摻硼元素不同燒結(jié)溫度的氧化鎂對磷酸鎂水泥性能的影響

孫美碩 ，關(guān)巖 ，畢萬利 ，孟憲章

（1.遼寧科技大學(xué) 高溫材料與鎂資源工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.遼寧省鎂產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，遼寧 鞍山 114051）

0 前言

普通磷酸鎂水泥（MPC）由重?zé)趸V粉和磷酸鹽為主要材料制備而成[1]，外加劑一般選擇具有緩凝作用的硼砂。磷酸鎂水泥具有早強(qiáng)快硬、粘結(jié)強(qiáng)度高、耐磨性好、環(huán)境適應(yīng)性廣等優(yōu)異性能，在工程快速修補(bǔ)、快速加固與整治及有害物質(zhì)固化等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[2-4]。

我國對磷酸鎂水泥的研究起步較晚，自2005年后才逐漸成為膠凝材料的研究熱點(diǎn)[5]，目前，有關(guān)磷酸鎂水泥性能的研究已有諸多報道[6-9]，涉及磷酸鎂水泥的制備、宏觀性能改善、微觀水化機(jī)理分析等眾多方面[10]，而針對不同燒結(jié)溫度的摻B元素氧化鎂粉對磷酸鎂水泥性能的影響研究較少。由于重?zé)趸V粉的能耗高、價格高，并且大量消耗優(yōu)質(zhì)的菱鎂礦資源，從而阻礙了其大規(guī)模推廣應(yīng)用。本文利用在低品位輕燒氧化鎂粉中引入一定量的B元素在不同溫度下煅燒，替代重?zé)趸V制備磷酸鎂水泥，從而降低成本。

1 試驗

1.1 原料

輕燒鎂粉：海城華豐鎂業(yè)提供，主要化學(xué)成分見表1；重?zé)V粉：海城峰馳集團(tuán)提供，主要化學(xué)成分見表1。磷酸二氫鉀：工業(yè)級，純度95%。硼砂：分析純，沈陽第一試劑廠提供。

表1 氧化鎂粉的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗方法

將輕燒鎂粉與一定量的硼砂在轉(zhuǎn)速為300 r/min的行星式球磨機(jī)中球磨3 h，其中B元素的引入量占氧化鎂質(zhì)量的0.15%，然后分別于1300、1400、1500、1600℃下煅燒并保溫3 h。分別取在1300、1400、1500、1600℃下煅燒的氧化鎂粉，與磷酸二氫鉀按質(zhì)量比為3∶1，再加入占氧化鎂質(zhì)量7%的硼砂作為緩凝劑，水灰比為0.17，在攪拌機(jī)中攪拌，成型20 mm×20 mm×20 mm的磷酸鎂水泥試塊，1 h脫模后，自然養(yǎng)護(hù)24 h，同時以重?zé)趸V粉為主要原料進(jìn)行對比試驗，分別測試其1、3、7d抗壓強(qiáng)度。用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)X＇Pert Powder型衍射儀分析試樣的礦物組成，用Sigma HD蔡司場發(fā)射高分辨率掃描電鏡分析試樣微觀結(jié)構(gòu)及組織形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同煅燒溫度下氧化鎂粉的物相分析（見圖1）

圖1 不同煅燒溫度下氧化鎂粉的XRD圖譜

由圖1可見，煅燒后氧化鎂粉的主晶相除方鎂石外，還有少量的鎂橄欖石及鈣鎂橄欖石，由于輕燒鎂粉中含有一定量的 SiO2和 CaO，在 1300、1400、1500、1600 ℃煅燒后可以形成少量的鎂橄欖石和鈣鎂橄欖石以及其它一些雜質(zhì)化合物。這些物相在1200℃以上就已形成，而1350℃進(jìn)入到液相燒結(jié)階段，1400～1700℃僅是結(jié)晶相的長大過程。在引入等量B元素的氧化鎂粉中，隨著煅燒溫度的升高，主晶相和次晶相的種類沒有變化，只是結(jié)晶程度逐漸提高，晶體排列更趨于完整化。

