轻质高强硫氧镁泡沫水泥的制备r及性能研究

轻质高强硫氧镁泡沫水泥的制备r及性能研究何楠;郝万军;刘长在;汝海峰;陈伟鹏;赵旭【摘要】Taking magnesium oxysulfate cement and fly ash as raw material,a new type of magnesium oxysulfate foam cement of A05~A08 dry density grade was prepared. The effects of fly ash content and sample dry density on compressive strength,water absorption and thermal conductivity were discussed. The results showed that when the content of fly ash was 40%,the compressive strength of the magnesium oxysulfate foam cement of A05~A08 density grade can be effectively improved while the water absorp-tion and the thermal conductivity of the sample was reduced. Scanning electron microscopy showed that there was no new hydra-tion phase in the addition of fly ash in magnesium oxysulfate foam cement,and the micro-aggregate effect of fly ash particles can make the microstructure of magnesium oxysulfate foam cement more compact.%以硫氧镁水泥和粉煤灰为原料,制备干密度等级A05~A08的硫氧镁泡沫水泥试件.探讨了粉煤灰掺量、试样干密度对抗压强度、吸水率、导热系数的影响.结果表明,粉煤灰掺量为40%时,可有效提高A05~A08级硫氧镁泡沫水泥的抗压强度,同时降低试件的吸水率和导热系数.扫描电镜显示,在硫氧镁泡沫水泥中添加粉煤灰并无新水化相形成,粉煤灰颗粒的微集料效应可使硫氧镁泡沫水泥的微观结构更加密实.【期刊名称】《新型建筑材料》【年(卷),期】2017(044)010【总页数】4页(P20-23)【关键词】硫氧镁泡沫水泥;粉煤灰;抗压强度;吸水率;导热系数【作者】何楠;郝万军;刘长在;汝海峰;陈伟鹏;赵旭【作者单位】海南大学材料与化工学院,海南海口 570228;海南热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室,海南海口 570228;海南热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室,海南海口 570228;海南大学材料与化工学院,海南海口 570228;海南热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室,海南海口 570228;海南热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室,海南海口 570228;海南热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室,海南海口 570228;海南热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室,海南海口570228【正文语种】中文【中图分类】TQ172.78随着国家大力推行建筑节能政策，泡沫混凝土作为一种新型保温隔热材料，在国内的应用也越来越广泛[1]；但使用传统硅酸盐制备的泡沫混凝土存在抗压强度偏低、吸水率偏高及隔热效果差等缺点[2]。

因此，制备轻质高强泡沫水泥十分必要。

硫氧镁水泥（MOS）制备工艺简单、生产能耗低，是一种气硬性环保水泥，它具有耐火性高、导热系数小、碱度低以及强度高等特点[3]。

从1957年Demediuk和Cole[4]发现4种碱式硫氧镁晶体后，关于硫氧镁胶凝材料的探索研究就已展开。

Sorrel[5]在氯氧镁水泥的基础上提出了非水硬性（气硬性）胶凝材料概念，界定了MOS的成型固化条件；Urwong和Scrrell[6]研究了硫氧镁水泥的相变过程，绘制了室温下MgO-MgSO4-H2O三元体系相图，促进了MOS的研究发展。

2013年Tomce等[7]以柠檬酸作为改性剂，在MOS中发现一种具有致密结构的不溶性碱式硫酸镁晶须5-1-7相[5Mg（OH）2-MgSO4-7H2O]，提升了MOS的性能。

此外，粉煤灰等工业废料的添加可避免MOS制品易变形的缺陷。

发泡水泥是以水泥、发泡剂、增强纤维及外加剂等为原料，经物理、化学发泡方式制成的轻质多孔材料[8]，是目前新型无机建筑保温材料中性能优异的种类之一[9]。

粉煤灰在泡沫水泥中的应用十分广泛，Kearsleya和Wainwrightb[10]系统探讨了粉煤灰掺量对传统硅酸盐泡沫混凝土强度的影响，姜黎黎和陈逸敏[11]研究了粉煤灰在碱式硫氧镁水泥中的影响。

粉煤灰在硫氧镁泡沫水泥中的应用还未见相关报道。

本文针对硫氧镁水泥强度高、质量轻、耐火性能良好及导热系数低等特点，复掺粉煤灰制备硫氧镁发泡轻质水泥，并探究其干密度对抗压强度、吸水率及导热系数的影响。

工业硫酸镁：天津市津南区永兴化工厂，MgSO4·7H2O有效含量为98.5%。

活性氧化镁：辽宁营口明鑫镁业有限公司，主要成分为MgO，经水合法测试其活性为67.91%。

植物蛋白复合发泡剂：河南华泰建材开发有限公司，发泡倍数大于30倍，沉降距离小于10 mm，泌水量低于60 ml。

稳泡剂硬脂酸钙：天津市大茂化学试剂厂，化学纯。

复合有机酸改性剂：实验室自制，主要成分为柠檬酸等有机酸。

粉煤灰：海口马村火电站，Ⅱ级F类，主要化学成分见表1。

试样基本配方为 n（MgO）∶n（MgSO4）∶n（H2O）=7∶1∶20，粉煤灰掺量以MgO和MgSO4总质量的百分比计，复合有机酸改性剂掺量为MgO质量的1%，硬脂酸钙掺量为MgO质量的2%，发泡剂与水的质量比为1∶60。

