改性硫氧鎂水泥性能研究

陳方宇，吳成友

（青海大學(xué) 土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016）

0 前言

硫氧鎂水泥是一種由活性氧化鎂和硫酸鎂混合制得的氣硬性鎂制膠凝材料[1]。硫氧鎂水泥具有輕質(zhì)、耐火性能良好等特點(diǎn)，可用于生產(chǎn)輕質(zhì)保溫板及耐火材料。然而，由于硫氧鎂水泥強(qiáng)度低、耐水性較差、易開裂、易吸潮反鹵[1-4]等的特點(diǎn)使其在土木工程中的大規(guī)模應(yīng)用受到限制。

硫氧鎂水泥的強(qiáng)度主要取決于其水化產(chǎn)物組成。Dmediuk等[5]的研究表明，在30～120℃下MgO-MgSO4-H2O三元體系會(huì)生成 4 種不同物相，分別為 5Mg（OH）2·MgSO4·3H2O（5·1·3相），3Mg（OH）2·MgSO4·8H2O（3·1·8 相），Mg（OH）2·2MgSO4·3H2O（1·2·3 相），Mg（OH）2·MgSO4·5H2O（1·1·5 相）。鄧德華[6]采用S型添加劑對(duì)硫氧鎂水泥進(jìn)行了改性研究，改性后硫氧鎂水泥的力學(xué)性能顯著提升，并且生成了一種新型物相。吳成友等[7-8]采用了有機(jī)酸作為外加劑對(duì)硫氧鎂水泥進(jìn)行了改性研究，改性硫氧鎂水泥生成一種新的物相5Mg（OH）2·MgSO4·7H2O（5·1·7相），并且力學(xué)性能以及耐水性能有了顯著的提高。

本文研究了HM型外加劑改性硫氧鎂水泥的力學(xué)性能、凝結(jié)時(shí)間、耐水性能，并且通過SEM、XRD分析其水化產(chǎn)物物相組成以及微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)硫氧鎂水泥在實(shí)際應(yīng)用中的推廣有著重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

輕燒氧化鎂粉：產(chǎn)自遼寧海城，水合法[9]測(cè)得其活性氧化鎂含量為56%，主要成分見表1；七水硫酸鎂：粉末狀晶體，工業(yè)級(jí)；HM型外加劑：青島樂高產(chǎn)；CA有機(jī)酸：分析純，北京化工廠生產(chǎn)；標(biāo)準(zhǔn)砂：廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司。

表1 輕燒氧化鎂粉的主要化學(xué)成分 %

1.2 硫氧鎂水泥的制備

將輕燒氧化鎂粉與七水硫酸鎂按照摩爾比（α-MgO∶MgSO4）為8進(jìn)行混合，使用行星球磨機(jī)球磨3 min（細(xì)度達(dá)到D90<74 μm），然后分別加入0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的HM型外加劑或0.5%CA有機(jī)酸進(jìn)行混合，按照水灰比（W/C）為0.51加水?dāng)嚢瑁瑢韬虾蟮乃酀{體注入20 mm×20 mm×20 mm模具，養(yǎng)護(hù)1 d后拆模。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

改性硫氧鎂水泥的抗壓強(qiáng)度根據(jù)GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》進(jìn)行測(cè)試；凝結(jié)時(shí)間根據(jù)GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性》進(jìn)行測(cè)試；水泥放熱速率參照GB/T 12959—2008《水泥水化熱測(cè)試方法》中的直接法進(jìn)行測(cè)試?？諝庵叙B(yǎng)護(hù)28 d后的水泥試件放入密封玻璃瓶中泡水一段時(shí)間后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，并計(jì)算軟化系數(shù)，以此判斷其耐水性能。

對(duì)養(yǎng)護(hù)28 d的硫氧鎂水泥試件采用X射線衍射儀（X'PROPert）進(jìn)行物相分析，并使用掃描電子顯微鏡（JSM-5610LV）在斷裂面上觀察其微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 外加劑摻量對(duì)硫氧鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響

有研究指出[8]，5·1·7相是改性硫氧鎂水泥的強(qiáng)度相，其含量是決定強(qiáng)度的重要因素。分別摻0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的HM型外加劑，并與摻0.5%CA有機(jī)酸試件進(jìn)行對(duì)比，外加劑摻量對(duì)改性硫氧鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響見圖1，養(yǎng)護(hù)28 d后不同外加劑摻量硫氧鎂水泥的XRD圖譜與SEM照片分別見圖2、圖3。

圖1 不同外加劑摻量對(duì)硫氧鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1可見，隨著HM型外加劑摻量的增加，改性硫氧鎂水泥的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)HM型外加劑摻量為2.0%時(shí)抗壓強(qiáng)度最高，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到70 MPa，相比HM型外加劑摻量為0、1.5%、2.5%的分別提高了180.0%、27.3%以及16.7%。另外，當(dāng)HM型外加劑摻量為2.0%時(shí)，其7 d抗壓強(qiáng)度已超過摻0.5%CA有機(jī)酸的改性硫氧鎂水泥，并且1 d、28 d抗壓強(qiáng)度也基本相當(dāng)。

