外加劑對硫氧鎂水泥的性能影響

閆浩康，王 碩，袁建國，袁興棟，岳雪濤

(山東建筑大學材料科學與工程學院，山東 濟南 250101)

1 概述

硫氧鎂水泥(Magnesium Oxysulfate Cement)最早是由學者Demediuk[1]提出的菱鎂水泥的一種，是由活性氧化鎂、七水硫酸鎂溶液和一定比例的外加劑混合攪拌，凝結硬化而形成硫氧鎂水化物。硫氧鎂復合水泥具有原料質地輕，凝結速度快的巨大優(yōu)勢，與其他氯氧鎂復合水泥相比硫氧鎂水泥防腐耐水性能更好，返鹵泛霜較輕，不容易對水泥的鋼筋基體進行銹蝕作用[2]。但硫氧鎂水泥的機械強度低、耐水性差的缺陷限制了硫氧鎂水泥的大規(guī)模工業(yè)化應用。

本文以檸檬酸、磷酸三鈉和三聚磷酸鈉為外加劑對硫氧鎂水泥進行改性處理，對改性后的硫氧鎂水泥進行力學性能測試，并對其水化產物進行物相分析和晶相分析。

2 試驗

2.1 原材料

七水硫酸鎂：采用山西省南風集團生產的99.0%純度的七水硫酸鎂，化學式為MgSO4·7H2O，分子量為246.47，為白色或無色透明的針狀或斜柱狀結晶體，易溶于水。

輕燒氧化鎂：采用遼寧省海城市生產的85型輕燒氧化鎂，利用水合法測定的活性氧化鎂(α-MgO)的質量分數(shù)為47%，為淡黃色或白色粉末。

檸檬酸：采用由國藥集團化學試劑有限公司生產的分析純一水合檸檬酸(C6H8O7·H2O)，分子量210.14，為無色結晶或白色顆粒，易溶于水。

磷酸三鈉：采用由國藥集團化學試劑有限公司生產的分析純試劑，化學式為Na3PO4，分子量為164.26，為無色至白色針狀結晶或結晶性粉末，易溶于水。

三聚磷酸鈉：采用由國藥集團化學試劑有限公司生產的分析純試劑，化學式Na5P3O10，相對分子質量367.86，為白色粉末狀結晶，易溶于水。

水：濟南市自來水。

2.2 試驗方法

稱取一定質量的輕燒氧化鎂粉，與一定濃度的硫酸鎂溶液混合，充分攪拌后倒入水泥膠砂攪拌鍋內先慢速攪拌60 s，后轉快速攪拌120 s，把漿體注入40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)水泥膠砂試模中，在(20±3)℃、相對濕度為(60±10)%的條件下養(yǎng)護，1 d后脫模，然后繼續(xù)在該條件下養(yǎng)護至規(guī)定齡期，然后進行力學性能測試，以及X射線衍射和掃描電鏡測試。具體配比及外加劑摻量見表1，其中A為檸檬酸，B為磷酸三鈉，C為三聚磷酸鈉。

表1 硫氧鎂水泥配合比設計

3 結果與討論

3.1 外加劑對硫氧鎂水泥力學性能的影響

圖1為各配比水泥試件分別在3 d,7 d和28 d時的抗折強度和抗壓強度。由圖可知，單摻入外加劑A的硫氧水泥試塊，其抗壓強度和抗折強度均遠遠大于單摻外加劑B和單摻外加劑C的試塊強度。由圖1(a)可知，外加劑A與B和C復摻試件的抗折強度幾乎在所有養(yǎng)護齡期都高于外加劑B和外加劑C單摻時的強度。由圖1(b)可知，單摻外加劑A的試件早期抗壓強度較高，而在28 d時外加劑A分別與B和C復摻試件的抗壓強度均超過各外加劑單摻時試件的強度。

在單摻一種外加劑的方案中，單摻外加劑A的效果最好，其抗折強度較高，抗壓數(shù)據也比較理想。外加劑單摻B或者C的抗折抗壓強度較小，但與外加劑A復摻后卻有了較大提升。圖1顯示，各組試件中單摻外加劑A時水泥抗折能力最高，可達11.25 MPa；當外加劑A與B的摻量摩爾比為1∶3時，水泥抗壓能力最高，可達92.23 MPa。

3.2 外加劑對硫氧鎂水泥水化產物的影響

如圖2所示，為各配合比試件在7 d，28 d時X射線衍射圖。從圖中可以看出單摻外加劑A以及含有外加劑A的試件均生成了5·1·7相，單摻外加劑B和C的試件在7 d和28 d時均只有氫氧化鎂生成，所以單摻外加劑B和C時水泥試件強度最低。圖2中顯示，摻入不同配比的外加劑后，水泥試件并沒有5·1·7相外的新強度相生成。由圖2(b)可以看出，試件在養(yǎng)護時間達到28 d時，含有外加劑A的試件5·1·7相晶體衍射峰強度較7 d均大大增強，而單摻外加劑B和C的試件水化物依然以氫氧化鎂為主，并結合圖1可以判斷外加劑A是硫氧鎂水泥生成5·1·7相的必要條件。

3.3 外加劑對硫氧鎂水泥微觀形貌的影響

圖3為各配比硫氧鎂水泥試件的28 d掃描電鏡圖，從圖3(a)中可以看出單摻外加劑A的試件生長有一簇簇的5·1·7相針狀晶體，并且晶體長度在40 μm左右；圖3(b)則顯示單摻外加劑B的試件僅有板狀氫氧化鎂生成，并未有針狀晶體生成；圖3(c)為單摻外加劑C的試件，圖中顯示片狀氫氧化鎂和短棒狀碳酸鎂晶體緊密生長，并未有5·1·7相生成；圖3(d)和圖3(e)分別為外加劑A和外加劑B,C分別復摻的水泥試件，可以看出，兩者均有針狀5·1·7相生成，并且A1B1生成的針狀晶體更加密集，A1C1則是針狀5·1·7相和短棒狀碳酸鎂相互交織。圖3同時證明了外加劑A是硫氧鎂水泥生成5·1·7相的必要條件，摻入外加劑B和C的水泥試件水化產物依然以氫氧化鎂為主。

4 結論

1)檸檬酸單摻能夠提高硫氧鎂水泥的強度，磷酸三鈉和三聚磷酸鈉單摻時對硫氧鎂水泥的影響較小，當檸檬酸和磷酸三鈉或三聚磷酸鈉復摻時試件強度可以超過單摻檸檬酸。

2)檸檬酸能夠促進硫氧鎂水泥生成5·1·7相，而三聚磷酸鈉和磷酸三鈉會促進硫氧鎂水泥生成氫氧化鎂。

3)當檸檬酸與磷酸三鈉摩爾比為1∶3時，硫氧鎂水泥試件28 d抗壓強度提升效果最好。