试样制备具体流程为：按比例将硫酸镁和有机酸改性剂配成溶液后与氧化镁、粉煤灰搅拌120s，得到硫氧镁水泥浆；然后将发泡剂、稳泡剂按比例配成发泡液，经制泡机得到均匀泡沫后与硫氧镁水泥浆体混合后搅拌60s，注入模具成型，24h后脱模，室温下养护28d后，对试样进行相关性能测试，每组3块试样取平均值。

抗压强度：采用上海华龙测试仪器有限公司生产的WA-300B型电液式万能试验机测试，试样尺寸为100mm×100mm×100mm。

导热系数：采用南京大展机电技术研究所生产的DZDRP导热仪进行测试，试样尺寸为300mm×300mm×50mm。

微观形貌：采用日本电子公司生产的JSM—6390A型场发射扫描电镜观察。

干密度和吸水率：参照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》进行测试。

干密度为A07级试样的抗压强度与粉煤灰掺量的关系见表2。

由表2可见，随着粉煤灰掺量的增加，硫氧镁发泡水泥的抗压强度先升高后降低；当粉煤灰掺量为40%时，硫氧镁发泡水泥的抗压强度达到最大值6.378 MPa。

粉煤灰是由各种颗粒随机分布聚集而成的颗粒集群，没有水硬性，不能单独成型；粉煤灰颗粒基本为规则的球状，粒径范围为1～10μm，刚好填充于水泥颗粒之间；粉煤灰在硫氧镁水泥中同样具有微集料效应和火山灰活性效应，粉煤灰较细颗粒在水泥硬化体中具有一定的填充作用，使硫氧镁水泥的抗压强度提高[12]。

但过量掺入粉煤灰则会破坏硫氧镁胶凝体系的结晶，导致试样抗压强度降低。

胶凝材料的力学性能与水化产物的类型、形貌及含量有密切的关系。

硫氧镁水泥掺粉煤灰后抗压强度的改善可从试样的微观形貌（见图1）得到解释。

由图1（a）可见，纯硫氧镁水泥体系是一个多晶体堆聚体，其主要强化相为针状的5-1-7相；由图1（b）可见，粉煤灰颗粒的微集料作用使得硫氧镁水泥硬化体更加密实，从而提高了硫氧镁水泥的抗压强度。

粉煤灰颗粒为球状，具有较大的比表面，适量掺入粉煤灰（40%），在硫氧镁水泥水化过程中，粉煤灰表面上会吸附一些OH-和SO42-等离子，以延缓MgO水化反应的速度，消弱其产生的结晶应力，有利于硫氧镁水泥胶凝体系中强化相的生成，从而改善了硫氧镁水泥的力学性能。

SEM显示，硫氧镁泡沫水泥中粉煤灰的添加并无新生水化相，主要强化相仍为5-1-7相。

JG/T 266—2011给出了泡沫混凝土不同干密度的抗压强度。

表3为硫氧镁泡沫水泥试样（粉煤灰掺量均为40%）抗压强度与泡沫混凝土标准的对照。

由表3可见，干密度等级为A05、A06、A07、A08的硫氧镁泡沫水泥试样抗压强度均高于相应泡沫混凝土标准2倍以上，且抗压强度随干密度的增大而逐渐提高。

泡沫混凝土强度与干密度、胶凝材料组成密切相关。

干密度越大的泡沫混凝土内部孔越少，相对而言孔壁越厚，抗压强度越高；相对普通硅酸盐水泥，硫氧镁水泥质量轻、强度高，相同干密度等级的硫氧镁泡沫水泥试样强度往往高于JG/T 266—2011中泡沫混凝土试样的强度。

在室温下养护28 d后，试样质量基本恒定，称其质量m1；将试样完全浸没于水中24 h后取出，用试纸吸干试样表面水分，称其质量m2，计算出试样的吸水率wr。

粉煤灰掺量、干密度等级对硫氧镁泡沫水泥吸水率的影响见表4。

由表4可见，随着粉煤灰掺量的增加，I0～I4组硫氧镁泡沫水泥试样的吸水率先减小后增大，其中I0组的平均吸水率为17．26%，I2组的平均吸水率最低为7．16%，而I4组的平均吸水率高达28．37%。

这是因为在硫氧镁水泥多晶体堆聚体中，由于存在晶间孔隙，吸水率较大，而粉煤灰颗粒的微集料作用填充在5-1-7晶体结构网络中，使该多晶体堆聚体更加密实，提高了硫氧镁泡沫水泥的耐水性。

随着粉煤灰掺量的继续增加，过量的粉煤灰阻断了硫氧镁晶体网络的形成，堆积填充在晶体之间，使材料宏观耐水性变弱，吸水率增加。

Ⅱ1～Ⅱ4组试样中粉煤灰掺量均为40%，硫氧镁泡沫水泥的吸水率wr随干密度的增大而降低，其中干密度等级为A05的试样吸水率最大为7．51%，干密度等级为A08的试样吸水率最低为5．41%。

采用Photoshop软件分别对干密度等级A05、A06、A07、A08的试样图片进行二值化处理，调整阈值色阶为128得到如图2所示的试样截面。

由图2可见，随干密度的增大，泡沫水泥中泡孔的平均孔径逐渐减小，孔壁厚度增加，内部孔隙减少，相应的连通孔隙就少，材料耐水性增强，吸水率降低。

本试验制备的硫氧镁泡沫水泥试样孔径分布比较均匀，内部孔的大小基本一致。

表5为不同干密度等级的硫氧镁泡沫水泥试样（粉煤灰掺量均为40%）导热系数与泡沫混凝土标准的对比。