圖2 不同外加劑摻量硫氧鎂水泥的XRD圖譜

從圖2可以看出，摻HM型外加劑的改性硫氧鎂水泥主要水化產(chǎn)物為針桿狀5·1·7相晶體，與摻CA有機(jī)酸的改性硫氧鎂水泥主要水化產(chǎn)物一致。隨著HM型外加劑摻量的增加，Mg（OH）2的衍射峰不斷減小，而 5·1·7 相的衍射峰不斷增大，故其抗壓強(qiáng)度不斷提高。摻2.0%HM型外加劑所生成的5·1·7相的衍射峰高度與摻0.5%CA有機(jī)酸時(shí)改性硫氧鎂水泥的5·1·7相衍射峰高度基本相同，因此其抗壓強(qiáng)度相近。

圖3 不同外加劑摻量硫氧鎂水泥SEM照片

由圖3可見，隨著HM型外加劑摻量的增加，針桿狀5·1·7相晶體含量逐漸增多，當(dāng)HM型外加劑摻量為0.5%時(shí)[見圖 3（b）]，其針桿狀 5·1·7 相晶體數(shù)量極少，因此其抗壓強(qiáng)度與HM型外加劑摻量為0時(shí)相差不大；當(dāng)HM型外加劑摻量為 2.0%時(shí)[見圖 3（d）]，其針桿狀 5·1·7 相晶體比較密集，因此其抗壓強(qiáng)度較高。因而，在制備改性硫氧鎂水泥時(shí)，建議HM型外加劑的摻量為2.0%，可以制備出抗壓強(qiáng)度較高的硫氧鎂水泥。

2.2 外加劑摻量對(duì)硫氧鎂水泥水化熱放熱速率及凝結(jié)時(shí)間的影響（見圖4）

圖4 外加劑摻量對(duì)硫氧鎂水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

由圖4可見，隨著HM型外加劑摻量的增加，硫氧鎂水泥的凝結(jié)時(shí)間逐漸延長。當(dāng)HM型外加劑摻量為1.0%時(shí)，硫氧鎂水泥的初、終凝時(shí)間分別為3.17、9.17 h，而當(dāng)HM型外加劑摻量為2.0%時(shí)，初、終凝時(shí)間為3.33、10.50 h，分別延長了5.0%與14.5%。HM型外加劑在水泥的水化過程中有一定的緩凝作用，主要是由于在加入HM型外加劑后會(huì)在水泥表面形成一層有機(jī)鎂絡(luò)合層，阻礙了水分與鎂水化接觸，延緩了硫氧鎂水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，從而延長了凝結(jié)時(shí)間，與摻加CA有機(jī)酸的改性硫氧鎂水泥一致[10]。

水化放熱速率能夠直觀反應(yīng)水泥的水化進(jìn)程，圖5為不同外加劑摻量改性硫氧鎂水泥的水化放熱速率。

圖5 不同外加劑摻量改性硫氧鎂水泥的水化放熱速率

由圖5可見，改性后硫氧鎂水泥的誘導(dǎo)期持續(xù)時(shí)間逐漸延長，加速期延緩，放熱速率降低。當(dāng)HM型外加劑摻量為0時(shí)，誘導(dǎo)期持續(xù)時(shí)間約為3.0 h，而當(dāng)HM型外加劑摻量為2.0%時(shí)，其誘導(dǎo)期持續(xù)時(shí)間約為6.3 h，延長了110%，因此，其凝結(jié)時(shí)間也隨著HM型外加劑摻量的增加而逐漸延長。

2.3 外加劑摻量對(duì)硫氧鎂水泥耐水性能的影響（見圖6）

圖6 不同外加劑摻量硫氧鎂水泥的軟化系數(shù)

由圖6可以看出，在硫氧鎂水泥中添加HM型外加劑與CA有機(jī)酸可以有效地改善其耐水性能。當(dāng)HM型外加劑摻量為0.5%時(shí)，泡水1 d軟化系數(shù)為0.4、泡水28 d軟化系數(shù)為0.2；而當(dāng)HM型外加劑摻量為2.0%時(shí)，泡水1 d軟化系數(shù)為0.9、泡水28 d軟化系數(shù)為0.8，耐水性能顯著提高。有研究表明[8]，改性硫氧鎂水泥中密實(shí)程度較高，且孔空洞中存在針桿狀5·1·7相，隨著水化過程中針桿狀5·1·7相的不斷生成使得泡水后水泥漿體中的毛細(xì)孔較少，因此提高了硫氧鎂水泥的耐水性能。

3 結(jié) 論

（1）HM型外加劑可以有效提高硫氧鎂水泥的抗壓強(qiáng)度，并且在HM型外加劑摻量為2.0%時(shí)抗壓強(qiáng)度提高效果最顯著，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到70 MPa。

（2）隨著HM型外加劑摻量的增加，改性硫氧鎂水泥的水化誘導(dǎo)期延長，加速期滯后，延長其凝結(jié)時(shí)間，延緩其水化反應(yīng)的進(jìn)程。當(dāng)HM型外加劑摻量為2.0%時(shí)，改性硫氧鎂水泥的初、終凝時(shí)間分別延長至3.33、10.50 h，誘導(dǎo)期持續(xù)時(shí)間約為6.3 h。

（3）HM型外加劑可以顯著提高硫氧鎂水泥的耐水性能，當(dāng)其摻量為2.0%時(shí)，泡水1 d軟化系數(shù)為0.9、泡水28 d軟化系數(shù)為0.8，耐水性能較好。