氯氧鎂水泥作保溫材料性能研究綜述

孫金碩，張帥珂，王宇琪

（1.沈陽工業(yè)大學，遼寧 沈陽 110870；2.中交一公局集團第七工程有限公司，河南 三門峽 472000；3.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

1 引言

氯氧鎂水泥（MOC），又稱索瑞爾水泥，是由法國人Sorel于1867年發(fā)明的一種氣硬性膠凝材料。此種水泥較硅酸鹽水泥具有凝結(jié)硬化快，容重輕，導(dǎo)熱系數(shù)低和耐高低溫等明顯優(yōu)勢［1］，但因其耐水性能過差，易吸潮反鹵和變形，只能應(yīng)用于一些簡易的非永久結(jié)構(gòu)和裝飾結(jié)構(gòu)。隨著學者研究的不斷深入，MOC的可應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，在解決耐水性能缺陷之后，保溫材料方面也得到了一定的應(yīng)用。

2 耐水性能

在國內(nèi)外研究中，MOC的抗水外加劑大致分為有機、無機和礦物質(zhì)三種類型的改性劑，這三種不同類型的改性劑對提高MOC耐水性能的方式如下表所示。而對于無機類改性劑，主要是在MOC凝結(jié)硬化后產(chǎn)生的5相和3相表面形成保護膜包裹，避免其與水分接觸而溶解，造成強度嚴重降低而破壞。以下就無機酸中磷酸（H3PO4）對MOC耐水性能產(chǎn)生的影響進行詳細闡述。

2.1 MOC水解過程

耐水性是氯氧鎂水泥制品的一大缺陷。氯氧鎂水泥在100℃以下的MgOMgCl2-H2O體系中，比較穩(wěn)定的存在相為“5·1·8”相（5Mg(OH)2-MgCl2-8H2O）和“3·1·8”相（3Mg(OH)2-MgCl2-8H2O）兩種，因為“5·1·8”相強度相對較高，故一般水泥水化相均以“5·1·8”相為主。而水化相“5·1·8”在水中分解的過程化學方程式［2］：

也就是由“5·1·8”相水解為“3·1·8”相+Mg(OH)2，而后對“5·1·8”相進行水解，然后就會出現(xiàn)游離Cl-離子和Mg2+離子，兩種離子的出現(xiàn)有利于晶體的生長，逐漸形成較大的細長針柱狀的晶體，這種形狀的晶體會導(dǎo)致制品內(nèi)部松散，孔隙增多［3］。簡單來說，隨著氯氧鎂水泥制品在水中逐步的分解，相應(yīng)的孔隙率也隨之增大。

2.2 耐水外加劑

在提高耐水性方面，可以采用外加劑來阻止“5·1·8”相向“3·1·8”相轉(zhuǎn)化，從而控制進一步水解。有研究［4～5］采用了磷酸作為抗水外加劑。這主要是因為磷酸可以對氯氧鎂水泥中的Cl-離子溶出產(chǎn)生一個抑制作用，磷酸中[PO4]3-與氯氧鎂水泥中的Mg2+和CaO等反應(yīng)生成難以溶解的晶相和凝膠相，這兩種物相可以將水泥中水化產(chǎn)物包裹，水泥中的短棒狀“5·1·8”相晶體占多數(shù)，減少了水泥結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶接觸點，減少了Cl-離子溶出擴散，提高了氯氧鎂水泥在水中浸泡的穩(wěn)定性，氯氧鎂水泥的耐水性能也得以提高。

提高MOC耐水性能方式

馮扣寶等［6］采用XRD等對添加磷酸后的試件與空白件進行了對比分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改性之后的5相晶體，由短粗針柱的外形轉(zhuǎn)變的細小且圓滑，進而導(dǎo)致添加磷酸后的MOC強度有一定的降低，但是產(chǎn)生的磷酸鎂保護膜阻止了水化產(chǎn)物5相和3相的水解。分析認為(PO4)3-離子與Mg2+離子配位使得5相可以在較少的Mg2+中形成，進而保證了5相的穩(wěn)定性。Qianqian Ye等［7］也認為提高耐水性的機理與保護不溶性產(chǎn)物的5相晶體和將針狀5相晶體轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀5相晶體密切相關(guān)。

而Hui Guan等［8］分析認為磷酸的加入會改變5相晶體結(jié)構(gòu)，會由單束晶體轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗍w的集合，減少了晶體與水接觸的面積，進而提高耐水性能。

孫恩禹［9］和Xiao Yang Chen［10］研究了磷酸對MOC水化產(chǎn)生的影響，并表明摻加磷酸會起到延緩水化的效果，分析認為磷酸在活性氧化鎂表面形成一層[H2PO4→Mg(OH)(H2O)x-1]（n為配位數(shù)）憎水膜而阻礙了水泥的正常水化，進而延緩了MOC的初凝和終凝時間。

