沙粒粒徑及摻量對氯氧鎂水泥性能的影響研究

摘 "要：氯氧鎂水泥是由氯化鎂溶液調(diào)和輕燒氧化鎂粉制成的氣硬性膠凝材料，是固廢再利用的重要手段，但其成本高、耐水性較差等問題限制其大規(guī)模應(yīng)用。天然沙粒作為摻料制備氯氧鎂水泥，可以大幅降低成本，但其沙粒粒級(jí)及摻料如何影響氯氧鎂水泥的性能還不清楚。以不同粒徑（80～120目、40～80目、0.5～1 mm）天然沙粒作為摻料，并進(jìn)行不同配比（沙漠沙∶氯氧鎂水泥=1∶1、1∶3、1∶5、1∶7）后的材料性能分析。結(jié)果表明，摻入不同粒徑與摻量的沙漠沙能夠改善氯氧鎂水泥的力學(xué)性能，當(dāng)粒徑為0.5～1 mm，摻入量為1∶1時(shí)，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)281.04 MPa，總體提升較高；將天然沙漠沙加入氯氧鎂水泥中，能夠明顯改善氯氧鎂水泥的微觀形貌，有效填充孔隙，提高密實(shí)性，進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能；在氯氧鎂水泥中加入天然沙漠沙產(chǎn)生新的物相，并且加入天然沙漠沙可有效地提升氯氧鎂水泥的凝固速度和抗壓強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：氯氧鎂水泥；沙粒粒徑；沙粒摻量；力學(xué)強(qiáng)度；微觀形貌；物相組成

中圖分類號(hào)：TQ172.4 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " nbsp; "文章編號(hào)：2095-2945（2023）20-0105-04

Abstract： Magnesium oxychloride cement is a kind of air-hard cementitious material made from magnesium chloride solution mixed with lightly burned magnesia powder. It is an important means of solid waste reuse， but its large-scale application is limited by its high cost and poor water resistance. The preparation of magnesium oxychloride cement with natural sand as admixture can greatly reduce the cost， but how the sand particle size and admixture affect the performance of magnesium oxychloride cement is not clear. The material properties were analyzed after different proportions （desert sand∶magnesium oxychloride cement = 1∶1， 1∶3， 1∶5， 1∶7） with different particle sizes （80～120 mesh， 40～80 mesh， 0.5～1 mm）. The results show that the mechanical properties of magnesium oxychloride cement can be improved by adding different particle size and content of desert sand， and the compressive strength can reach 281.04 MPa when the particle size is 0.5～1 mm and the content is 1∶1. The addition of natural desert sand to magnesium oxychloride cement can obviously improve the micro-morphology of magnesium oxychloride cement， effectively fill pores， improve the compactness and further improve the mechanical properties of the material. Natural desert sand is added to magnesium oxychloride cement to produce a new phase， and natural desert sand is added to effectively improve the solidification rate and compressive strength of magnesium oxychloride cement.

Keywords： magnesium oxychloride cement; sand particle size; sand content; mechanical strength; micro-morphology; phase composition

氯氧鎂水泥（magnesium oxychloride cement，簡稱MOC）又被稱作鎂水泥、索瑞爾水泥等，是由氯化鎂溶液調(diào)和輕燒氧化鎂粉制成的氣硬性膠凝材料，具有強(qiáng)度高、黏結(jié)性能好、凝結(jié)硬化快、耐腐蝕、耐磨性好和阻燃性好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在高溫和嚴(yán)寒氣候中均具有良好的穩(wěn)定性。我國擁有眾多鹽湖，可以提取大量含氯化鎂廢料作為生產(chǎn)氯氧鎂水泥的原材料，不僅可以降低生產(chǎn)成本，還可有效解決“鎂害”等問題以保護(hù)環(huán)境[3]。但是，在氯氧鎂水泥的應(yīng)用過程中，逐漸發(fā)現(xiàn)了鎂水泥材料制品的性能缺陷，主要表現(xiàn)為耐水性差、早期制品表面的返鹵泛霜、銹蝕金屬構(gòu)件和翹曲變形等問題[4]；同時(shí)其制作成本較高，大大限制了氯氧鎂水泥其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用。為克服其弊端，使氯氧鎂水泥在土木工程材料領(lǐng)域上廣泛使用，國內(nèi)外學(xué)者對氯氧鎂水泥及其制品進(jìn)行了深入研究[5-10]。