2.2 不同煅燒溫度對氧化鎂晶粒的影響

不同煅燒溫度下氧化鎂粉中方鎂石晶粒大小和晶粒生長的SEM照片分別見圖2、圖3。

圖2 經(jīng)不同溫度煅燒后方鎂石晶粒大小的SEM照片

圖3 經(jīng)不同溫度煅燒后方鎂石晶粒生長的SEM照片

從圖2可以看出，1300℃煅燒的方鎂石晶粒尺寸為10.44 μm；隨著煅燒溫度的升高，1400℃煅燒的方鎂石晶粒尺寸增長到18.33 μm，當(dāng)煅燒溫度達(dá)到1600℃時，方鎂石晶粒尺寸則增長到23.89 μm，說明隨著煅燒溫度的提高，方鎂石晶粒尺寸逐漸增大，但增大的趨勢逐漸降低。從圖3可以看出，隨著煅燒溫度的升高，方鎂石晶粒表面以類似年輪的形狀一層一層向四周增長，晶粒之間的堆積程度也越來越緊密，空隙越來越小，因此，在制備磷酸鎂水泥時有利于降低水泥的需水量。

2.3 不同溫度煅燒的氧化鎂粉對磷酸鎂水泥強(qiáng)度的影響

不同溫度煅燒的氧化鎂粉對磷酸鎂水泥早期抗壓強(qiáng)度的影響見表2，其中5#試樣以重?zé)V粉為主要原料。

表2 不同溫度煅燒的氧化鎂粉對磷酸鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響

由表2可知，隨輕燒鎂粉煅燒溫度的升高，磷酸鎂水泥的抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢。當(dāng)煅燒溫度達(dá)到1600℃時，其早期強(qiáng)度增加迅速，1、3、7d抗壓強(qiáng)度分別為 20.1、27.5、52.2MPa，基本上達(dá)到同齡期以重?zé)趸V粉為原料制備的磷酸鎂水泥強(qiáng)度。

不同溫度煅燒的氧化鎂粉制備的磷酸鎂水泥水化7 d的XRD圖譜見圖4。

圖4 不同煅燒溫度的磷酸鎂水泥的XRD圖譜

從圖4可以看出，不同溫度煅燒的氧化鎂粉制備的磷酸鎂水泥礦物組成為鳥糞石結(jié)構(gòu)的MKP·6H2O、MgO、M2S，其中煅燒溫度為1600℃時，MKP·6H2O峰強(qiáng)最大，峰型尖銳，說明晶體結(jié)構(gòu)發(fā)育完全，使其強(qiáng)度最高。

1300、1400、1500、1600 ℃煅燒的氧化鎂粉制備的磷酸鎂水泥的SEM照片分別見圖5、圖6。

圖5 1300、1400、1500℃煅燒的氧化鎂粉制備的磷酸鎂水泥的SEM照片

圖6 1600℃煅燒的氧化鎂粉制備的磷酸鎂水泥的SEM照片

圖6中有大量的長柱狀MgKPO4·6H2O晶體生成，且發(fā)育比較完全，堆積緊密，在一定程度上提高了磷酸鎂水泥的強(qiáng)度，A位置為未反應(yīng)的MgO，B位置為水化產(chǎn)物MgKPO4·6H2O，可見，水化產(chǎn)物MgKPO4·6H2O是以MgO為中心在其周邊生成。相比較而言，圖5中的水化產(chǎn)物MgKPO4·6H2O發(fā)育不完全，大多呈短柱狀較細(xì)，有大量的MgO和M2S存在，可見其水化不完全，致使其強(qiáng)度較低。

3 結(jié) 論

（1）隨著煅燒溫度的升高，方鎂石晶粒的尺寸逐漸增大，由煅燒溫度為1300℃時的10.44 μm增長到煅燒溫度為1600℃時的23.89 μm。

（2）在輕燒氧化鎂粉中引入B元素在1600℃下煅燒的氧化鎂粉可以代替重?zé)趸V粉，制備的磷酸鎂水泥的7 d強(qiáng)度可以達(dá)到52.2 MPa，與重?zé)趸V粉制備的磷酸鎂水泥強(qiáng)度相當(dāng)，而成本卻有所降低。