王豐景，劉崗，袁春燕，齊鵬飛

（1.安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院，安徽 合肥 230601；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所，安徽 合肥 230088；3.中國科學(xué)院光伏與節(jié)能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088）

1 引言

氯氧鎂水泥（magnesium oxychloride cement,MOC）又稱索瑞爾水泥，是由氧化鎂、氯化鎂和水按一定比例調(diào)配形成的一種水泥硬化體。氯氧鎂水泥本身是一種氣硬性的膠凝材料，具有成型快、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、防火隔熱等特點(diǎn)。

純MOC凈漿制得的氯氧鎂水泥普遍存在翹曲變形、吸潮返鹵的問題，可通過添加改性劑、填充材料等方法進(jìn)行改善。趙春洋等合成堿式硫酸鎂晶須加入氯氧鎂水泥中，使材料更為致密，力學(xué)性能和穩(wěn)定性也得到提高。Yujie Jin等研究了摻加鈣渣對氯氧鎂水泥強(qiáng)度和拒水性能的影響，抗壓強(qiáng)度略有提高，抗折強(qiáng)度基本不變。Pingping He等在氯氧鎂水泥中添加木質(zhì)纖維，降低材料的膨脹率，提高體積穩(wěn)定性。Michal Lojka等制備了以多壁碳納米管為添加劑的氯氧鎂水泥復(fù)合材料，與純MOC進(jìn)行比較，具有更高的密實(shí)度、剛度和耐水性。目前，已有較多研究報(bào)道了添加不同種類復(fù)合材料，以達(dá)到增強(qiáng)材料力學(xué)性能、提高耐水性和穩(wěn)定性的目的，但同時(shí)也存在成本高昂、工藝復(fù)雜等問題。

泡沫玻璃作為一種性能優(yōu)越的輕質(zhì)高強(qiáng)建筑用裝飾裝修材料，A級不燃，導(dǎo)熱系數(shù)低，防水性能好，在隔熱絕緣、防潮工程、吸聲裝飾等領(lǐng)域占據(jù)重要地位。生活中常見的泡沫玻璃作為外墻保溫材料使用，一些彩色的泡沫玻璃還可作為裝飾材料美化環(huán)境。泡沫玻璃生產(chǎn)裝修過程中會產(chǎn)生較多邊角廢料，可以碾碎研磨成粉，添加到水泥、混凝土等建筑材料中成為輕質(zhì)骨料。

本文將泡沫玻璃粉料添加到氯氧鎂水泥的膠凝體系中，制得輕質(zhì)防火無機(jī)板材。通過SEM、XRD等表征產(chǎn)物的微觀形貌和物相組成，測試了所得無機(jī)板材的抗折抗壓強(qiáng)度、耐水性能、體積穩(wěn)定性，比較純MOC均有較大提升。因此，可將泡沫玻璃粉復(fù)合氯氧鎂水泥膠凝材料應(yīng)用于裝飾裝修領(lǐng)域，在提升板材各項(xiàng)性能的同時(shí)，能夠達(dá)到環(huán)保節(jié)能的目的。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 主要原料

輕燒氧化鎂（MgO）、六水合氯化鎂（MgCl·6HO）均購于阿拉丁試劑有限公司，泡沫玻璃購于宣城匯昌新材料有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

水泥凈漿攪拌機(jī)（NJ-160，無錫市建工實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司）、恒溫恒濕試驗(yàn)箱（WHTH-80-70-80，香港偉煌科技有限公司）、電熱鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9070A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司）、粉末X射線衍射儀（X’Pert，荷蘭PANalytical公司）、場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Sirion 200，美國FEI公司）、比長儀（BY-160型，河北一方儀器設(shè)備有限公司）、全自動抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)（YAW-300C，濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司）。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

2.3.1 確定原料比例

以凝結(jié)時(shí)間和抗折抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，經(jīng)過反復(fù)對比試驗(yàn)，選擇各原料的比例：摩爾比MgO：MgCl：HO=6:1:13，泡沫玻璃粉摻量0-30wt%。其中氧化鎂活度88.13%，采用標(biāo)準(zhǔn)水合法測定。

