水化硅酸鎂改性氯氧鎂水泥制備保溫板的試驗(yàn)研究

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(大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連　116024)

引言

面對(duì)全球日益緊張的能源問題，節(jié)能受到了世界各國(guó)的高度重視。在我國(guó)所有的能源消耗中，建筑能耗約占全社會(huì)總能耗的30%以上，而且隨著建筑物的逐年增加，這種能源消耗的比重還在逐年增加[1]。目前，國(guó)內(nèi)外采用的建筑節(jié)能方式主要是指墻體節(jié)能方式，而在墻體保溫方式中，又以外墻保溫隔熱系統(tǒng)的使用最為廣泛[2]。

目前，常用的墻體保溫材料按其主要成分可分為有機(jī)保溫材料和無機(jī)保溫材料兩大類。但有機(jī)保溫材料的耐火性差，近年來由此引起的火災(zāi)事故頻發(fā)，造成了較大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，研究開發(fā)無機(jī)保溫材料十分必要。由于我國(guó)鎂資源豐富，已探明儲(chǔ)量居世界首位，而且氯氧鎂水泥相較于硅酸鹽水泥具有強(qiáng)度高、表面光潔度好、質(zhì)量輕、隔音、隔熱等優(yōu)點(diǎn)，是做裝飾材料、輕質(zhì)高強(qiáng)材料、隔音隔熱材料的理想膠凝材料[3]。但由于氯氧鎂水泥存在返鹵泛霜、耐水性差、易彎曲變形、開裂等缺陷，使得其應(yīng)用受到了一定限制。

為了改善氯氧鎂水泥的耐水性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了積極的研究探索。鄧德華[4-5]的研究認(rèn)為，磷酸可以提高氯氧鎂水泥水化物在水中的穩(wěn)定性，使得5相晶體在水中不發(fā)生水解反應(yīng)，同時(shí)降低氯氧鎂水泥水化物形成所需的最低Mg2+濃度，從而使得水化物5相可以在Mg2+濃度很低的氯氧鎂水泥凈漿中形成。磷酸對(duì)氯氧鎂水泥水化物的影響，可能與磷酸在水泥凈漿液相中發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生磷酸根離子，而且這些磷酸根離子與Mg2+之間發(fā)生相互配位有關(guān)[4-5]。陳雪梅等[6]利用分步實(shí)驗(yàn)法確定出粉煤灰最佳摻量為35%，而周梅等[7]發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉煤灰摻量超過30%時(shí)，氯氧鎂水泥基制品抗壓強(qiáng)度下降明顯。張洪等[8]認(rèn)為磷酸的加入使得氯氧鎂水泥初期水化大為減慢，形成比表面積較小的318相和518相，與粉煤灰復(fù)合效果更佳。關(guān)麗麗等[9]提出采用硅灰石尾礦與磷酸、鐵礬復(fù)合使用，氯氧鎂水泥基制品的抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)都能得到提高，顯著改善氯氧鎂水泥的耐水性。李智廣等[10]利用低溫稻殼灰對(duì)氯氧鎂水泥進(jìn)行改性，秸稈灰中的活性SiO2與MgO-MgCl2-H2O構(gòu)成四元反應(yīng)體系，生成難溶于水的物相結(jié)構(gòu)，提高了氯氧鎂水泥的耐水性。余紅發(fā)等[11]研究并提出氯氧鎂水泥中摻入硅灰和粉煤灰后有大量水化硅酸鎂凝膠和含硅的518凝膠形成。他們對(duì)雙摻復(fù)合抗水外加劑和火山灰混合材的MgO-SF-FA-MgCl2-H2O新膠凝材料體系的水化產(chǎn)物、顯微結(jié)構(gòu)及其長(zhǎng)期強(qiáng)度與耐水性進(jìn)行了研究，認(rèn)為室溫養(yǎng)護(hù)條件下主要的水化產(chǎn)物是518相凝膠和水化硅酸鎂凝膠，協(xié)調(diào)了漿體結(jié)構(gòu)的晶膠比，減少了結(jié)晶應(yīng)力，基本克服了MgO-MgCl2-H2O膠凝材料體系的早期和后期強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，生成較多的含鋁、氯離子的水化硅酸鎂凝膠，它與518凝膠共同作用形成致密漿體結(jié)構(gòu)，因而具有優(yōu)異的長(zhǎng)期耐水性。

本文利用水化硅酸鎂體系對(duì)氯氧鎂水泥進(jìn)行改性，通過添加含有活性SiO2的硅灰和粉煤灰到氯氧鎂水泥基材料中以提高其耐水性，開發(fā)出一種早期強(qiáng)度高、耐水性好、具有防火保溫特性的輕質(zhì)防火保溫板，產(chǎn)品性能滿足實(shí)際工程應(yīng)用的要求，且該保溫板的制備方法具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

