耐水劑、防水劑對硫氧鎂水泥性能影響的試驗研究

朱效甲 ，朱玉杰 ，朱倩倩 ，朱效兵 ，劉蓉梅

（1.濟南市杰美菱鎂建材研究所，山東 濟南 250031；2.大連理工大學，遼寧 大連 116024）

0 引言

硫氧鎂水泥膠凝材料是由輕燒氧化鎂和一定濃度的七水硫酸鎂溶液組成的MgO·MgSO4·H2O三元體系氣硬性膠凝材料，它既保留了氯氧鎂膠凝材料的部分優(yōu)點，如質(zhì)量輕、防火、隔熱、耐高溫、耐磨、粘接力強、低碳節(jié)能環(huán)保等，也克服了氯氧鎂膠凝材料易吸潮返鹵、銹蝕金屬等致命缺點，是鎂質(zhì)膠凝材料未來發(fā)展的方向。但硫氧鎂水泥也存在著力學強度偏低、耐水性能較差等弊端，尤其耐水性差是未改性硫氧鎂水泥較突出的弱點。張興福等試驗結(jié)果表明，未改性硫氧鎂膠凝材料在水中浸泡7 d后抗壓軟化系數(shù)僅為0.13，抗折軟化系數(shù)幾乎為0，說明未改性的硫氧鎂水泥極不耐水，根本無法滿足使用要求。分析不耐水的原因為：①硫氧鎂水泥水化產(chǎn)物的組成和結(jié)構(gòu)是影響鎂質(zhì)膠凝材料耐水性的根本原因；②由于硫氧鎂水泥硬化產(chǎn)物是親水性晶體，在水中的可溶性是導(dǎo)致硫氧鎂水泥強度下降的主要原因；③硫氧鎂水泥水化結(jié)晶過程中會生成大量的Mg(OH)2，而Mg(OH)2不僅強度低、耐水性差，而且會引起硬化體體積膨脹，當MgO變成Mg(OH)2（水鎂石），體積會膨脹為原來的2.126倍，硬化體內(nèi)部會產(chǎn)生較大的膨脹內(nèi)應(yīng)力，從而產(chǎn)生很多微細裂紋，浸水后水沿著孔隙和裂紋浸入硬化體內(nèi)，削弱了硬化產(chǎn)物顆粒之間的結(jié)合力，使試件浸水后強度下降。

綜合上述原因，有必要對其進一步研究。巴明芳等對硫氧鎂水泥耐水性進行了研究，結(jié)果表明：加入氧化鎂質(zhì)量為2.0%的水玻璃，可以很好地改善硫氧鎂水泥耐水性。孟憲章〔7〕等研究了抗水劑種類與活性填料的摻量對硫氧鎂水泥耐水性能的影響，結(jié)果表明：當硫氧鎂水泥工藝品中的活性填料為15%，外加劑為1.5%時，其耐水性最佳，抗折與抗壓軟化系數(shù)都為0.89。

本試驗配制了一種有機化合螯合劑 （A劑）作為硫氧鎂水泥的耐水劑，與普遍使用的有機硅防水劑（B液）進行平行對比試驗，研究了耐水劑A劑、防水劑B液對硫氧鎂水泥性能的影響，并對其機理進行了分析。

1 試驗

1.1 原材料及改性材料

1.1.1 原材料

輕燒氧化鎂粉（MgO）：遼寧海城美菱鎂業(yè)有限公司生產(chǎn),細度180目,采用水合法測得其活性MgO含量為50.01%,950℃燒失量為5.73%,其主要化學成分見表1。

表1 輕燒氧化鎂化學成分

七水硫酸鎂 （MgSO4·7H2O):山東濰坊華康化工有限公司生產(chǎn),工業(yè)級，其中MgSO4·7H2O含量為99.80%，其化學成分見表2。

表2 七水硫酸鎂主要化學成分

尾礦粉（CaCO3）：CaCO3含量≥98.5%，細度通過80目篩，含水率≤1.20%，市售。

木質(zhì)纖維：加工木材的粉屑，要求無霉爛變質(zhì)，細度通過20目篩，含水率≤10%。

1.1.2 改性材料

耐水劑A劑：有機化合螯合劑，白色粉末，易溶于水，pH值為10.5，自制。

有機硅防水劑B液：廣泛用于混凝土、石膏制品、水泥砂漿等建筑材料的防水以及現(xiàn)代化建筑結(jié)構(gòu)和建筑裝飾的防水、防潮、防腐、防污綜合保護需求。液體呈淡黃色，固含量（28±1）%，密度 1.14 g/cm3,pH值13.0，堿含量5.0%，化工市場采購。

