水。

水：濟(jì)南市自來水。

2.2 試驗(yàn)方法

稱取一定質(zhì)量的輕燒氧化鎂粉，與一定濃度的硫酸鎂溶液混合，充分?jǐn)嚢韬蟮谷胨嗄z砂攪拌鍋內(nèi)先慢速攪拌60 s，后轉(zhuǎn)快速攪拌120 s，把漿體注入40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)水泥膠砂試模中，在(20±3)℃、相對(duì)濕度為(60±10)%的條件下養(yǎng)護(hù)，1 d后脫模，然后繼續(xù)在該條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，然后進(jìn)行力學(xué)性能測試，以及X射線衍射和掃描電鏡測試。具體配比及外加劑摻量見表1，其中A為檸檬酸，B為磷酸三鈉，C為三聚磷酸鈉。

表1 硫氧鎂水泥配合比設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與討論

3.1 外加劑對(duì)硫氧鎂水泥力學(xué)性能的影響

圖1為各配比水泥試件分別在3 d,7 d和28 d時(shí)的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。由圖可知，單摻入外加劑A的硫氧水泥試塊，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單摻外加劑B和單摻外加劑C的試塊強(qiáng)度。由圖1(a)可知，外加劑A與B和C復(fù)摻試件的抗折強(qiáng)度幾乎在所有養(yǎng)護(hù)齡期都高于外加劑B和外加劑C單摻時(shí)的強(qiáng)度。由圖1(b)可知，單摻外加劑A的試件早期抗壓強(qiáng)度較高，而在28 d時(shí)外加劑A分別與B和C復(fù)摻試件的抗壓強(qiáng)度均超過各外加劑單摻時(shí)試件的強(qiáng)度。

在單摻一種外加劑的方案中，單摻外加劑A的效果最好，其抗折強(qiáng)度較高，抗壓數(shù)據(jù)也比較理想。外加劑單摻B或者C的抗折抗壓強(qiáng)度較小，但與外加劑A復(fù)摻后卻有了較大提升。圖1顯示，各組試件中單摻外加劑A時(shí)水泥抗折能力最高，可達(dá)11.25 MPa；當(dāng)外加劑A與B的摻量摩爾比為1∶3時(shí)，水泥抗壓能力最高，可達(dá)92.23 MPa。

3.2 外加劑對(duì)硫氧鎂水泥水化產(chǎn)物的影響

如圖2所示，為各配合比試件在7 d，28 d時(shí)X射線衍射圖。從圖中可以看出單摻外加劑A以及含有外加劑A的試件均生成了5·1·7相，單摻外加劑B和C的試件在7 d和28 d時(shí)均只有氫氧化鎂生成，所以單摻外加劑B和C時(shí)水泥試件強(qiáng)度最低。圖2中顯示，摻入不同配比的外加劑后，水泥試件并沒有5·1·7相外的新強(qiáng)度相生成。由圖2(b)可以看出，試件在養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到28 d時(shí)，含有外加劑A的試件5·1·7相晶體衍射峰強(qiáng)度較7 d均大大增強(qiáng)，而單摻外加劑B和C的試件水化物依然以氫氧化鎂為主，并結(jié)合圖1可以判斷外加劑A是硫氧鎂水泥生成5·1·7相的必要條件。

3.3 外加劑對(duì)硫氧鎂水泥微觀形貌的影響

圖3為各配比硫氧鎂水泥試件的28 d掃描電鏡圖，從圖3(a)中可以看出單摻外加劑A的試件生長有一簇簇的5·1·7相針狀晶體，并且晶體長度在40 μm左右；圖3(b)則顯示單摻外加劑B的試件僅有板狀氫氧化鎂生成，并未有針狀晶體生成；圖3(c)為單摻外加劑C的試件，圖中顯示片狀氫氧化鎂和短棒狀碳酸鎂晶體緊密生長，并未有5·1·7相生成；圖3(d)和圖3(e)分別為外加劑A和外加劑B,C分別復(fù)摻的水泥試件，可以看出，兩者均有針狀5·1·7相生成，并且A1B1生成的針狀晶體更加密集，A1C1則是針狀5·1·7相和短棒狀碳酸鎂相互交織。圖3同時(shí)證明了外加劑A是硫氧鎂水泥生成5·1·7相的必要條件，摻入外加劑B和C的水泥試件水化產(chǎn)物依然以氫氧化鎂為主。

4 結(jié)論

1)檸檬酸單摻能夠提高硫氧鎂水泥的強(qiáng)度，磷酸三鈉和三聚磷酸鈉單摻時(shí)對(duì)硫氧鎂水泥的影響較小，當(dāng)檸檬酸和磷酸三鈉或三聚磷酸鈉復(fù)摻時(shí)試件強(qiáng)度可以超過單摻檸檬酸。

2)檸檬酸能夠促進(jìn)硫氧鎂水泥生成5·1·7相，而三聚磷酸鈉和磷酸三鈉會(huì)促進(jìn)硫氧鎂水泥生成氫氧化鎂。

3)當(dāng)檸檬酸與磷酸三鈉摩爾比為1∶3時(shí)，硫氧鎂水泥試件28 d抗壓強(qiáng)度提升效果最好。