2.3.2 泡沫玻璃粉料制備、預(yù)混

將泡沫玻璃碾碎制成粉末，通過100目網(wǎng)篩篩選后，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0-30wt%稱取泡沫玻璃粉，與輕燒氧化鎂進(jìn)行充分的預(yù)混合。

2.3.3 摻泡沫玻璃粉氯氧鎂水泥的制備

將水合氯化鎂溶于去離子水中，超聲分散至全部溶解，倒入盛有輕燒氧化鎂粉和泡沫玻璃粉混合料的凈漿鍋中，使用攪拌機(jī)攪拌至充分混合。將混合漿料倒入40mm×40mm×160mm的膠砂試模中，使用振實(shí)臺振蕩30s后移出模具，用抹刀抹去表面多余漿料，置于恒溫恒濕箱中（25℃，60%）養(yǎng)護(hù)1d后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28d至齡期。

2.4 表征測試

2.4.1 掃描電鏡分析

采用美國FEI公司生產(chǎn)的Sirion 200型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對產(chǎn)物的微觀形貌進(jìn)行表征。

2.4.2 物相組成分析

采用荷蘭PANalytical公司生產(chǎn)的X’Pert粉末X射線衍射儀對樣品粉末進(jìn)行物相組成分析。

2.4.3 力學(xué)性能（抗折抗壓強(qiáng)度）

采用濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司生產(chǎn)的YAW-300C型全自動抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)對樣品進(jìn)行抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度測試，參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（IOS法）》。

2.4.4 耐水性能（軟化系數(shù)）

耐水性能的表征以軟化系數(shù)K為指標(biāo)，測定方法如下：制備不同泡沫玻璃粉摻量的氯氧鎂水泥試樣各兩組，在相同條件下養(yǎng)護(hù)28d后，1組測試絕干抗壓強(qiáng)度F，2組浸水7d后測試抗壓強(qiáng)度f。

式中：K——軟化系數(shù)；f——飽和含水狀態(tài)下試件的抗壓強(qiáng)度平均值（MPa）；F——絕干狀態(tài)下試件的抗壓強(qiáng)度平均值（MPa）。

2.4.5 體積穩(wěn)定性（收縮率/膨脹率）

體積穩(wěn)定性通過膨脹率/收縮率進(jìn)行表征，分別參照《膨脹水泥膨脹率試驗(yàn)方法》（JC/T 313-2009）和《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法（2010確認(rèn)）》（JC/T 603-2004）。以收縮率為例：

式中：S——水泥試體28d齡期干縮率（%）；L——初始測量長度讀數(shù)（mm）；L——28天齡期的測量長度讀數(shù)（mm）；250——試 體 有 效 長 度（mm）。

3 結(jié)果與討論

3.1 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥力學(xué)性能和軟化系數(shù)的影響

對比添加泡沫玻璃粉的試樣與空白MOC的強(qiáng)度，結(jié)果如圖1，添加泡沫玻璃粉后，氯氧鎂水泥的抗折和抗壓強(qiáng)度均有明顯提升。圖1（a）顯示干燥情況下MOC的抗折強(qiáng)度隨著泡沫玻璃粉摻量的增加逐步提升，添加量為30wt%時(shí)抗折強(qiáng)度最高，達(dá)17.7MPa。圖1（b）表明試樣的抗壓強(qiáng)度也隨著泡沫玻璃粉的增加呈現(xiàn)上升趨勢，干燥條件下，添加20wt%泡沫玻璃粉時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)53.4MPa。

圖1 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥力學(xué)性能的影響

將同組氯氧鎂水泥試樣浸水7d后測得的抗壓強(qiáng)度與干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度相比得到軟化系數(shù)，結(jié)果如圖2所示。摻加泡沫玻璃粉后材料的軟化系數(shù)無明顯變化，當(dāng)添加量較多（30wt%）時(shí)軟化系數(shù)略有下降，整體維持在0.4以上。

