外加剂对硫氧镁水泥性能的影响及其机理研究

外加剂对硫氧镁水泥性能的影响及其机理研究

冯叶; 朱建斌; 高至岭; 沃成昌; 顾金楼

【期刊名称】《《新型建筑材料》》

【年(卷),期】2019(046)011

【总页数】5页(P131-135)

【关键词】硫氧镁水泥; 明矾; 力学性能; 耐水性; 微观结构

【作者】冯叶; 朱建斌; 高至岭; 沃成昌; 顾金楼

【作者单位】华东理工大学材料科学与工程学院上海 200237; 上海唐盾材料科技有限公司上海 201203

【正文语种】中文

【中图分类】TU526

自1957年比利时学者Cole[1]发明硫氧镁（MOS）水泥以来，硫氧镁水泥已逐渐发展成为一种重要的气硬性镁制胶凝材料[2]。硫氧镁水泥具有许多潜在的优点，

如耐火、质量轻和不易锈蚀钢材等[3-4]，可用作耐火材料和轻质保温材料等[5]。生产硫氧镁水泥的主要原料为氧化镁和硫酸镁，菱镁矿煅烧成氧化镁的温度只有650℃[6]，不到普通硅酸盐水泥生产温度1450℃的一半，真正实现了低碳、节能、环保。然而，硫氧镁水泥强度低、耐水性较差、易开裂等特点限制了其在工业中的大规模应用[7]。

硫氧镁水泥的强度主要取决于其水化产物组成。郑直[8]研究发现，普通硫氧镁水

泥主要水化产物是Mg3Si4O10（OH）2、MgCO3和xMg（OH）2·yMgSO4·zH2O。在该胶凝体系中，Mg（OH）2是氧化镁不完全水化的产物，其层片状的形态和松散的微观结构导致硫氧镁水泥力学强度较低。根据以往工作结果，xyz相是氧化镁完全水化产物，其在水泥体系中表现出优异的力学强度。Dmediuk和Cole[9]的研究表明，MgO-MgSO4-H2O三元体系在30~120 ℃下会生成 4 种不同物相，分别为 5Mg（OH）2·MgSO4·3H2O（513 相），3Mg （OH）2·MgSO4·8H2O（318 相），Mg（OH）2·2MgSO4·3H2O（123 相）

和 Mg（OH）2·MgSO4·5H2O（115 相）。邓德华[10]采用S型改性剂对硫氧镁水泥进行改性，其力学性能显著提高，并且生成了一种新物相。Runcevski等[11]使用有机酸对硫氧镁水泥进行改性，并且解析了一种新的结构——517相。

为了提高硫氧镁水泥的强度，近年大量的工作致力于研究改性硫氧镁水泥。姜黎黎等[12]将粉煤灰作为填料加入硫氧镁水泥中，使硫氧镁水泥的28 d抗压强度提高

了15%。吴成友等[13]在硫氧镁水泥中添加少量酒石酸作为改性剂，发现酒石酸

可以抑制Mg（OH）2产生，并促进517相生成，使抗折和抗压强度大幅度提高。本文研究了柠檬酸、硅酸钠、磷酸、明矾、聚丙烯纤维对硫氧镁水泥力学性能及耐水性的影响，并且通过XRD、FT-IR、TG、DSC、SEM分析其水化产物物相组成

及微观形貌，对硫氧镁水泥在实际应用中的推广有着重要的借鉴作用。

1 试验

1.1 原材料

（1）轻烧氧化镁粉：产自辽宁海城牌楼菱镁工业园，200目，活性氧化镁含量为64%，主要化学成分见表1。

表1 轻烧氧化镁的主要化学成分 %SiO2 CaO MgO Fe2O3 Al2O3 烧失量6.39 1.71 85.05 0.26 0.44 6.15

（2）七水硫酸镁：产自江苏东海白塔工业园口缘镁业有限公司，纯度为99%。

（3）外加剂：柠檬酸、磷酸、硅酸钠、明矾，均为分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司。

（4）聚丙烯短纤维：产自山东淄博隆顺化纤有限公司，长度5 mm。

1.2 硫氧镁水泥的制备

掺不同外加剂硫氧镁水泥的试验配比见表2。

表2 不同外加剂的硫氧镁水泥配方3# 25 7∶1∶20 1%硅酸钠4# 25 7∶1∶20 1%磷酸5# 25 7∶1∶20 0.5%磷酸+0.5%柠檬酸6# 25 7∶1∶20 1%柠檬酸+3%明

