改性硫氧镁胶凝材料原材料配比的研究

王明英，张兴福，王自福，刘亚丽，陈俊薇，王勇（山东省建筑科学研究院，山东 济南　250031）



改性硫氧镁胶凝材料原材料配比的研究

王明英，张兴福，王自福，刘亚丽，陈俊薇，王勇
（山东省建筑科学研究院，山东 济南250031）

研究了一种新型镁质胶凝材料——改性硫氧镁胶凝材料的原材料配比，结果表明，经改性的硫氧镁胶凝材料具有很好的力学性能和抗水性，在硫酸镁溶液浓度为1.26 g/cm3，氧化镁和硫酸镁摩尔比为10.62，改性剂掺量为1.0%时，制备的净浆试块有最佳的力学性能和抗水性。

硫氧镁；胶凝材料；配比；力学性能

0　引言

镁质胶凝材料是以氧化镁、氯化镁（或硫酸镁、磷酸镁）和水为原料，经添加增强材料、填料和改性剂而形成的胶凝材料。镁质胶凝材料包含氯氧镁、硫氧镁、磷酸镁3类，常见的为氯氧镁类及硫氧镁类，磷酸镁类凝结时间短、强度高，但由于其成本高，目前仅在工程抢险、抢修和军工领域使用。氯氧镁及硫氧镁胶凝材料制品具有生产成本低、强度高、耐火性能强等优点，常被替代木材或作为其它建材广泛应用。

镁质胶凝材料属不燃材料，耐火极限可达1～4 h，耐火温度和时间要明显高于水泥甚至钢材，且在阻燃过程中没有有害气体排放，可以达到最高防火不燃级别（A1级）。

镁质胶凝材料的原材料之一氧化镁来源于菱镁矿轻烧，而我国菱镁矿石资源丰富，矿石储量和品位居世界第一。另一个主要原料氯化镁主要来源于沿海地区大型盐化工企业的剩余物（过去是向海洋排放）和盐湖地区提取钾盐后大量的副产物光卤石母液。同时，菱镁制品可以以废渣（如刨花、锯粉、粉煤灰、矿渣等）、农业废弃物（秸秆粉、稻壳粉等）为填料，制品中不含石棉、有机挥发物、无放射性物质，且菱镁制品在制作过程中无三废排放，低碳，环保，属国家鼓励的绿色建材产品。

氯氧镁胶凝材料在国内外研究和应用较早，技术也比较成熟，目前已经广泛应用到建筑、建材、装饰等领域。但因其含氯离子，在生产中难免会有游离的氯离子存在于制品中，造成吸潮返卤、腐蚀钢筋等现象，影响其在某些领域的应用。

硫氧镁胶凝材料在国内的研究近几年得到突破，未改性的硫氧镁胶凝材料强度低，抗水性差，且易产生裂纹；经改性后的硫氧镁胶凝材料强度和抗水性大大提高，强度可以达到氯氧镁胶凝材料的80%～100%，软化系数达到0.80以上，甚至超过1.0。并且由于不含氯离子，制品不会有吸潮返卤的现象，对钢筋的腐蚀程度也有很大程度的降低，因此改性硫氧镁胶凝材料有更广阔的应用前景。

本文主要研究改性硫氧镁胶凝材料中氧化镁和硫酸镁不同摩尔比的影响，找出最佳配比。

1　实验

1.1实验原料

轻烧氧化镁为海城华丰镁业矿产品有限公司生产，性能指标见表1，符合WB/T 1019—2002《菱镁制品用轻烧氧化镁》中一等品（B）级要求。

表1　轻烧氧化镁的性能指标　%

硫酸镁为淄博鹰力硫酸镁厂生产的七水硫酸镁，各组分含量见表2，符合CMMA/T 1—2015《镁质胶凝材料制品用硫酸镁》的要求。使用时至少提前1 d配制成硫酸镁饱和溶液，取上层清液使用。

表2　实验用七水硫酸镁各组分含量　%

用硫酸镁饱和溶液配制成不同浓度的硫酸镁溶液，分别取样分析MgSO4含量，如表3所示。

表3　不同浓度硫酸镁溶液的MgSO4含量

改性剂为山东省建筑科学研究院研制的硫氧镁抗水增强剂，为粉体制剂，主要组分为无机盐A、粉煤灰、硅灰，组分之间按比例混合制成，掺加量为轻烧氧化镁质量的1%。

1.2实验设备

D8 ADVANCE型X射线衍射仪，德国布鲁克公司；FEI QUANTAFEG250热场发射扫描电子显微镜，美国FEI公司；JJ-5水泥胶砂搅拌机，无锡建仪仪器设备有限公司；YAW-300C型压力试验机，济南中路昌试验机制造有限公司。

1.3实验方法

表4　实验具体配合比

将一定量的轻烧氧化镁与不同浓度的硫酸镁溶液混合至适宜浇筑的稠度，记录硫酸镁溶液的用量，根据表1和表3计算得出活性氧化镁和硫酸镁摩尔比，实验配比如表4所示。将搅拌均匀的料浆注入40 mm×40 mm×160 mm三联模具成型，24 h后脱模，称量试块的质量，计算脱模密度。

