氯化钾对硫氧镁水泥性能的影响

氯化钾对硫氧镁水泥性能的影响安生霞;肖学英;李颖;文静;常成功;董金美;郑卫新;黄青【摘要】以改性硫氧镁水泥(MOS)为基础体系,研究了氯化钾掺量对MOS体系凝结时间、抗压和抗折强度及抗水性的影响,并对MOS的物相组成和微观形貌进行了分析.结果表明:氯化钾的掺入可延长MOS的凝结时间;氯化钾不利于MOS抗压强度的提高,但可以明显提高MOS的抗折强度.同时氯化钾提高了MOS抗压强度软化系数而降低了抗折强度软化系数.硫酸镁水泥中氯化钾掺量应控制在3%~5%.%Taking modified magnesium oxysulfate cement(MOS)as the basis system,the effects of the potassium chloride on the settingtime,compressive and flexural strength,water resistance of MOS were investigated. The component and microstructure of the MOS were discussed. The results demonstrate that the addition of potassium chloride can extend the setting time of the MOS. The potassium chloride is not conducive to the improvement of MOS compressive strength, but can significantly improve the flexural strength. Besides,the existence of potassium chloride improves the softening coefficient of compressive strength and reduces the softening coefficient of flexural strength. So the content of potassium chloride in magnesium oxysulfate cement should be controlled in 3% to 5%.【期刊名称】《新型建筑材料》【年(卷),期】2017(044)011【总页数】6页(P79-83,105)【关键词】硫氧镁水泥;氯化钾;力学性能;抗水性【作者】安生霞;肖学英;李颖;文静;常成功;董金美;郑卫新;黄青【作者单位】中国科学院青海盐湖研究所,青海西宁 810008;青海省盐湖资源化学重点实验室,青海西宁 810008;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院青海盐湖研究所,青海西宁 810008;青海省盐湖资源化学重点实验室,青海西宁 810008;中国科学院青海盐湖研究所,青海西宁 810008;青海省盐湖资源化学重点实验室,青海西宁 810008;中国科学院青海盐湖研究所,青海西宁 810008;青海省盐湖资源化学重点实验室,青海西宁 810008;中国科学院青海盐湖研究所,青海西宁 810008;青海省盐湖资源化学重点实验室,青海西宁 810008;中国科学院青海盐湖研究所,青海西宁 810008;青海省盐湖资源化学重点实验室,青海西宁 810008;中国科学院青海盐湖研究所,青海西宁 810008;青海省盐湖资源化学重点实验室,青海西宁 810008;中国科学院青海盐湖研究所,青海西宁 810008;青海省盐湖资源化学重点实验室,青海西宁 810008;中国科学院大学,北京 100049【正文语种】中文【中图分类】TU528;TQ172.1+2硫氧镁水泥（MOS）是由一定浓度的MgSO4溶液与轻烧氧化镁粉反应形成的三元胶凝体系[1]。

该水泥具有凝结硬化快、早期强度高、粘结性好、导热系数低、耐火性和耐磨性好及耐腐蚀性优异等特点，被广泛用于生产建筑轻质保温墙板、防火板等建筑附属材料[2-5]。

相对氯氧镁水泥，MOS具有对钢筋腐蚀性低、不易吸潮返卤等优势，但其机械强度较低[3-4]。

研究表明，柠檬酸[6-8]和磷酸及其二氢盐[2，9]等有机酸和中强无机酸及其酸式盐可以有效地提高MOS的强度。

在有机酸和中强无机酸及其酸式盐的作用下，MOS中的主要水化产物将由 318[3]相[3Mg（OH）2·MgSO4·8H2O]转变成 517 相[2][5Mg（OH）2·MgSO4·7H2O]。

水化产物及其结构的转变是 MOS强度提高的主要原因，这些研究成果促进了MOS的理论发展及工程应用。

从盐湖提取的硫酸镁是MOS原料的主要来源之一。

国内诸如大柴旦、一里坪、尕斯库勒、茫崖、察尔汗盐湖别勒滩区段、东台乃吉尔、西台乃吉尔等均为硫酸盐型硫酸镁亚型盐湖[10-11]。

这些盐湖卤水在提钾后，会产生大量的硫酸镁盐副产物。

但盐湖原料生产的硫酸镁通常含有一定量的氯化钾、氯化钠、氯化钙、硼酸、氯化镁等杂质。

上述杂质及其含量可能影响MOS的水化及其物理化学性能，但目前未见有文献报道硫酸镁原料中的杂质对MOS性能的影响。

本文以改性MOS为基础体系，掺加不同量的氯化钾，研究其对MOS的水化、力学性能及其抗水性的影响，同时通过XRD、TG-DSC、SEM等分析表征手段研究了氯化钾对水化产物及微观结构的影响。

本文研究结果可丰富MOS的基础理论知识，并为制定MOS的原料标准提供参考。

硫酸镁：MgSO4·7H2O（纯度大于 99%），分析纯，国药集团化学试剂有限公司；轻烧氧化镁粉：辽宁省海城市镁水泥矿业有限公司提供，由菱镁矿煅烧而成，其主要化学成分为MgO，另含有少量 SiO2、Al2O3、Fe2O3和 CaO（见表 1）。

利用水合法[12]测得其中活性氧化镁含量为60%；柠檬酸：C6H8O7·H2O（纯度大于99.5%），分析纯，国药集团化学试剂有限公司;氯化钾：纯度大于99%，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