Liu等[2]以苛性菱鎂礦和白云石為原料，制備了不同活性氧化鎂含量的氯氧鎂水泥，利用X射線衍射（XRD）和結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）對MOC進(jìn)行分析。經(jīng)研究驗(yàn)證，MOC的耐水性系數(shù)與水化反應(yīng)和水解反應(yīng)的平衡有關(guān)；目前國內(nèi)外改善鎂水泥耐水性的主要方法為：保護(hù)其水化產(chǎn)物相結(jié)構(gòu)，改善其孔結(jié)構(gòu)，各位研究人員則針對MOC的改性進(jìn)行了各項(xiàng)試驗(yàn)研究，提出MOC的改性劑可分為無機(jī)物類改性、有機(jī)物類改性、活性礦物摻合料改性、纖維類改性等，各類改性劑基本上均有不錯(cuò)的改性效果[3]；王路明[4]利用苯丙乳液、硅丙乳液等高分子聚合物乳液對MOC進(jìn)行耐水改性，發(fā)現(xiàn)苯丙乳液對MOC耐水性的提高效果甚微，甚至?xí)沟肕OC原本的耐水性和強(qiáng)度下降，硅丙乳液對MOC性能的改善也十分具有局限性，當(dāng)其為3%時(shí)，MOC的軟化系數(shù)最大，也僅有0.69；Zuo等[5]采用硅丙乳液對稻草鎂水泥（straw-magnesium cement，簡稱SMC）復(fù)合材料的耐水性和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，研究表明，含6%硅丙乳液的SMC復(fù)合材料的斷裂模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和浸水后的強(qiáng)度保持系數(shù)均有顯著提高；陳雪霏等[6]則認(rèn)為苯丙乳液和MOC水化產(chǎn)物的互不相容，致使無法在5相表面形成致密有效的保護(hù)膜，而乳液又無法在MOC水化產(chǎn)物中完全分散，導(dǎo)致了5相水解；馮超等[7]采用聚羧酸減水劑對MOC進(jìn)行改性，不但改變了晶形，更是提高了MOC的結(jié)構(gòu)密實(shí)度，減少了水分子滲入，其耐水性得到明顯提升；利用樹脂減水劑，則可通過減少用水量，使MgCl2溶液保持較高的濃度，MOC得到良好的流動(dòng)性，顯著提高其干燥強(qiáng)度，從而獲得較高的浸水后殘余強(qiáng)度[8]；侯朋朋[9]研究了硅酸乙酯對MOC的改性效果，發(fā)現(xiàn)摻入硅酸乙酯后會(huì)生成水化硅酸鎂凝膠，填充了MOC硬化過程中形成的空隙，使得MOC的強(qiáng)度和耐水性提高；Zgueb等[10]還研究了不同摻量的聚醋酸乙烯酯聚合物（polyvinylacetate polymer，簡稱 PVAc）對MOC熱性能的影響，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，PVAc的加入改善了MOC的隔熱性能，當(dāng)PVAc的摻量為10%時(shí)，對水泥的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的影響最小。

綜上，以往研究集中于關(guān)注固廢作為摻料進(jìn)行氯氧鎂水泥制備，而針對摻和沙漠沙制備氯氧鎂水泥的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究較少，進(jìn)行相關(guān)研究可為沙漠沙制備氯氧鎂水泥固沙板等技術(shù)應(yīng)用提供參考。其中，低成本摻料是近些年氯氧鎂水泥制備研究的關(guān)注重點(diǎn)，篩選低成本、高性能的摻料，并確定合適的配比，可為氯氧鎂水泥的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。然而，目前對氯氧鎂水泥摻料的研究集中于礦物摻合料及秸稈等，而對存儲(chǔ)量極大的天然沙漠沙制備氯氧鎂水泥的關(guān)注較少。天然沙漠沙存儲(chǔ)量大，成本低，可作為氯氧鎂水泥的摻合料。同時(shí)，摻和沙漠沙制備氯氧鎂水泥后用于制作固沙板，可以節(jié)省原材料的制作、運(yùn)輸成本，同時(shí)提高治沙效率。以往研究并未關(guān)注類似天然沙漠沙摻量對氯氧鎂水泥制備效果的影響，野外環(huán)境中天然沙漠沙的粒徑分布不一，摻和不同粒徑的沙漠沙對氯氧鎂水泥的制備效果有何種影響還有待研究，解答這一問題可以為摻和沙漠沙制備氯氧鎂水泥的技術(shù)指標(biāo)提高及工藝水平提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 "研究方法

1.1 "沙粒粒徑與摻量

將氯化鎂與水以250 g∶500 ml的比例混合成氯化鎂溶液，分別倒入與不同粒徑沙粒（80～120目、40～80目、0.5～1 mm）與氧化鎂粉末不同比例（1∶1、1∶3、1∶5、1∶7）混合的容器中，并攪拌均勻。在100 mm*100 mm*100 mm的試模中澆鑄成型（各8個(gè)重復(fù)樣品），將漿料中的氣泡充分振蕩，用抹刀抹去表面多余的漿料，在室溫下固化24 h。然后，將樣品從模具中取出，置于室外繼續(xù)進(jìn)行光照養(yǎng)護(hù)28 d。