矾7# 25 7∶1∶20 1%柠檬酸+0.5%PP 纤维

按照表2制备硫氧镁水泥试样，称取一定量的七水硫酸镁晶体溶解于温水中，充

分搅拌均匀，配成质量浓度为25%的硫酸镁溶液，然后加入不同种类及用量的外

加剂（掺量均按占MgO质量计），再加入一定量的活性氧化镁粉充分混合。将混合好的浆体浇筑到40 mm×40 mm×160 mm的三联试模或40 mm×40

mm×40 mm的六联试模中，震荡排出气泡，用刮刀刮平上表面。将试模放入30℃的烘箱中，试块在此环境下利用自身反应热可使温度维持在35~40℃反应，24 h

后脱模。脱模后将试块移至温度20~25℃、相对湿度70%~90%的养护室中养护

5 d，最后将试块于空气中（平均室温15℃、相对湿度60%）养护至规定龄期。1.3 试验方法

硫氧镁水泥试样的力学性能参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试。将在空气中养护至28 d的试样浸没于水中，7 d后取出

测试抗压强度，计算软化系数，以此判断耐水性，计算公式如式（1）所示：

式中：Rf——软化系数；

R（w，7）——试样在室温下浸在水中7d的抗压强度，MPa；

R（a，28）——试样在空气中养护28d的抗压强度，MPa。

对空气中自然养护28 d后的硫氧镁水泥试样用X射线衍射仪进行物相分析，用傅立叶红外光谱仪测试试样的红外光谱，用热重和差示扫描量热法分析试样热效应，并使用扫描电子显微镜观察试样断面的形貌。

2 结果与讨论

2.1 外加剂对硫氧镁水泥力学性能的影响（见表3）

表3 不同外加剂对硫氧镁水泥力学性能的影响编号7 d 1# 1.70 2# 3.41 3# 2.88

4# 5.05 5# 4.85 6# 14.35 7# 16.61抗折强度/MPa 2.11 4.59 3.13 5.45 6.26 15.61 19.74抗压强度/MPa 7 d 28 d 14.67 16.11 25.79 30.61 13.12 20.61 35.51 42.23 40.83 45.48 49.48 51.39 48.30 54.52 28 d

由表3可见：

（1）在抗折强度方面，未掺外加剂的普通硫氧镁水泥（1#试样）28 d抗折强度

为2.11 MPa，掺加几种常见外加剂均起到了增强作用。其中，硅酸钠的增强效果最差（3#试样），28 d的抗折强度为3.13 MPa，仅比1#试样提高了48%。单

掺柠檬酸、磷酸以及二者复合的试验组（2#、4#、5#试样）28d抗折强度分别为1#试样的2.18倍、2.58倍、2.97倍。值得注意的是，掺柠檬酸和明矾作为外加

剂的试样，28 d抗折强度达到了15.61 MPa，比未改性前提高了640%，甚至高于同等条件下养护的42.5R硅酸盐水泥净浆。另外，柠檬酸和聚丙烯纤维也有较

好的复合增强作用，硫氧镁水泥的28 d抗折强度接近20 MPa，已满足实际应用

需求。

（2）在抗压强度方面，未掺外加剂的普通硫氧镁水泥（1#试样）在空气中固化

28 d的抗压强度仅为16.11 MPa。掺加外加剂后，试样的28 d抗压强度均有所

提高。除掺硅酸钠的试样外，掺其它外加剂的试样28 d抗压强度均超过30 MPa。掺2种外加剂复合改性效果相对于单一外加剂更好，掺柠檬酸和明矾复合改性的

试样组（6#试样）28 d抗压强度达到51.39 MPa，是1#试样的3.19倍，与同期