木粉填充改性氯氧镁水泥的研究★

郭德禹 薛 伟*

(东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

·建筑材料及应用·

木粉填充改性氯氧镁水泥的研究★

郭德禹 薛 伟*

(东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

通过实验，研究了不同粒径的木粉在不同添加量下对氯氧镁水泥水化过程、抗压强度、抗折强度以及耐水性的影响，并对相应的实验过程作了介绍，得出的实验结果为更好的开发氯氧镁水泥基复合材料奠定了理论基础。

氯氧镁水泥，木粉，水化，强度，耐水性

0 引言

氯氧镁水泥(简称“MOC”)是一种“MgO—MgCl2—H2O” 三元体系组成的气硬性胶凝材料，其主要成分为碱式氯化镁，可以用通式Mgx(OH)Cl·nH2O 表示，它不同于普通硅酸盐水泥[1,2]。因其于1867 年由法国人索瑞尔(Sorel)发明，又称索瑞尔水泥[1-3]。

传统的纤维增强复合材料是由聚丙烯纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维或碳纤维等化学纤维组成，它们一般都存在着耗能大、造价高、污染环境等问题[4]。而随着人民生活水平的日益提高，环保意识的增强，天然植物纤维作为纤维增强材料越来越得到了相关行业专家学者的关注。作为天然纤维来源之一的木质剩余物在工业生产中往往被视为废弃物而大量焚烧，既浪费资源又污染了环境，不能得到有效的利用。制备水泥基植物纤维复合材料是一种有效利用木质剩余物的途径[4,5]。植物纤维作为氯氧镁制品的填充增强材料具有减轻材料的自重，提高材料的保温、隔热性能和抗冲击强度等功能。

本文主要研究不同粒径的木粉在不同添加量下对氯氧镁水泥水化过程、抗压强度、抗折强度以及耐水性的影响。为更好的开发氯氧镁水泥基复合材料提供了一定的理论基础，同时为木质剩余物的有效利用提供了新的途径。

1 实验部分

1.1 原材料

1)氧化镁(MgO)：本次实验采用的氧化镁是由辽宁某公司生产的85粉，采用水合法[6]测定了MgO的含量为82.32%，活性氧化镁的含量为62.20%，烧失量6.01%。

2)氯化镁(MgCl2):本次实验采用的氯化镁是由辽宁某公司生产的无水氯化镁，采用滴定实验法[7]测定了MgCl2的含量为97.42%，用蒸馏水配置成22波美度的卤水。

3)木粉的处理制备：本实验制备的木粉粗细度在80目～10目之间，为杨木树种。使用前对木粉进行干燥处理，干燥箱温度控制在80 ℃±5 ℃之间[8]，干燥时间8 h。

1.2 方法

本实验基础配方中MgO与MgCl2的摩尔配比为7∶1。实验过程中，将不同粒径的木粉按不同的添加量填充到氯氧镁水泥基体中，制备木粉/氯氧镁水泥复合材料试件。使用电子万能试验机测试试件的抗压强度、抗折强度，使用TAM Air微量热仪[9]测定氯氧镁水泥的水化放热速率曲线。

2 结果分析与讨论

2.1 木粉对氯氧镁水泥水化的影响

将通过20目筛网而留在40目筛网上的木粉按基础配方中氧化镁有效含量的20%添加到基础配料中进行混合搅拌，待充分搅拌均匀后，将搅拌均匀的混合物置入到恒温槽中，在22 ℃的恒温环境中连续24 h跟踪观察水化温度的变化，实验结果见图1。

文静、余红发等[10]指出氯氧镁水泥的水化放热过程可划分为5 个阶段，分别为起始期(OA)、诱导期(AB)、加速期(BC)、减速期(CD)和稳定期(DE)。 由图1可知，添加木粉后氯氧镁水泥的水化放热曲线与纯氯氧镁水泥的水化放热曲线相比变化趋势基本保持不变，最高水化温度由87.1 ℃降为60.8 ℃，降低了16.3 ℃，达到最高水化温度的时间基本维持在10 h左右。添加木粉后氯氧镁水泥水化历程中起始期、诱导期、加速期所消耗的时间与纯氯氧镁水泥在这三个水化阶段所消耗的时间基本相同，在减速期的放热速率与纯氯氧镁水泥放热速率相比更加趋于平缓，在稳定期的温度比纯氯氧镁水泥降低了2 ℃左右。

2.2 木粉对氯氧镁水泥力学性能的影响

2.2.1 木粉添加量对氯氧镁水泥强度的影响

将通过20目筛网而留在40目筛网上的木粉按基础配方中氧化镁有效含量的10%，20%，30%，40%，50%添加到基础配料中进行混合搅拌，待充分搅拌均匀后，浇筑到40 mm×40 mm×160 mm模具中制备木粉/氯氧镁水泥复合材料试样，在标准养护条件下养护28 d后测试试样的抗压强度、抗折强度，实验结果见图2。