在本实验中固定n（轻烧氧化镁粉）∶n（无水硫酸镁）∶n（水）=14.5∶1∶22。

先将七水硫酸镁晶体溶于水配制所需浓度的硫酸镁水溶液。

在上述溶液中加入一定量的柠檬酸作为改性剂，同时掺入氯化钾搅拌均匀备用。

柠檬酸添加量为轻烧氧化镁粉质量的0.5%；氯化钾掺量分别为无水硫酸镁质量的0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%、3.0%、5.0%和7.0%，未掺氯化钾的MOS为参照试件。

按照原料配比称取轻烧氧化镁粉与硫酸镁溶液混合，充分搅拌形成浆体。

将混合浆体倒入40mm×40mm×160mm的模具中成型，（24±2）h后脱模。

将脱模后的试件置于空气中养护，养护室环境温度为室温，相对湿度为（50±10）%。

用维卡仪测试浆体的凝结时间。

试件在空气中养护28d后，转入水中浸泡，水温为（15±3）℃。

用DL-D100KN型抗压抗折试验机对空气养护和浸泡3d、7d、28d的试件进行抗压和抗折强度的测试。

同时取空气养护28d的试样，用X'pert Pro型X射线衍射仪分析样品的物相组成，用JSM-5610LV/INCA型扫描电子显微镜观察样品表面形貌并用能谱仪对样品进行微区成分分析，用SDT Q600型同步差示扫描量热分析仪对样品进行热分析。

MOS的凝结时间与MgO的水化速率及形成结晶相的过程有关[2]。

表2是氯化钾掺量对MOS凝结时间的影响。

由表2可知，随氯化钾掺量的增加，MOS的初、终凝时间均延长。

氯化钾掺量在0～0.7%内，其凝结时间与参照试件相比延长不明显；当氯化钾掺量大于0.7%，凝结时间延长幅度变大。

氯化钾掺量为7.0%时，初凝时间从495min延长至512 min，终凝时间由510min延长至542min。

由此可知，硫酸镁中较高含量的氯化钾可以显著延长MOS的凝结固化时间。

由表3可知，3 d龄期时，随着氯化钾掺量由0增加到0.1%，MOS抗折强度降低，当氯化钾掺量大于0.1%，抗折强度又呈增加趋势；7 d龄期时，随着氯化钾掺量由0增加到0.7%，MOS抗折强度降低，当氯化钾掺量大于0.7%，抗折强度又逐渐提高；28 d时，MOS抗折强度随氯化钾掺量的增加表现出与7 d类似的变化规律，抗折强度最高提高了61.8%（掺量为5.0%）。

由此可知，较高掺量（＞1.0%）的氯化钾可显著提高MOS的抗折强度。

MOS抗压强度随氯化钾掺量的增加呈先降低后增加趋势。

3 d龄期时，随着氯化钾掺量由0增加到0.5%，MOS抗压强度降低；当氯化钾掺量大于0.5%，抗压强度逐渐小幅提高。

7 d龄期时，MOS抗压强度随氯化钾掺量的增加表现出类似的变化规律，MOS抗压强度在氯化钾掺量大于0.7%时呈现增加趋势。

28 d时，随氯化钾掺量的增加MOS的抗压强度也呈现出先降低后增加的趋势，但其变化规律不及早期明显。

在本实验的龄期内，掺氯化钾的MOS抗压强度都低于参照试件，28 d时，MOS的抗压强度最低降低了16.8%（掺量为1.0%）。

由此可知：氯化钾降低了MOS的抗压强度，高掺量（>1.0%）的氯化钾虽能补偿部分强度损失，但补强作用极为有限。

氯化钾掺量小于0.7%时，MOS折压比随氯化钾掺量的增加而增加的变化幅度较小；氯化钾掺量大于0.7%后，折压比随氯化钾掺量的增加而增加的变化幅度较大；当氯化钾掺量超过5.0%时，MOS折压比又有小幅下降。

28 d时，参照试件的折压比为0.084，而掺5.0%氯化钾的MOS的折压比为0.190，后者比前者的折压比提高了126.19%。

由此可知，适当掺量的氯化钾能提高MOS的韧性，在宏观上表现出较高的抗折强度。

这可能是由于适当掺量的氯化钾晶体分散在MOS的水化产物中，该现象可能类似于纳米颗粒分散在长程无序的化合物中，因而表现出增强和增韧作用[13]。

氯化钾微晶越多，增强和增韧作用越明显。

但硫酸镁中氯化钾掺量较高时（>0.5%），氯化钾微晶对MOS抗压强度的增强作用要小于夹带孔隙液成孔对抗压强度的不利影响，因而虽然抗折强度随氯化钾掺量的增加而提高，但其抗压强度仍然低于参照试件。

图1为不同氯化钾掺量的MOS空气养护28 d的TG/DSC曲线。

由图1（a）可见，水化产物失重可分为5个明显的过程，其失重区间温度与纯净517相晶体[9]的TG曲线相似，这也说明掺加氯化钾后MOS的主要水化产物是517相。

从图1（b）可知：在低温区（<200℃）不同氯化钾掺量的MOS水化产物（517相）分解吸热峰的位置相似；在温度>200℃区间，随氯化钾掺量的增加，水化产物（517相）的分解吸热峰向低温移动，说明此时517相趋向于在低温分解；而且氯化钾含量越高，517相的吸热峰位移越大，说明分解的温度越低。