圖2 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥耐水性能的影響

3.2 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥體積穩(wěn)定性的影響

通過對比空白試樣與實(shí)驗(yàn)試樣的收縮率和膨脹率，分析泡沫玻璃粉對氯氧鎂體系體積穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，添加泡沫玻璃粉后氯氧鎂水泥的收縮率/膨脹率整體降低，即體積穩(wěn)定性有所提高。圖3（a）中收縮率整體呈下降趨勢，隨著泡沫玻璃粉摻量的增加，試樣的收縮率逐步降低，由快速下降到相對平緩。圖3（b）中材料膨脹率總體隨泡沫玻璃粉的增加表現(xiàn)出降低趨勢，在20wt%處出現(xiàn)上升，存在條件控制不當(dāng)產(chǎn)生誤差的可能。泡沫玻璃粉質(zhì)量輕而穩(wěn)定性高，不易因?yàn)橥饨鐪囟葷穸鹊挠绊懓l(fā)生形變，因此是較好的填充材料。

圖3 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥體積穩(wěn)定性的影響

3.3 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥微觀形貌的影響

為探究泡沫玻璃粉增強(qiáng)氯氧鎂水泥的原因，分別采用SEM對空白試樣和3組泡沫玻璃粉添加量不同的MOC試樣的微觀形貌進(jìn)行表征，結(jié)果見圖4。圖4（a）為MOC凈漿試樣，（b）（c）（d）分別為10wt%、20wt%、30wt%泡沫玻璃粉摻量的氯氧鎂水泥試樣。從圖中可以看出，改性前后MOC中晶體形狀和結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。無任何添加的空白試樣中，結(jié)晶相復(fù)鹽的晶型細(xì)而長，晶體之間存在較大空隙，整體呈現(xiàn)較為松散的結(jié)構(gòu)。氯氧鎂制品成型脫模后，若長期處于高溫高濕的環(huán)境下，由于制品中殘留的游離氯化物易潮解，水分容易在材料表面或沿毛細(xì)孔進(jìn)入材料內(nèi)部參與潮解，形成的潮解液在表面聚集或從內(nèi)部滲出形成水珠。因此若MOC硬化過程中產(chǎn)生的孔隙較多，除了會導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低，還會引發(fā)水珠、白霜等問題，加劇氯氧鎂水泥制品的吸潮返鹵。結(jié)果顯示改性試樣的晶體晶型更寬更扁平，與添加物相互搭接、緊密堆積，留存的孔隙較小，這使得產(chǎn)物的抗折抗壓強(qiáng)度有所提高。

圖4 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥微觀形貌的影響

3.4 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥物相組成的影響

利用XRD對空白試樣與實(shí)驗(yàn)試樣進(jìn)行物相組成分析，表征結(jié)果見圖5。對比四組試樣的譜圖，可以得出：添加泡沫玻璃粉后物相組成未發(fā)生明顯變化，均為主要產(chǎn)物結(jié)晶相復(fù)鹽5Mg(OH)·MgCl·8HO 和 3Mg(OH)·MgCl·8HO，以及少量Mg(OH)和未完全反應(yīng)的MgO。這說明加入泡沫玻璃粉并未改變氯氧鎂體系的物相組成，體系生成的主要產(chǎn)物仍然相同。因此推斷MOC試樣力學(xué)性能方面的增強(qiáng)主要來源于泡沫玻璃粉的填充作用，即物理方面的意義。

圖5 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥物相組成的影響

4 結(jié)語

①泡沫玻璃絕熱、防潮、防火，其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的邊角廢料也可以磨成粉未添加到水泥等膠凝材料中成為輕質(zhì)骨料，成本低廉、環(huán)保節(jié)能。

②泡沫玻璃粉能夠改善氯氧鎂水泥的力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性，當(dāng)摻入量為20wt%左右時(shí)，其抗折強(qiáng)度可達(dá)17.3MPa，抗壓強(qiáng)度53.4MPa，收縮率0.038%，膨脹率0.499%，總體提升較高。

③將泡沫玻璃粉加入氯氧鎂體系中，能夠顯著改善樣品的微觀形貌，有效填充孔隙，提高試樣密實(shí)性，進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能。

致謝：感謝中國科學(xué)院光伏與節(jié)能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。