1.2 主要儀器設(shè)備

B20-S型強力高速攪拌機，廣州粵麥機械設(shè)備有限公司生產(chǎn)。

ZT-90膠砂試件成型振實臺，無錫市錫鼎建工儀器廠；

WDW-20微機控制電子萬能材料試驗機，濟南鑫光試驗機制造有限公司生產(chǎn)。

1.3 試件制備及檢驗標準

1.3.1 料漿制備

結(jié)合生產(chǎn)需要，在試驗配比中均加入了大量的尾礦粉和廢棄鋸木粉。

在攪拌機內(nèi)投入定量的硫酸鎂溶液及改性材料攪拌1 min，再加入輕燒氧化鎂粉及尾礦粉，攪拌2～3 min，制得均勻的鎂水泥凈漿，再加入定量的干細鋸粉，攪拌3 min，制得符合要求的硫氧鎂水泥膠結(jié)料漿?；九浞綖閙(氧化鎂）：m（硫酸鎂溶液）：m(尾礦粉）：m（干細鋸粉）=1:1.24:0.50:0.20，其中硫酸鎂溶液比重為1.248 g/cm3（純硫酸鎂含量為22.40%），改性劑摻量均以氧化鎂質(zhì)量百分比計。

1.3.2 試件成型與養(yǎng)護

試件成型40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試模，振動時間為60 s，標準養(yǎng)護24 h，脫模后保潮控溫養(yǎng)護至各齡期，養(yǎng)護環(huán)境溫度18～22℃，相對濕度（50±10）%。

1.3.3 檢驗標準與方法

水泥凈漿凝結(jié)時間參照GB/T1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》進行測試。m(輕燒氧化鎂）：m（硫酸鎂溶液）=1:0.70。抗折強度、抗壓強度測試參照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度試驗方法（ISO法）》進行測試，軟化系數(shù)的測試方法：先取3條自然養(yǎng)護28 d的試塊測試其抗折強度和抗壓強度，結(jié)果為W1。同時取另外6條試塊浸入室溫水中，試塊之間保持20 mm距離，水面沒過試塊20 mm，浸水14 d和28 d,分別取出3條試塊擦干表面水分，進行抗折強度、抗壓強度測試，結(jié)果為W2，W2與W1的比值即為試件浸水14 d、28 d的軟化系數(shù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 耐水劑A劑、防水劑B液摻量對硫氧鎂水泥凝結(jié)性能的影響

耐水劑A劑、防水劑B液摻量對硫氧鎂水泥初凝時間和終凝時間的影響，結(jié)果見圖1，2。

由圖1，2可以看出：①耐水劑A劑對硫氧鎂水泥的凝結(jié)時間無明顯的影響，初凝時間上下波動范圍在（235±15）min以內(nèi)，終凝時間上下波動范圍在（495±5）min以內(nèi)，耐水劑不同摻量對硫氧鎂水泥初凝時間和終凝時間的間隔都很小，凝結(jié)速度比較接近。②隨著防水劑B液摻量的增加，硫氧鎂水泥的初凝時間和終凝時間逐漸縮短，說明防水劑B液對硫氧鎂水泥具有促凝作用，當摻量從0增加到MgO質(zhì)量的1.2%時，試件初凝時間由133 min縮短到79 min，初凝時間縮短了68.35%，終凝時間由343 min縮短到328 min，終凝時間縮短了4.57%，終凝速度不及初凝速度變化得快。

圖1 耐水劑A劑、防水劑B液摻量對硫氧鎂水泥初凝時間的影響

圖2 耐水劑A劑、防水劑B液摻量對硫氧鎂水泥終凝時間的影響

2.2 耐水劑A劑、防水劑B液摻量對硫氧鎂水泥料漿密度的影響（圖3）

圖3 耐水劑A劑、防水劑B液摻量對硫氧鎂水泥料漿密度的影響

由圖3可知，耐水劑A劑對硫氧鎂水泥料漿密度無明顯影響，波動范圍在（169±1）g/cm3以內(nèi)，波動范圍很小。隨著防水劑B液摻量的增加，料漿密度很有規(guī)律地下降，但下降幅度也不大，摻量從0增加到氧化鎂質(zhì)量的1.0%時，料漿密度由1.64 g/cm3下降到1.51 g/cm3，下降幅度只有8.61%。

