改性剂和掺合料对硫氧镁水泥基材料性能影响研究进展

改性剂和掺合料对硫氧镁水泥基材料性能影响研究进展付希尧【期刊名称】《《四川建材》》【年(卷),期】2019(045)009【总页数】3页(P10-12)【关键词】硫氧镁水泥; 改性剂; 掺合料【作者】付希尧【作者单位】广西建设职业技术学院广西南宁 530007【正文语种】中文【中图分类】TQ172.11 改性剂和掺合料对硫氧镁水泥基材料性能影响的研究背景硫氧镁水泥基材料是将一定浓度的MgSO4溶液与轻烧活性MgO粉混合搅拌后，凝结硬化而成的多组分气硬性无机胶凝材料[1-2]。

硫氧镁胶凝材料主要调和剂硫酸镁不含有氯离子，不会出现传统的氯氧镁水泥基材料常出现的吸湿后返卤、钢筋锈蚀从而影响产品质量等问题。

相较于磷酸镁水泥基材料，硫氧镁胶凝材料终凝时间更长，不会出现施工现场温度过高后迅速硬化导致的质量问题，并且，在凝结过程中不产生任何有毒气体[3]。

硫氧镁水泥基胶凝材料选用的活性氧化镁是菱镁矿资源较为丰富的地区(如山东省、辽宁省等)，通过工业煅烧制得的粉状白色颗粒，另外，白云石也可以替代菱镁矿进行生产[4]。

硫氧镁水泥基胶凝材料选用的七水硫酸镁主要采用氨工业的副产物硫酸铵或其他来源的工业废酸制备而成，生产成本较低，而且解决了相关工业废弃物处理的问题，复合绿色工业的发展要求[5]。

同时，与通用硅酸盐水泥相同，其他工业固态、半固态废弃物质都可作为矿物掺合料进行硫氧镁水泥基复合材料的复配[6]，这样就通过减少活性氧化镁粉的使用量降低了成本。

这些都为硫氧镁水泥基材料在工程建筑行业大规模广泛使用提供了基础，因此，硫氧镁水泥基材料也被认为是近些年来最可能替代传统氯氧镁胶凝材料和磷酸镁胶凝材料的优质镁基胶凝材料。

硫氧镁基胶凝材料不仅生产工艺简单、能耗低、价格低廉，而且具有良好的力学强度、空气稳定性、耐侯性、耐热性、且轻质低密度、低烧度低腐蚀性，可与玻璃纤维、木质纤维等不耐碱增强材料，掺合使用等优点[7]。

因其不含氯离子，对钢材无腐蚀性，硫氧镁胶凝材料广泛应用于防火门芯板、耐火构件、外墙保温板领域轻质墙板等[8]。

硫氧镁胶凝材料，是在常温状态下由MgO-MgSO4-H2O三元体系组成的，主要为碱式硫酸镁水化产物MgX(OH)Y·(SO4)Z·nH2O，其相结构形态通常呈针杆状、纤维集合束状或颗粒状等，由相结构晶体互相交联共生形成一定的网状连生结构从而产生力学强度[9-10]。

此结构中有较多热力学不稳定连接点存在，遇水时，硫氧镁胶凝材料结构晶格失去吸附作用发生部分水解[11-12]。

因此，单纯依赖硫氧镁水泥的基本三元体系很难提高材料性能，为此需要添加外加剂改变结晶相或者掺入填充料来堵塞毛细孔，来提高硫氧镁水泥基材料的密实程度[13]，从而改善力学性能和防水性能。

2 改性剂和掺合料对硫氧镁水泥基材料性能影响的研究现状2.1 改性剂对硫氧镁水泥基材料性能影响硫氧镁水泥基材料改性剂是为解决硫氧镁水泥制品在生产工程中出现的各种问题而添加的化学调和剂，国内常用的主要是酸性改性剂和碱性改性剂，能够有效地缓解硫氧镁水泥基材料制品总出现的吸水率较大，返潮易变形等技术难题，可明显改善产品的力学性能和化学指标，广泛应用于以硫氧镁水泥为基料制成的各种菱镁制品。

随着高性能硫氧镁水泥基胶凝材料的出现和不断兴起，硫氧镁水泥基胶凝材料改性剂所起的作用也越来越重要，同时各种功能的改性剂用量也在不断增长。

硫氧镁水泥基材料遇水时发生水化反应会营造碱性水化环境，而且当碱式硫酸镁作为晶体不断析出会有较多的热量释放出来，此时碱性环境更加明显。

这种情况如果不加入外加剂，碱性条件会有较多的氢氧化镁晶体生成，从而导致材料整体结构较为疏松，同时，水化速度过快也会形成一定的温度差异，从而因为温度应力而容易使材料产生膨胀。