1.2 "性能測試

采用北京中科路達(dá)儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DYE-300型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)在不同粒徑實(shí)驗(yàn)的28 d后，測定不同粒徑沙粒（80～120目、40～80目、0.5～1 mm，各測3個(gè)）抗壓強(qiáng)度；取薄片狀及塊狀試樣，用掃描電子顯微鏡對其微觀形貌進(jìn)行表征；利用研缽將塊狀試樣研磨成粉末，借助X射線衍射儀（TD-3500X，丹東通達(dá)）進(jìn)行掃描，掃描范圍為5°～70°，掃描速率為2°/min，利用MDI Jade 6.5軟件進(jìn)行物相組成分析，用Origin做出標(biāo)準(zhǔn)卡片圖。

2 "結(jié)果與分析

2.1 "沙粒粒徑及摻量對氯氧鎂水泥力學(xué)性能的影響

氯氧鎂水泥的力學(xué)性能主要表征產(chǎn)品的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，本文實(shí)驗(yàn)用為脫模養(yǎng)護(hù)28 d后的試件，控制各組樣品養(yǎng)護(hù)濕度和溫度統(tǒng)一，比較各組的抗壓強(qiáng)度，以此探究沙粒粒徑及摻量對氯氧鎂水泥力學(xué)性能的影響。對比沙粒粒徑對氯氧鎂水泥強(qiáng)度的影響（表1），經(jīng)對比分析，隨著沙粒粒徑的增大，氯氧鎂水泥的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增加的趨勢，當(dāng)沙粒粒徑為0.5～1 mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)最大值，此時(shí)氯氧鎂水泥的力學(xué)性能最優(yōu)。

對比沙粒摻量對氯氧鎂水泥強(qiáng)度的影響（表2）可見，隨著沙粒摻量的增大，氯氧鎂水泥的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢，當(dāng)沙粒粒徑為1∶1時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)最大值，此時(shí)氯氧鎂水泥的力學(xué)性能最優(yōu)。

2.2 "沙粒粒徑及摻量對氯氧鎂水泥微觀形貌的影響

分析不同粒徑沙粒制備的氯氧鎂水泥微觀形貌特征（圖1），可見沙粒粒徑為0.5～1 mm的氯氧鎂水泥相較于40～80目、80～120目表現(xiàn)出更多形狀不一的晶型，晶體總體晶型更短更扁平，晶體間存留的空隙較小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，這使得MOC的抗壓強(qiáng)度更高。

分析不同摻量沙粒制備的氯氧鎂水泥微觀形貌特征（圖2），可見沙粒摻量為1∶1的氯氧鎂水泥相較于1∶3、1∶5、1∶7表現(xiàn)出更多形狀不一的晶型，晶體總體晶型更短更扁平，晶體間存留的空隙較小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，這使得MOC的抗壓強(qiáng)度更高。

2.3 "沙粒粒徑及摻量對氯氧鎂水泥物相組成的影響

分析不同粒徑沙粒制備的氯氧鎂水泥物相組成（圖3（a）），可見粒徑0.5～1 mm天然沙漠沙制備的復(fù)合材料主要組成包括SiO2、MgO2、MgO、CaCO3；粒徑為40～80目天然沙漠沙制備的復(fù)合材料主要組成包括Mg2SiO4、Mg5Si6、SiO2；粒徑為80～120目天然沙漠沙制備的復(fù)合材料主要組成包括Mg2SiO4、Mg2C3。

對不同摻量天然沙漠沙制備沙漠沙-氯氧鎂水泥復(fù)合材料物相組成分析發(fā)現(xiàn)（圖3（b）），不同摻量沙漠沙制備的沙漠沙-氯氧鎂水泥材料的化學(xué)成分相同，但含量不同，其中CaCO3、MgO化合物含量表現(xiàn)為摻量1∶1＞1∶3＞1∶5＞1∶7。0.5～1 mm天然沙漠沙制備的氯氧鎂水泥復(fù)合材料可以產(chǎn)生更為穩(wěn)定的CaCO3沉淀，因此抗壓強(qiáng)度高于40～80目及80～120目天然沙漠沙制備的氯氧鎂水泥復(fù)合材料；沙漠沙-氯氧鎂水泥為1∶1配比時(shí)產(chǎn)生的CaCO3沉淀量最高，因此制品強(qiáng)度更高。

3 "結(jié)論

1）摻入不同粒徑與摻量的沙漠沙能夠改善氯氧鎂水泥的力學(xué)性能，當(dāng)粒徑為0.5～1 mm，摻入量為1∶1時(shí)，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)281.04 MPa，總體提升最高。

2）將天然沙漠沙加入氯氧鎂水泥中，能夠明顯改善氯氧鎂水泥的微觀形貌，有效填充孔隙，提高密實(shí)性，進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能。

3）在氯氧鎂水泥中加入天然沙漠沙產(chǎn)生了新的物相，0.5～1 mm粒徑的天然沙漠沙制備的氯氧鎂水泥復(fù)合材料可以產(chǎn)生更為穩(wěn)定的CaCO3沉淀；沙漠沙-氯氧鎂水泥為1∶1配比時(shí)產(chǎn)生的CaCO3沉淀量最高。

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