室温、空气中养护，分别测7 d、28 d以及养护28 d后泡水7 d的抗折、抗压强度。并取28 d强度试验后破碎的试块样品进行XRD、SEM分析。

2　实验结果与讨论

2.1硫氧镁胶凝材料的力学性能

按表4配比制备的硫氧镁胶凝材料24 h脱模密度，7 d、28 d以及养护28 d后泡水7 d的抗折、抗压强度如表5所示。

表5　硫氧镁胶凝材料的力学性能

实验过程中发现，未添加抗水增强剂改性的0#试块脱模后表面有裂纹，从表5也可以看出，0#试块的抗折强度和抗压强度都很低，泡水7 d后有试块甚至已经断裂，未断裂的抗折强度也较低，无法测出。而与其相同配比的添加1%抗水增强剂的1#试块则有很好的力学性能，尤其是泡水7 d的软化系数为0.89，表现出了良好的抗水性。

1#～6#试块均添加了1%的抗水增强剂，力学性能和抗水性均优于0#试块，软化系数除4#、5#试块稍有降低，其余均有很大提高，说明抗水增强剂可显著改善硫氧镁胶凝材料的抗水性。

1#～6#试块硫酸镁溶液浓度不同，故活性氧化镁和硫酸镁摩尔比不同，1#试块使用硫酸镁溶液波美度为29°Bé，摩尔比为10.62，此时试块具有最佳的力学性能。而随着硫酸镁溶液波美度的降低，摩尔比增大，试块的力学性能降低。

2.2XRD分析

各组试块的XRD图谱见图1。

从图1可以看出，7组试块中均含有MgO、Mg（OH）2、MgCO3、MgSO4·nH2O以及硫氧镁胶凝相，MgO为原料中失去活性的MgO，Mg（OH）2为少部分MgO与水反应生成，MgCO3为原料轻烧氧化镁粉中未煅烧完全的MgCO3，MgSO4·nH2O为未反应的MgSO4与水结合形成的水合物，硫氧镁胶凝相即是MgO、MgSO4与H2O反应生成的化合物，是硫氧镁胶凝材料强度的主要组成部分。

图1各组试块的XRD分析图谱

相对其它各组试块，0#试块的硫氧镁胶凝相的特征谱最不明显，1#～6#试块的硫氧镁胶凝相特征谱都很明显，这说明抗水增强剂的加入显著改善了硫氧镁胶凝材料的微观结构。

2.3SEM分析

各组试块的SEM照片见图2。

图2 各组试块的SEM照片

从图2可以看出，0#试块大部分是块状或片状的胶凝相，针状的硫氧镁胶凝相（硫氧镁晶须）很少，这也是其抗折、抗压强度低的原因。1#～6#试块均有针状的硫氧镁胶凝相出现，但随着硫酸镁溶液波美度降低，摩尔比增大，试块中针状的硫氧镁胶凝相越来越少，6#试块最少，1#试块最多，这也与其力学性能相对应，6#试块强度最低，1#试块强度最高。针状晶相可以相互搭连形成网状结构，是强度的主要组成部分，其它块状或片状的晶相填充在网状结构中，共同组成硫氧镁胶凝材料的强度支撑。

从图2还可以看出，在对硫氧镁胶凝材料改性和配比合理的情况下，可以增加针状硫氧镁胶凝相的量，增强其力学性能和抗水性。

3　结论

（1）硫氧镁胶凝材料作为镁质胶凝材料的一个重要分支，应用广泛，发展前景十分广阔，但是硫氧镁胶凝材料必须经过改性才能使用，未经改性的硫氧镁胶凝材料力学性能和抗水性都很差，无法作为建筑材料使用，而改性后的硫氧镁胶凝材料则表现出了很好的力学性能和抗水性。

（2）改性硫氧镁胶凝材料中氧化镁和硫酸镁的摩尔比对材料的性能有很大影响，应严格控制，本实验中净浆（未添加其它填料）改性硫氧镁胶凝材料的摩尔比为10.62，抗水增强剂掺量为1%时，试块的力学性能最好，摩尔比越大，力学性能越差。而相同稀稠度下，摩尔比与硫酸镁溶液的波美度有关，波美度越低，摩尔比越大。生产中若加入其它填料，摩尔比会相对降低，但选择硫酸镁溶液的波美度也不能太低。

［1］王海平，肖学英，王继东，等.外加剂对硫氧镁水泥的改性作用［J］.盐湖研究，2013，21（1）：44-49.

［2］阮炯正，朱会荣，梁锐，等.硫氧镁胶凝材料性能与研究［J］.吉林建筑工程学院学报，2009，26（4）：17-20.

［3］刘涛，郑亚林，杜沛，等.耐水高强硫氧镁质胶凝材料的研制［J］.四川建筑科学研究，2013，39（3）：214-217.

The raw material ratio research of modified magnesium oxysulfate cementing material

WANG Mingying，ZHANG Xingfu，WANG Zifu，LIU Yali，CHEN Junwei，WANG Yong
（Shandong Academy of Building Research，Jinan 250031，China）

This article researched a new magnesium cementing material——modified magnesium oxysulfate cement and its raw material ratio.Researches show that modified magnesium oxysulfate cement has great mechanical property and water-resisting property.When the magnesium sulfate solution is 1.26 g/cm3，the molar ratio of magnesium oxide to magnesium sulfate is 10.62，and the modifier additive amount is 1.0%，the neat cement has the greatest mechanical property and water-resisting property.

magnesium oxysulfate，cementing material，ratio，mechanical property

TU526

A

1001-702X（2016）06-0006-03

2015-11-25；

2016-01-20

王明英，女，1987年生，山东济南人，工程师，硕士，研究方向为建筑材料。地址：济南市无影山路29号，E-mail：18753114155@ 163.com。