而酸性改性剂可以在一定程度上延缓硫氧镁水泥基材料水化反应速率。

有机酸、无机酸、无机酸盐、可溶有机酸盐都可以作为硫氧镁水泥基材料中常用的酸性改性剂，常用的酸性改性剂有H3PO4、Na3PO4、(NaPO3)N、C6H8O7、H2C2O4、C6H5O7Na3等。

常用的碱性改性剂主要是有机或者无机强碱弱酸盐类，如NaHCO3、C6H15O3N、水玻璃和CH3COONa等。

当前阶段，研究人员对硫氧镁水泥碱性改性剂的研究开发还不是很多，碱性改性剂改性机理和应用稳定性规律还不是很明确，所以碱性改性剂目前是硫氧镁水泥外加剂研究工作未来发展方向。

郭涛[14]通过试验研究了羟基多元酸等数种改性剂对硫氧镁胶凝材料力学性能、抗水性能、工作性能的影响，发现羟基多元酸可以改善硫氧镁胶凝材料的力学性能和耐水性能，凝结时间也进一步得到了改善。

掺加改性剂后的硫氧镁胶凝材料试件的抗折强度超过了20 MPa，浸水前后抗压强度比大于0.85。

同时胶凝材料净浆的凝结时间也提高了135～245 min。

阮烔正等[15]以轻烧氧化镁、七水硫酸镁为主体，通过进行试验探讨了不同用量的H3PO4、C6H8O7、C6H5O7Na3等化学外加剂的添加，可以对硫氧镁水泥基材料的物理力学性能产生一定影响，发现氧化镁和七水硫氧镁的质量配比一定时，复合加入部分外加剂能够明显改善硫氧镁水泥基材料水泥石的强度，同时，外加剂还可以改善材料的着色性能，减少吸潮反卤的缺点，通过XRD 分析后发现，同样发现是硫氧镁水泥基材料中产生有新的物相。

徐长伟[16]研究氧硫比、水硫比对硫氧镁水泥强度影响研究，通过添加柠檬酸和水玻璃进行改性，研究了改性剂对硫氧镁水泥力学性能和耐水性能的影响。

结果发现，柠檬酸一定程度上改善了硫氧镁水泥的强度，但是水硫比是影响强度改性效果的重要参数。

水玻璃溶液在一定掺量下，可以在硫氧镁胶凝材料的孔隙中进行渗透，从而在凝固后堵塞硫氧镁的细微孔隙，减少了外部孔隙数量，提高了材料总体的密实度，因而可以改善硫氧镁材料的耐水系数和耐久性能。

吴成友等[17]通过研究有机酸 CA 对硫氧镁胶凝材料的抗压强度、耐水性能以及物相组成等的影响；研究发现，掺加CA改性后的硫氧镁胶凝材料出现了一种形态为针棒状晶体的5·1·5新相即5Mg(OH)2·Mg SO4·5H2O，而且，导致了胶凝材料中产生的Mg(OH)2数量下降，通过测试发现产品的力学性能显著上升，吸水率下降。

李振国等[18]通过研究发现，掺入柠檬酸的用量以及硫氧镁水泥材料的水硫比、氧硫比，不仅对力学性能和耐久性能有影响，而且会对胶凝材料净浆的凝结时间、流变性能产生影响，试验发现，硫氧镁胶凝材料净浆的凝结时间随水硫比、氧硫比以及柠檬酸的用量增大而增加、随其减小而缩短。

2.2 掺合料对硫氧镁水泥基材料性能影响硫氧镁水泥基材料性能影响的掺合料主要有活性掺合料和非活性掺合料。

活性掺合料大多数为SiO2 和Al2O3等活性成分含量相对较高的矿渣或者电站废弃物，如硅灰、粒化高炉矿渣、粉煤灰、稻壳灰、煤矸石等，它们可以起到一定的程度上优化硫氧镁水泥基材料胶凝体系结构状态，通过填充胶凝体系中的裂缝和孔洞，从而使其结构密实。

非活性掺合料主要有秸秆、滑石粉、玻璃纤维、玻璃晶须等，非活性掺合料主要是提高胶凝材料的流动性，改善胶凝材料的终凝时间和减少体积安定性不良的作用，同时可以降低生产成本。