由图2可知，随着木粉添加量的增加，木粉/氯氧镁水泥复合材料的抗压强度明显降低，抗折强度明显升高。由于木材主要是由纤维素、半纤维素、木质素三种聚合物组成，而半纤维素的含量约占20%～30%，其吸湿性、润胀能力比纤维素大得多[11]，导致木粉的吸水性较高。而随着木粉添加量的增加，在料浆制备过程中大大增加了用水量，导致复合材料内部出现孔隙、密实度降低，复合材料的抗压强度显著下降。另一方面，随着木粉添加量的增加，木粉会均匀填充到“MgO—MgCl2—H2O”三元体系所形成的“骨架”中，提高了复合材料的韧性，其抗折强度也随之增加。综合分析可知，木粉添加量在20%～30%之间时，木粉/氯氧镁水泥复合材料存在较高的抗压强度值和抗折强度值。

2.2.2 木粉粒径对氯氧镁水泥强度的影响

将通过10目筛网而留在80目筛网上的木粉分成4组，即80目～60目、60目～40目、40目～20目、20目～10目，按基础配方中氧化镁有效含量的20%添加到基础配料中进行混合搅拌，待充分搅拌均匀后，浇筑到40 mm×40 mm×160 mm模具中制备木粉/氯氧镁水泥复合材料试样，在标准养护条件下养护28 d后测试试样的抗压强度、抗折强度，实验结果见图3。

由图3可知，随着木粉粒径的增加，木粉/氯氧镁水泥复合材料的抗压强度呈下降趋势，但下降不明显，抗折强度却明显升高。不同粒径的木粉在复合材料中的分散程度是不同的，一般粒径较小的木粉的分散程度较高[12]。随着木粉粒径的增大，木粉在氯氧镁水泥中的分散程度就越低，导致木复合材料内部孔隙分布不均匀、密实度越低，材料的抗压强度也随之下降。另一方面，木粉粒径越大，木粉的长径比就越大[13]，纤维长度也越长，木粉填充到氯氧镁水泥中MgO—MgCl2—H2O三元体系所形成的骨架中对增加木粉/氯氧镁水泥复合材料的韧性就越明显，复合材料的抗折强度明显增大。综合分析可知，木粉粒径在40目～20目之间时，木粉/氯氧镁水泥复合材料存在较高的抗压强度值和抗折强度值。

2.3 木粉对氯氧镁水泥耐水性的影响

软化系数是用来表征材料耐水性的一个重要指标。选取上述2.2.1中所制备的试样(已在标准养护条件下养护完成)，6块相同的试样为一组，每组测试其中3块试件的抗压强度(取平均值K0)，将另3块试件完全浸泡在水中，7 d后取出，测试其抗压强度(取平均值K1)，试件的软化系数K采用下式进行计算：

K=K1/K0。

根据上式计算出木粉添加不同时氯氧镁水泥的软化系数，绘制图4。由图可知，随着木粉添加量的增加，氯氧镁水泥的软化系数不断减小，氯氧镁水泥的软化系数下降率由快到慢，在添加量为20%时出现转折点；当木粉添加量达到20%时，软化系数下降速率加快，随着木粉添加量的增加，软化系数下降速率逐渐减慢。综合分析可知，由于木粉的高吸水性，导致了复合材料内部孔隙率增大，在泡水过程中会吸收较多的水分，导致了材料抗压强度降低，复合材料的耐水性下降。

3 结语

1)添加木粉后，氯氧镁水泥的水化历程达到最高水化温度的时间基本保持不变，但最高水化温度降低了16.3 ℃。

2)随着木粉添加量的增加，木粉/氯氧镁水泥复合材料的抗压强度明显降低，而抗折强度显著增大，木粉添加量在20%～30%之间较为适宜。

3)随着木粉粒径的增大，木粉/氯氧镁水泥复合材料的抗压强度随之下降，但下降不明显，然而抗折强度却显著增大，木粉粒径在40目～20目之间较为适宜。

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Research on modified magnesium oxychloride cement filled with wood flour★

Guo Deyu Xue Wei*

(CollegeofEngineeringandTechnology,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Through the experimental researched the influence of wood flour with different particle size under different addition amount to magnesium oxychloride cement process, compressive strength, flexural strength and resistance water, introduced the corresponding experimental process, the gained experimental results laid theoretical foundation for the better development of magnesium oxychloride cement composite materials.

magnesium oxychloride cement, wood flour, water, strength, water resistance

2015-02-12★:黑龙江省教育厅科学技术研究资助项目(项目编号：11553031)

郭德禹(1991- )，男，在读硕士

薛 伟(1962- )，男，博士，教授

1009-6825(2015)12-0102-02

TU528

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