3 輕質(zhì)保溫性

提高氯氧鎂水泥的保溫性能，可以摻加發(fā)泡劑。材料內(nèi)部因為發(fā)泡劑的影響產(chǎn)生均勻的封閉氣泡，可以降低導(dǎo)熱系數(shù)，提高保溫性能。發(fā)泡劑有物理和化學兩種類型，物理發(fā)泡劑一般分為松香類、動植物蛋白類、合成表面活性劑和復(fù)合類等五種發(fā)泡劑［11］。

鄭衛(wèi)新［12］對物理發(fā)泡劑與化學發(fā)泡劑分別摻入氯氧鎂水泥中進行了對比試驗。在漿料中摻入化學發(fā)泡劑后，發(fā)泡劑周圍就會產(chǎn)生氣體壓力，隨著這種氣體壓力增大，就會產(chǎn)生泡沫，因為泡沫的大小不一，泡沫內(nèi)的氣體壓強也不同，兩泡沫相遇后較小泡沫中的氣體就會并入較大泡沫中，形成更大的泡沫。隨著泡沫的不斷增大，周圍漿體在自重的影響下開始下沉，大泡沫就會上升。當水泥凝結(jié)后，泡沫就形成了氣孔，形成的水泥內(nèi)部氣孔就出現(xiàn)了上下不均勻的現(xiàn)象。而物理發(fā)泡劑在摻入到水泥中后，需要進行攪拌，發(fā)泡劑在水泥中已經(jīng)呈均勻分布，內(nèi)部產(chǎn)生的氣孔保持均勻。相比之下，選用物理發(fā)泡劑可以更好地提高水泥的力學性能和保溫性能。同時把動植物蛋白類發(fā)泡劑與十二烷基類、月桂酸類和松香類三種物理發(fā)泡劑進行了試驗對比。相對于其他三種物理發(fā)泡劑，動植物蛋白類發(fā)泡劑具有強度高、氣泡小、氣泡形狀圓且機械性能好等優(yōu)點。水泥內(nèi)部氣孔小且分布均勻的氣泡孔壁結(jié)構(gòu)較厚，有較好的力學性能，保證了材料強度且保溫性能也較好。

在對制備氯氧鎂水泥泡沫保溫板所摻加的添加劑研究中，李瑞芬［13］采用水解動物蹄角粉作為發(fā)泡劑，然后在發(fā)泡劑原液中摻入不同的穩(wěn)泡劑和表面活性劑進行了對比研究。最終根據(jù)幾種不同穩(wěn)泡劑及摻量復(fù)配的發(fā)泡劑對發(fā)泡的倍數(shù)和穩(wěn)泡的時間的影響進行全面考慮，最終得出加入FeCl3穩(wěn)泡劑的發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)和穩(wěn)泡時間效果較好，而且在摻量為穩(wěn)泡劑的0.6%時效果最好，導(dǎo)熱系數(shù)達到0.05W/（m·K）。

除了摻加發(fā)泡劑產(chǎn)生氣泡來提高氯氧鎂水泥的保溫性能，還可以添加EPS聚苯乙烯發(fā)泡顆粒，其本身就是一種保溫材料，而且還有輕質(zhì)、耐水和耐力學沖擊等優(yōu)點。陳后維［14］加入EPS聚苯乙烯發(fā)泡顆粒做試驗分析，雖然在氯氧鎂水泥中摻入這種材料會導(dǎo)致強度降低，而對于應(yīng)用保溫的材料對其本身的強度要求并不高，而且在EPS聚苯乙烯發(fā)泡顆粒摻量達到1.3%左右水泥強度的降低速度就會緩慢，所以摻入合適的比例，不會對氯氧鎂水泥應(yīng)用于消防管道保溫材料產(chǎn)生太大的不利影響。相反，摻入合適的EPS聚苯乙烯發(fā)泡顆粒的氯氧鎂水泥的容重大大降低，保溫性能有所提高。

在氯氧鎂水泥中添加動植物蛋白類發(fā)泡劑或是摻入EPS聚苯乙烯發(fā)泡顆粒，都能夠很大程度提高保溫性能，材料變得更加輕質(zhì)，符合作為保溫材料的要求。

4 其他性能

快凝是MOC的一個優(yōu)勢。氯氧鎂水泥的硬化速度相當于快硬水泥，初凝時間為35min～45min，終凝時間50min～60min，一般在4h～8h內(nèi)就可以達到脫模強度，說明水泥在很短時間內(nèi)就可以凝固，而強度足夠就可以進行應(yīng)用。

MOC還具有極好的耐火阻燃效果。如果因某種原因發(fā)生火災(zāi)，其在受熱后不會產(chǎn)生有毒氣體或物質(zhì)，不會對人員造成傷害。

5 結(jié)語

在研究學者對于以氯氧鎂水泥為基礎(chǔ)摻加外加劑或摻料用作保溫材料的研究中，改善了MOC本身的耐水性差的問題。提高了材料的保溫性能，達到了制備保溫材料的要求。阻燃耐高溫和低溫性能，可以避免因保溫材料不耐高溫而燃燒，產(chǎn)生煙霧或有毒氣體對人們造成傷害，同時也避免了制備保溫材料過程中，環(huán)境、溫度等因素對其性能造成的不利影響。