分析防水劑B液導(dǎo)致料漿密度下降的原因：由于防水劑B液在硫氧鎂水泥料漿中具有引氣和穩(wěn)泡功能，引入的微小氣泡不易破滅，導(dǎo)致料漿內(nèi)部孔隙增多，密度下降。

2.3 耐水劑A劑、防水劑B液對硫氧鎂水泥力學性能的影響

2.3.1 耐水劑A劑對硫氧鎂水泥不同養(yǎng)護齡期強度的影響

耐水劑A劑對硫氧鎂水泥不同養(yǎng)護齡期抗折強度、抗壓強度的影響，結(jié)果見圖4，5。

圖4 耐水劑A劑對硫氧鎂水泥不同養(yǎng)護齡期抗折強度的影響

圖5 耐水劑A劑對硫氧鎂水泥不同養(yǎng)護齡期抗壓強度的影響

由圖4，5可以看出：隨著耐水劑A劑摻量的增加和養(yǎng)護齡期的延長，硫氧鎂水泥的抗折強度、抗壓強度呈先提高后降低的趨勢，當摻量為MgO質(zhì)量的0.5%時，抗折強度和抗壓強度均出現(xiàn)最大值，試件養(yǎng)護1 d、7 d和28 d的抗折強度分別為4.82 MPa、6.19 MPa 和 8.77 MPa，比空白試樣分別提高了15.04%、8.22%和30.70%，養(yǎng)護1 d、7 d和28 d的抗壓強度分別是11.70 MPa、17.13 MPa和22.83 MPa，比空白對比試樣分別提高了19.14%、14.97%和18.29%。

分析其原因，耐水劑A劑在硫氧鎂水泥中具有螯合功能，能與水泥體系中的Mg2+作用形成鎂基絡(luò)合物，有效地抑制了低強度的Mg（OH）2晶相的生成，促進了強度相的生成，從而提高了試件的力學強度。Amaral L F等研究指出，螯合劑對硫氧鎂水泥水化的抑制作用，能有效抑制體系中Mg(OH)2的生成，并提高體系的體積穩(wěn)定性。

2.3.2 防水劑B液對硫氧鎂水泥不同養(yǎng)護齡期強度的影響

防水劑B液對硫氧鎂水泥不同養(yǎng)護齡期抗折強度、抗壓強度的影響，結(jié)果見圖6，7。

圖6 防水劑B液對硫氧鎂水泥不同養(yǎng)護齡期抗折強度的影響

圖7 防水劑B液對硫氧鎂水泥不同養(yǎng)護齡期抗壓強度的影響

由圖6，7可以看出，隨著防水劑B液摻量的增加，試件抗折強度、抗壓強度逐漸降低。B液摻量從0增加到MgO質(zhì)量的1.0%時，試件養(yǎng)護28 d的抗折強度由5.92 MPa下降到4.62 MPa，下降幅度為28.14%，抗壓強度由17.98 MPa下降到13.88 MPa，下降幅度為29.54%。

分析強度下降的原因，結(jié)合圖3可知，隨著防水劑B液摻量的增加，硫氧鎂水泥料漿密度隨之下降，是因為防水劑B液在硫氧鎂水泥體系中具有引氣、穩(wěn)泡功能，料漿中引入了較多細密穩(wěn)定的微小氣泡，使之密度降低，同時力學強度下降。文獻指出，膠凝材料中空隙率每增加1%～5%，強度下降10%～15%，這就是試件力學強度降低的原因。

2.4 耐水劑A劑、防水劑B液對硫氧鎂水泥不同浸水時間耐水性能的影響

2.4.1 耐水劑A劑 （摻量為MgO質(zhì)量的1.0%）對硫氧鎂水泥不同浸水時間耐水性能的影響（圖8）

圖8 耐水劑A劑對硫氧鎂水泥耐水性能的影響

由圖8可知，耐水劑A劑摻量為MgO質(zhì)量的1.0%時，養(yǎng)護28 d的抗折強度為6.99 MPa，浸水14 d的抗折強度為9.51 MPa，強度提高了36.05%，浸水28 d的抗折強度為8.11 MPa，強度提高了16.02%；28 d的抗壓強度為22.77 MPa,浸水14 d的抗壓強度為22.54 MPa，強度降低了1.02%，浸水28 d的抗壓強度為21.78 MPa，強度降低了4.55%，浸水試件折斷后，斷面干燥，滲水深度不足2 mm，說明試件具有很好的抗?jié)B性能。

