植物纤维复合硫氧镁水泥基材料的制备及性能研究

广西建设职业技术学院，广西 南宁 530007

0 前言

硫氧镁基胶凝材料是将一定浓度的MgSO4溶液与轻烧活性MgO 粉混合搅拌后，凝结硬化而成的多组分气硬性无机胶凝材料［1］。硫氧镁基胶凝材料不仅生产工艺简单、能耗低、价格低廉，还具有良好的力学强度，可以同植物纤维、碳纤维、玻璃纤维等掺合使用等优点［2］。MgO-MgSO4-H2O 三元体系构成的硫氧镁胶凝材料的主要水化产物是MgX（OH）Y·（SO4）Z·nH2O，相结构形态一般为颗粒状、长针状或纤维状等，通过碱式硫氧镁晶体搭联生成网状结构形成力学键。植物纤维作为优良的加筋材料，是一种可大量再生的农业资源［3］。大部分植物纤维的主要组分为纤维素、半纤维素、木质素，植物纤维的结构紧致，抗拉性能和韧性较强。将植物纤维与硫氧镁材料混合后，纤维分布方向为多维乱向排列［4］，对于硫氧镁基胶凝材料的微观结构有一定的改善作用，通过纤维加筋减少材料中微裂纹的增长发展，从而改善硫氧镁材料的力学强度，赋予植物纤维复合硫氧镁材料较好的延展性能。胡玉龙等采用正交试验设计的方法［5］，发现适量植物纤维的掺入可以有效提高混凝土的拉压比；Soto 等研究了掺加植物纤维砌块的开裂后性能［6］，结果发现由于纤维的存在，纤维通过与水泥基体的粘附而附着在裂缝的表面，从而防止了材料的连续性丧失。

1 试验路线

针对硫氧镁水泥基材料存在的强度偏低、耐水性差和收缩大等不足，本试验在植物纤维球磨机械活化前后，研究不同掺量球磨活化前后的植物纤维木粉取代活性氧化镁，制备植物纤维复合硫氧镁胶凝材料，并对改性硫氧镁水泥材料力学性能的影响进行研究，同时利用 SEM 观测硫氧镁水泥水化产物微观形态以及纤维与水泥的粘结界面。主要试验技术路线如下图所示：

图1 采取的研究路线

2 试验原材料与方法

2.1 试验原材料

七水硫酸镁：化学成分见表1。活性氧化镁：经水合法测试定其活性为66.72%。木粉：长度0.15～0.30mm，取自广西防城港。柠檬酸，化学纯。成型胶砂采用ISO 标准砂及饮用水。

表1 七水硫酸镁化学成分 %

2.2 样品制备

（1）植物纤维处理方法：试验采用机械活化方法对木粉进行预处理，在外力作用下机械活化后的木粉纤维，颗粒较未处理木粉更加细化，比表面积明显增大。

（2）硫氧镁水泥制备方法：将硫氧镁水泥基材料、植物纤维、ISO 标准砂和拌和水按1：3：0.5 制成胶砂，成型脱模后标准养护一定时间测试力学性能。

（3）本试验中内掺植物纤维配合比按氧化镁质量百分比计算。分别成型植物纤维木粉不同掺加量为0%、1%、2%、3%、4%的改性硫氧镁胶凝材料，添加氧化镁质量0.5%的柠檬酸改性剂制备硫氧镁胶砂试件。试验选用硫氧镁试样基本配合比为MgO：MgSO4·7H2O：H2O=14：1：129（详见表2）.