图1为3种不同矿物掺合料和硫氧镁水泥扫描电镜图，图1中硅灰微观结构为非结晶相无定形圆球状颗粒，在表面张力作用下形成了较多表面光滑的圆球颗粒团聚体，总体为较为蓬松且多孔的海绵絮状，预计这种结构可能会有一定的吸附作用。

图1 不同矿物掺合料和硫氧镁水泥扫描电镜图粉煤灰的结构较为疏松，多为球状或絮状颗粒，粒径基本在10 μm以下，由于本实验所用粉煤灰Al2O3含量较高(34.13%)，粉煤灰可能会与偏碱性的改性硫氧镁胶凝材料发生化学反应，形成[Al(OH)4]-等水化产物，从而提高硫氧镁胶凝材料的力学性能和密实度。

石粉结构的均一性良好，不同部位形貌基本一致，大多是以矿物颗粒为骨架，互相依附的细小磨粉颗粒，团聚形成较大废渣白泥颗粒，结构性状大多为无规则且大小不一的片状、块状，颗粒粒径大多在30 μm以下且无取向性，此外观结构在硫氧镁胶凝材料中起到一定填充作用，使得颗粒级配良好。

姜黎黎等[19]研究不同水硫比的条件下，在硫氧镁水泥基胶凝材料中添加不同质量的粉煤灰来代替氧化镁，通过试验测试所得到的硫氧镁水泥基胶凝材料净浆试件的力学性能及SEM形貌发现了粉煤灰对硫氧镁水泥性能的影响。

随着水硫比的下降，硫氧镁水泥基胶凝材料净浆试件的力学性能随粉煤灰掺量的增加而提高，当硫酸镁溶液浓度较低时，试件 28 d强度随粉煤灰掺量增加而降低。

出现这种情况的原因为：粉煤灰对硫氧镁水泥料浆中的离子有吸附作用，这种吸附作用在较高浓度溶液中的效果优于较低浓度的溶液，这使得硫氧镁水泥水化产物中生成的 Mg(OH)2较少，因而强度得到提高。

许园园[20]通过在硫氧镁水泥基胶凝材料中以外掺方式添加矿物掺合料，研究了硅灰、轻钙粉、粉煤灰、固硫灰和石英粉对材料成型后的力学强度、水化热、耐久性等的影响，通过试验发现电厂废弃物固硫灰有助于硫氧镁水泥基胶凝材料的各项性能提高，如降低了水泥净浆初凝水化热和材料的收缩率，同时硫氧镁水泥基胶凝材料的孔隙率下降密实度提高，因而抗压强度也提高，固硫灰掺量20%时，28d 抗压强度为 78.7MPa，相较于未掺固硫灰试样的抗压强度提升比为18.45%。

何楠等[21]将尾矿粉、粉煤灰、高炉矿渣掺入硫氧镁水泥基材料中,通过引入发泡剂，进行硫氧镁水泥发泡胶凝材料的试验。

通过分析尾矿粉、粉煤灰、高炉矿渣材料化学成分的XRF检测结果和扫描电镜微观形貌状态，结合相关试验，测试了尾矿粉、粉煤灰、高炉矿渣材料掺入硫氧镁基水泥发泡材料后，水泥发泡材料的力学强度、保温性能及耐水性能的变化情况。

试验发现，尾矿粉、粉煤灰、高炉矿渣都会对硫氧镁水泥基发泡材料产品的力学性能及耐久性产生一定正面影响。

SEM观察发现，当粉煤灰掺量达到40%时，硫氧镁水泥基发泡材料的结构孔隙率较少，力学强度最好，而且保温隔热性能优异。

尾矿粉和高炉矿渣掺量各为30%时，硫氧镁水泥基发泡材料也可以满足常规的建筑隔热墙板领域应用需求。

3 结束语通过分析发现，加入酸性改性剂改性后，硫氧镁水泥基材料胶凝体系中大量存在互相堆叠交错的5Mg(OH)2-MgSO4-7H2O针杆状强化相，其结构体系为多晶体堆聚体，赋予了胶凝材料良好的力学强度。

产生的原因是活性氧化镁水解产生的水合羟基镁离子，与酸性改性剂进行了螯合，在活性氧化镁粒径表面，通过化学作用生成了结构稳定的螯合物，包覆了氧化镁颗粒，从而使得活性氧化镁水解的速率下降，酸性改性剂结合水合羟基镁离子的过程，也减少了水合羟基镁离子生成 Mg(OH)2沉淀的数量，从而让水合羟基镁离子更好地进行水化过程，水化成为碱式硫酸镁，进而结晶析出，这样就可以改善硫氧镁胶凝材料的力学性能、抗水性能、工作性能。