分析試件耐水的原因如下：耐水劑A劑在硫氧鎂水泥體系中與Mg2+絡(luò)合后，大幅度降低了Mg2+在水中的溶解度，并能夠?qū)⒘蠞{中的多核水羥基鎂離子〔Mg(OH)(H2O)+〕、SO22-離子螯合吸附，促進強度相 5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O(5·1·7)相生成，使得基體更加致密，提高了試件的抗水、抗?jié)B性能，從而提高了硫氧鎂水泥的耐水性能。

2.4.2 防水劑B液（摻量為MgO質(zhì)量的1.0%)對硫氧鎂水泥不同浸水時間耐水性能的影響

防水劑B液的防水機理是甲基硅酸鹽在水和二氧化碳作用下，生成甲基硅醇，甲基硅醇自身進一步縮合并與結(jié)構(gòu)材料進行化學反應(yīng)，在基材表面生成一層幾個分子厚的不溶性防水高分子化合物——網(wǎng)狀有機硅樹脂膜，并在物體表面、內(nèi)部、空洞、孔隙及毛細管壁形成憎水層，起到防水作用，但是防水層的致密程度與均勻分布程度以及甲基硅酸鈉的配比濃度決定了材料的防水性能（圖9）。

圖9 防水劑B液對硫氧鎂水泥耐水性能的影響

由圖9可知，當有機硅防水劑摻量為MgO質(zhì)量的1.0%時，試件養(yǎng)護28 d的抗折強度為6.90 MPa，浸水14 d和28 d的抗折強度分別為5.58 MPa和4.93 MPa，分別下降了19.13%和28.55%，養(yǎng)護28 d的抗壓強度為18.17 MPa，浸水14 d和28 d的抗壓強度為 13.144 MPa和11.44 MPa，分別下降了26.03%和37.04%，試件折斷后，斷面全部是潮濕的，強度明顯下降。分析試件浸水后強度下降的原因，由于有機硅防水劑B液在硫氧鎂水泥料漿體系中，受摻量及分布均勻程度的影響（B液加量占總體系質(zhì)量的0.33%），沒有形成致密均勻的防水層膜，對材料沒有起到很好的保護作用，導(dǎo)致試件浸水后強度降低耐水性變差。

3 結(jié)論

（1）耐水劑A劑對硫氧鎂水泥初終凝時間無明顯影響，當摻量從0增加到1.20%時，初凝時間上下波動范圍在（735±15）min以內(nèi)，終凝時間上下波動范圍在（495±5）min以內(nèi)。防水劑B液摻量從0增加到1.20%時，初凝時間縮短了68.35%，終凝時間縮短了4.57%，能夠大幅度縮地短初凝時間。

（2）耐水劑A劑對硫氧鎂水泥膠結(jié)料漿密度無明顯影響。防水劑B液明顯降低了硫氧鎂水泥膠結(jié)料漿密度，當摻量從0增加到1.0%時，料漿密度由1.64 g/cm3下降到1.51 g/cm3，下降幅度為8.61%。

（3）耐水劑摻量為MgO質(zhì)量的0.50%時，硫氧鎂水泥試件各養(yǎng)護齡期抗折強度、抗壓強度均出現(xiàn)最大值，養(yǎng)護28 d的抗折強度和抗壓強度分別是8.77 MPa和22.83 MPa，分別比空白對比試件提高了30.70%和18.29%。

（4）由于防水劑B液在硫氧鎂水泥中具有引氣穩(wěn)泡功能，導(dǎo)致試件密度下降，且抗折強度、抗壓強度不同程度的降低，當摻量為MgO質(zhì)量的1.0%時，試件養(yǎng)護28 d的抗折強度為4.62 MPa，較空白對比試件下降了21.96%，抗壓強度為13.88 MPa，較空白對比試件下降了22.80%。

（5）耐水劑A劑能夠大幅度地提高硫氧鎂水泥耐水性，尤其對抗折強度的提高更為明顯，當摻量為MgO質(zhì)量的1.0%時，試件浸水14 d的抗折強度提高36.05%，浸水28 d的抗折強度提高16.02%，浸水14 d和28 d的抗壓強度也僅下降了1.02%和4.55%，降低幅度較小。

（6）當防水劑B液摻加到硫氧鎂水泥料漿中時，由于受摻量及料漿密度兩個因素的影響，試件耐水性下降，摻量為1.0%時，當浸水14 d和28 d時，試件的抗折強度分別下降了19.13%和28.55%，抗壓強度分別下降了26.03%和37.04%。