表2 单掺木粉的硫氧镁砂浆胶砂配比 kg/m3

3 结果及分析

3.1 木粉对硫氧镁胶凝材料力学性能的影响

表3 不同掺量木粉对硫氧镁胶凝材料力学性能的影响

由表3 可看出，一定掺量范围内，掺入木粉可一定程度上改善提高硫氧镁胶凝材料抗折强度。当木粉掺量为1.0%时，植物纤维改性硫氧镁胶凝材料的抗压强度相对最优，此时植物纤维改性硫氧镁胶凝材料3d 和28 d 的抗压强度均达最大值57.5MPa和58.7MPa，比未掺胶砂抗折强度提高了4.3%和2.1%。当植物纤维木粉掺量超过3.0%时，试件3d 和28 d 的抗压强度开始出现明显的下降趋势。同时可看出，掺入植物纤维木粉有利于柠檬酸改性硫氧镁胶砂抗折强度的提高。28 d 龄期试件抗折强度，相对于空白试样先增大后减小，抗压强度最大值是当掺入1.0%植物纤维木粉掺量时的11.9 MPa，比未掺的柠檬酸改性硫氧镁胶砂抗折强度提高了6.3%。当掺量为小于1%时，内掺的植物纤维开始分散在硫氧镁水化产物之间的微小空隙中，这在一定程度上降低了浆体的孔隙率改善了密实度，有利于强度的提高，因而强度有略微增长。随植物纤维木粉掺量提高，试件抗折强度则出现了下降。植物纤维木粉在硫氧镁胶凝材料中并不参与相应的水化反应，也不能提供有效强度，因而导致抗折强度较低。表3 中可以看出，随着柠檬酸掺量的增大，植物纤维改性硫氧镁胶凝材料的抗折强度和抗压强度都有所提高。另外，从由表3 可看出，掺入粉磨机械活化后的植物纤维木粉对提高硫氧镁胶凝材料抗压强度和抗折强度无明显改善作用，抗压强度和抗折强度较空白试样均有下降。

3.2 硫氧镁胶凝材料微观形貌分析

扫描电镜是对改性硫氧镁水泥基材料水化产物进行微观研究的有效手段。图2 为掺加4.0%木粉、机械活化木粉硫氧镁水泥和空白对照组柠檬酸改性硫氧镁水泥的SEM 图。由图2 可发现，对比空白试样，掺加木粉及机械活化木粉4.0%的硫氧镁水泥相对来说结构不如空白试样致密，在改性硫氧镁胶凝材料表面有部分裸露出来的植物纤维存在，纤维表面与硫氧镁胶凝材料水化产物进行搭联胶结和紧密包裹。当植物纤维收到压力作用或者拉力作用时，可与改性硫氧镁胶凝材料基质之间产生机械咬合作用，从而起到一定的材料内加筋强化的作用。因为植物纤维是分散在改性硫氧镁胶凝材料内起作用，因此在1.0%的小掺量下，分散的均匀程度足够以及分布的方向随机才可以形成一定强度的多维网状结构，可以提高硫氧镁胶凝材料的致密程度，从而提升改性硫氧镁胶凝材料的力学性能。但当植物纤维掺量超过1.0%时，过量的植物纤维导致出现了部分纤维结团甚至外露的现象，从而影响到植物纤维与改性硫氧镁胶凝材料水化产物的咬合作用，降低粘结作用，同时植物纤维大量结团使硫氧镁胶凝材料的内部缺陷增多。

图2 掺加木粉及机械活化木粉硫氧镁水泥SEM 图

4 结论

一定掺量范围内，掺入植物纤维有助于改性硫氧镁胶凝材料的3d 和28d 抗压强度提高。当木粉掺量为1.0%时，柠檬酸改性硫氧镁胶砂3d 和28d 抗压强度最好，当植物纤维木粉掺量超过3.0%时，试件28 d 的抗压强度开始出现明显的下降趋势。同时可看出，掺入植物纤维木粉有利于柠檬酸改性硫氧镁胶砂抗折强度的提高。当木粉掺量为1.0%时，柠檬酸改性硫氧镁胶砂3d 和28d 抗折强度最好，比未掺的柠檬酸改性硫氧镁胶砂抗压强度提高了6.3%。当掺量为小于1.0%时，内掺的植物纤维开始分散在硫氧镁水化产物之间的微小空隙中，一定程度上减少了硫氧镁水化产物的孔洞提高了致密性，因而强度有略微增长。但植物纤维木粉在硫氧镁胶凝材料中并不参与相应的水化反应，也不能提供有效强度，因而掺量增大会导致硫氧镁胶凝材料抗压强度较低。