1　試驗(yàn)

1.1　主要原料

氧化鎂：購(gòu)自荷蘭；硅灰：購(gòu)自上海?？瞎?，型號(hào)為920U；粉煤灰：購(gòu)自莊河，Ⅲ級(jí)灰；外加劑：六偏磷酸鈉(Na-HMP)；水：自來水；水泥：大連小野田水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥；六水合氯化鎂；膨脹珍珠巖；玻璃纖維(長(zhǎng)度6 mm)；發(fā)泡劑：采用植物蛋白發(fā)泡劑。原材料的化學(xué)組成見表1。

表1　原材料的化學(xué)組成

1.2　保溫板的制備

將氯化鎂和水按表2中的比例配制成鹵水，再將鹵水倒入稱好的輕燒氧化鎂中，攪拌，配制成MOC漿體；將六偏磷酸鈉溶于一定量的水中，并將粉煤灰、硅灰和水按比例配成水化硅酸鎂凝膠。將水化硅酸鎂凝膠倒入已經(jīng)配好的MOC漿體中，攪拌；將預(yù)處理好的膨脹珍珠巖和玻璃纖維放入漿體中，攪拌；再放入發(fā)泡劑，進(jìn)行高速攪拌。然后將攪拌均勻的料漿倒入模具中，并用抹刀將其表面膨脹起來的部分削去，抹平。最后置于恒溫室中密封養(yǎng)護(hù)1 d脫模，并繼續(xù)在空氣中自然養(yǎng)護(hù)7 d，待測(cè)。

表2　凈漿配合比　g

2　結(jié)果及分析

2.1　MSH的加入對(duì)MOC的影響

為了對(duì)比分析摻入MSH對(duì)MOC的影響，分別對(duì)未摻發(fā)泡劑和發(fā)泡劑摻量為3%各做了三組試驗(yàn)取平均值，結(jié)果見表3。

表3　MSH對(duì)MOC的體積密度和力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)MSH改性之后的MOC相比于未經(jīng)改性的MOC，其體積密度、7 d抗壓強(qiáng)度、7 d抗折強(qiáng)度均有明顯提高。這說明加入的硅灰和粉煤灰對(duì)MOC起到了空隙填充的作用；另一方面，生成的水化硅酸鎂凝膠也使得強(qiáng)度得到了提高。

2.2　玻璃纖維的影響

玻璃纖維能夠增強(qiáng)材料的抗裂性，在保溫材料中加入玻璃纖維能夠抑制溫度裂縫的產(chǎn)生。有研究表明[12]，保溫材料的抗裂性隨著纖維長(zhǎng)度的增加而提高。纖維長(zhǎng)度在15 mm內(nèi)，抗裂纖維的增強(qiáng)效果隨長(zhǎng)度增加而提高，但是纖維長(zhǎng)度超過15 mm后，纖維會(huì)使?jié){體的稠度降低，分層度增加，施工和易性變差。纖維的分散性隨其長(zhǎng)度的增加而逐漸變差，纖維較長(zhǎng)時(shí)，在保溫漿體材料中分散不佳，易成團(tuán)，使抗裂性降低[1]。

玻璃纖維摻量對(duì)保溫材料密度和強(qiáng)度的影響分別見圖1和圖2。

圖1　玻璃纖維摻量對(duì)密度的影響

圖2　玻璃纖維摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

由圖1和圖2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，低摻量的纖維對(duì)體系的密度影響相對(duì)較小，但對(duì)力學(xué)性能的影響較大。如果纖維摻量過多，會(huì)使機(jī)體中的孔隙率增大，從而使得力學(xué)性能降低；當(dāng)纖維摻量為0.6%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最高。

2.3　膨脹珍珠巖的影響

圖3和圖4分別為膨脹珍珠巖摻量對(duì)保溫材料密度和強(qiáng)度的影響。不同膨脹珍珠巖摻量的試塊斷面見圖5。

圖3　膨脹珍珠巖摻量對(duì)密度的影響

圖4　膨脹珍珠巖摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

圖5　不同膨脹珍珠巖摻量的試塊斷面

由圖3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，輕質(zhì)骨料在降低板材密度方面并不是摻的越多越好，在摻量為2.5%時(shí)密度最小，而進(jìn)一步降低板材的密度只能通過合理的發(fā)泡技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。圖4的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)膨脹珍珠巖摻量為2.5%時(shí)，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度最低。由圖5可以看出，當(dāng)膨脹珍珠巖的摻量為5%和10%時(shí)，明顯摻量過多，試塊內(nèi)部的水泥不能很好地參與反應(yīng)，而當(dāng)摻量為2.5%時(shí)，試塊內(nèi)部水泥與膨脹珍珠巖結(jié)合得更好。

