掺硼元素不同烧结温度的氧化镁对磷酸镁水泥性能的影响

2018-11-23孙美硕关岩毕万利孟宪章

新型建筑材料 2018年11期

孙美硕，关岩，毕万利，孟宪章

（1.辽宁科技大学高温材料与镁资源工程学院，辽宁鞍山 114051；2.辽宁省镁产业协同创新中心，辽宁鞍山 114051）

0 前言

普通磷酸镁水泥（MPC）由重烧氧化镁粉和磷酸盐为主要材料制备而成[1]，外加剂一般选择具有缓凝作用的硼砂。磷酸镁水泥具有早强快硬、粘结强度高、耐磨性好、环境适应性广等优异性能，在工程快速修补、快速加固与整治及有害物质固化等方面具有广阔的应用前景[2-4]。

我国对磷酸镁水泥的研究起步较晚，自2005年后才逐渐成为胶凝材料的研究热点[5]，目前，有关磷酸镁水泥性能的研究已有诸多报道[6-9]，涉及磷酸镁水泥的制备、宏观性能改善、微观水化机理分析等众多方面[10]，而针对不同烧结温度的掺B元素氧化镁粉对磷酸镁水泥性能的影响研究较少。由于重烧氧化镁粉的能耗高、价格高，并且大量消耗优质的菱镁矿资源，从而阻碍了其大规模推广应用。本文利用在低品位轻烧氧化镁粉中引入一定量的B元素在不同温度下煅烧，替代重烧氧化镁制备磷酸镁水泥，从而降低成本。

1 试验

1.1 原料

轻烧镁粉：海城华丰镁业提供，主要化学成分见表1；重烧镁粉：海城峰驰集团提供，主要化学成分见表1。磷酸二氢钾：工业级，纯度95%。硼砂：分析纯，沈阳第一试剂厂提供。

表1 氧化镁粉的主要化学成分 %

1.2 试验方法

将轻烧镁粉与一定量的硼砂在转速为300 r/min的行星式球磨机中球磨3 h，其中B元素的引入量占氧化镁质量的0.15%，然后分别于1300、1400、1500、1600℃下煅烧并保温3 h。分别取在1300、1400、1500、1600℃下煅烧的氧化镁粉，与磷酸二氢钾按质量比为3∶1，再加入占氧化镁质量7%的硼砂作为缓凝剂，水灰比为0.17，在搅拌机中搅拌，成型20 mm×20 mm×20 mm的磷酸镁水泥试块，1 h脱模后，自然养护24 h，同时以重烧氧化镁粉为主要原料进行对比试验，分别测试其1、3、7d抗压强度。用荷兰帕纳科公司生产X＇Pert Powder型衍射仪分析试样的矿物组成，用Sigma HD蔡司场发射高分辨率扫描电镜分析试样微观结构及组织形貌。

2 结果与分析

2.1 不同煅烧温度下氧化镁粉的物相分析（见图1）

图1 不同煅烧温度下氧化镁粉的XRD图谱

由图1可见，煅烧后氧化镁粉的主晶相除方镁石外，还有少量的镁橄榄石及钙镁橄榄石，由于轻烧镁粉中含有一定量的 SiO2和 CaO，在 1300、1400、1500、1600 ℃煅烧后可以形成少量的镁橄榄石和钙镁橄榄石以及其它一些杂质化合物。这些物相在1200℃以上就已形成，而1350℃进入到液相烧结阶段，1400～1700℃仅是结晶相的长大过程。在引入等量B元素的氧化镁粉中，随着煅烧温度的升高，主晶相和次晶相的种类没有变化，只是结晶程度逐渐提高，晶体排列更趋于完整化。

2.2 不同煅烧温度对氧化镁晶粒的影响

不同煅烧温度下氧化镁粉中方镁石晶粒大小和晶粒生长的SEM照片分别见图2、图3。

图2 经不同温度煅烧后方镁石晶粒大小的SEM照片

图3 经不同温度煅烧后方镁石晶粒生长的SEM照片

从图2可以看出，1300℃煅烧的方镁石晶粒尺寸为10.44 μm；随着煅烧温度的升高，1400℃煅烧的方镁石晶粒尺寸增长到18.33 μm，当煅烧温度达到1600℃时，方镁石晶粒尺寸则增长到23.89 μm，说明随着煅烧温度的提高，方镁石晶粒尺寸逐渐增大，但增大的趋势逐渐降低。从图3可以看出，随着煅烧温度的升高，方镁石晶粒表面以类似年轮的形状一层一层向四周增长，晶粒之间的堆积程度也越来越紧密，空隙越来越小，因此，在制备磷酸镁水泥时有利于降低水泥的需水量。

2.3 不同温度煅烧的氧化镁粉对磷酸镁水泥强度的影响

不同温度煅烧的氧化镁粉对磷酸镁水泥早期抗压强度的影响见表2，其中5#试样以重烧镁粉为主要原料。

表2 不同温度煅烧的氧化镁粉对磷酸镁水泥抗压强度的影响

由表2可知，随轻烧镁粉煅烧温度的升高，磷酸镁水泥的抗压强度呈上升趋势。当煅烧温度达到1600℃时，其早期强度增加迅速，1、3、7d抗压强度分别为 20.1、27.5、52.2MPa，基本上达到同龄期以重烧氧化镁粉为原料制备的磷酸镁水泥强度。

不同温度煅烧的氧化镁粉制备的磷酸镁水泥水化7 d的XRD图谱见图4。

图4 不同煅烧温度的磷酸镁水泥的XRD图谱

从图4可以看出，不同温度煅烧的氧化镁粉制备的磷酸镁水泥矿物组成为鸟粪石结构的MKP·6H2O、MgO、M2S，其中煅烧温度为1600℃时，MKP·6H2O峰强最大，峰型尖锐，说明晶体结构发育完全，使其强度最高。

1300、1400、1500、1600 ℃煅烧的氧化镁粉制备的磷酸镁水泥的SEM照片分别见图5、图6。

图5 1300、1400、1500℃煅烧的氧化镁粉制备的磷酸镁水泥的SEM照片

图6 1600℃煅烧的氧化镁粉制备的磷酸镁水泥的SEM照片

图6中有大量的长柱状MgKPO4·6H2O晶体生成，且发育比较完全，堆积紧密，在一定程度上提高了磷酸镁水泥的强度，A位置为未反应的MgO，B位置为水化产物MgKPO4·6H2O，可见，水化产物MgKPO4·6H2O是以MgO为中心在其周边生成。相比较而言，图5中的水化产物MgKPO4·6H2O发育不完全，大多呈短柱状较细，有大量的MgO和M2S存在，可见其水化不完全，致使其强度较低。