2.4　發(fā)泡劑的影響

本試驗(yàn)采用的是物理發(fā)泡方式，選用的是植物蛋白發(fā)泡劑。首先將植物蛋白發(fā)泡劑用高速攪拌器制備成泡沫，再將泡沫加入到經(jīng)MSH改性的MOC料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型和養(yǎng)護(hù)而形成所需的保溫板。不同摻量發(fā)泡劑對(duì)體積密度和力學(xué)性能的影響見表4。

表4　不同摻量發(fā)泡劑對(duì)體積密度和力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著發(fā)泡劑摻量的增加，引入的氣泡量增多，致使體系密度和強(qiáng)度降低。因此，不能單純?yōu)榱俗非蟮兔芏榷尤脒^量的發(fā)泡劑，最終使得材料強(qiáng)度不滿足要求。圖6所示為摻入過量發(fā)泡劑的試件。

圖6　摻入過量發(fā)泡劑的試件

2.5　導(dǎo)熱系數(shù)分析

導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定：將尺寸為300 mm×300 mm×30 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊在自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d，在到達(dá)養(yǎng)護(hù)齡期前24 h，將試塊放入干燥箱內(nèi)，在80 ℃條件下養(yǎng)護(hù)24 h，然后取出冷卻至恒溫，采用導(dǎo)熱系數(shù)儀進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定。MOC板與MOC-MSH板的性能對(duì)比見表5。

表5　MOC板與MOC-MSH板的性能對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然改性之后的氯氧鎂水泥板較未改性的氯氧鎂水泥板密度會(huì)增大，但通過合理添加發(fā)泡材料和輕質(zhì)骨料之后，其密度已經(jīng)降至512.04 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)降至0.175 8 W/(m·K)，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度也很高，可以作為墻體防火保溫材料在墻體表面使用。

3　結(jié)論

3.1通過加入活性硅質(zhì)原料來改性氯氧鎂水泥，可以使體系致密，力學(xué)性能增強(qiáng)。其主要原因包括反應(yīng)生成的水化硅酸鎂促進(jìn)了結(jié)構(gòu)的致密度以及活性硅灰和粉煤灰的孔隙填充作用。

3.2玻璃纖維可以增強(qiáng)材料的抗裂性，但纖維的摻量并非越多越好。如果纖維摻量過多，會(huì)使機(jī)體中的孔隙率增大而使得其力學(xué)性能降低。

3.3輕質(zhì)骨料在降低板材密度方面并不是摻的越多越好。如果摻量過多，會(huì)占據(jù)大量空間，使得膠凝材料反應(yīng)不完全，發(fā)泡劑的發(fā)泡量低。

3.4通過加入輕質(zhì)骨料以及采用合理的發(fā)泡技術(shù)，降低了板材的密度，降低了導(dǎo)熱系數(shù)，主要是因?yàn)橐肓藲怏w能阻斷熱量的傳導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊華峰.耐火輕質(zhì)保溫板的研制與性能[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 方海東.聚合物改性鎂質(zhì)膠凝復(fù)合外墻外保溫材料[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[3] 王英姿，邱振新，王翔.淺談氯氧鎂水泥制品的性能及發(fā)展?fàn)顩r[J].山東建材，2000(4)：38-40.

[4] 鄧德華.磷酸根離子對(duì)氯氧鎂水泥水化物穩(wěn)定性的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2002，5(1)：9-12.

[5] DENG D H.The mechanism for soluble phosphates to improve the water resistance of magnesium oxychloride cement[J].CementandConcreteResearch，2003，33(9)：1311-1317.

[6] 陳雪梅，宋志建，李建成.用粉煤灰制作復(fù)合氯氧鎂水泥的實(shí)驗(yàn)方法探討[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，24(1)：40-43.

[7] 周梅，鞏玉發(fā)，汪振雙.基于均勻設(shè)計(jì)的氯氧鎂水泥制品試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2006，6(4)：492-495.

[8] 張洪，蔣玢.粉煤灰改善氯氧鎂水泥耐水性及其機(jī)理研究[J].粉煤灰綜合利用，1997(1)：33-35.

[9] 關(guān)麗麗，戴智強(qiáng).硅灰石尾礦對(duì)氯氧鎂水泥改性的試驗(yàn)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012(21)：110.

[10] 李智廣，許珂敬.低溫稻殼灰改性氯氧鎂水泥性能研究[J].新型建筑材料，2010(11)：15-17.

[11] 余紅發(fā)，李生堂，何慶英，等.MgO-SF-FA-MgCl2-H2O膠凝材料體系的長(zhǎng)期強(qiáng)度及耐水性研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2000，28(S1)：36-40.

[12] 嚴(yán)瑞瑄.水溶性高分子[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.