泡沫玻璃粉改性增强氯氧镁水泥性能研究

王丰景，刘岗，袁春燕，齐鹏飞

（1.安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601；2.中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所，安徽 合肥 230088；3.中国科学院光伏与节能材料重点实验室，安徽 合肥 230088）

1 引言

氯氧镁水泥（magnesium oxychloride cement,MOC）又称索瑞尔水泥，是由氧化镁、氯化镁和水按一定比例调配形成的一种水泥硬化体。氯氧镁水泥本身是一种气硬性的胶凝材料，具有成型快、强度高、质量轻、防火隔热等特点。

纯MOC净浆制得的氯氧镁水泥普遍存在翘曲变形、吸潮返卤的问题，可通过添加改性剂、填充材料等方法进行改善。赵春洋等合成碱式硫酸镁晶须加入氯氧镁水泥中，使材料更为致密，力学性能和稳定性也得到提高。Yujie Jin等研究了掺加钙渣对氯氧镁水泥强度和拒水性能的影响，抗压强度略有提高，抗折强度基本不变。Pingping He等在氯氧镁水泥中添加木质纤维，降低材料的膨胀率，提高体积稳定性。Michal Lojka等制备了以多壁碳纳米管为添加剂的氯氧镁水泥复合材料，与纯MOC进行比较，具有更高的密实度、刚度和耐水性。目前，已有较多研究报道了添加不同种类复合材料，以达到增强材料力学性能、提高耐水性和稳定性的目的，但同时也存在成本高昂、工艺复杂等问题。

泡沫玻璃作为一种性能优越的轻质高强建筑用装饰装修材料，A级不燃，导热系数低，防水性能好，在隔热绝缘、防潮工程、吸声装饰等领域占据重要地位。生活中常见的泡沫玻璃作为外墙保温材料使用，一些彩色的泡沫玻璃还可作为装饰材料美化环境。泡沫玻璃生产装修过程中会产生较多边角废料，可以碾碎研磨成粉，添加到水泥、混凝土等建筑材料中成为轻质骨料。

本文将泡沫玻璃粉料添加到氯氧镁水泥的胶凝体系中，制得轻质防火无机板材。通过SEM、XRD等表征产物的微观形貌和物相组成，测试了所得无机板材的抗折抗压强度、耐水性能、体积稳定性，比较纯MOC均有较大提升。因此，可将泡沫玻璃粉复合氯氧镁水泥胶凝材料应用于装饰装修领域，在提升板材各项性能的同时，能够达到环保节能的目的。

2 实验

2.1 主要原料

轻烧氧化镁（MgO）、六水合氯化镁（MgCl·6HO）均购于阿拉丁试剂有限公司，泡沫玻璃购于宣城汇昌新材料有限公司。

2.2 实验仪器

水泥净浆搅拌机（NJ-160，无锡市建工实验仪器设备有限公司）、恒温恒湿试验箱（WHTH-80-70-80，香港伟煌科技有限公司）、电热鼓风干燥箱（DHG-9070A，上海一恒科学仪器有限公司）、粉末X射线衍射仪（X’Pert，荷兰PANalytical公司）、场发射扫描电子显微镜（Sirion 200，美国FEI公司）、比长仪（BY-160型，河北一方仪器设备有限公司）、全自动抗折抗压试验机（YAW-300C，济南恒思盛大仪器有限公司）。

2.3 实验方案

2.3.1 确定原料比例

以凝结时间和抗折抗压强度为指标，经过反复对比试验，选择各原料的比例：摩尔比MgO：MgCl：HO=6:1:13，泡沫玻璃粉掺量0-30wt%。其中氧化镁活度88.13%，采用标准水合法测定。

2.3.2 泡沫玻璃粉料制备、预混

将泡沫玻璃碾碎制成粉末，通过100目网筛筛选后，按质量分数0-30wt%称取泡沫玻璃粉，与轻烧氧化镁进行充分的预混合。

2.3.3 掺泡沫玻璃粉氯氧镁水泥的制备

将水合氯化镁溶于去离子水中，超声分散至全部溶解，倒入盛有轻烧氧化镁粉和泡沫玻璃粉混合料的净浆锅中，使用搅拌机搅拌至充分混合。将混合浆料倒入40mm×40mm×160mm的胶砂试模中，使用振实台振荡30s后移出模具，用抹刀抹去表面多余浆料，置于恒温恒湿箱中（25℃，60%）养护1d后脱模，继续养护28d至龄期。

2.4 表征测试

2.4.1 扫描电镜分析

采用美国FEI公司生产的Sirion 200型场发射扫描电子显微镜对产物的微观形貌进行表征。

2.4.2 物相组成分析

采用荷兰PANalytical公司生产的X’Pert粉末X射线衍射仪对样品粉末进行物相组成分析。

2.4.3 力学性能（抗折抗压强度）

采用济南恒思盛大仪器有限公司生产的YAW-300C型全自动抗折抗压试验机对样品进行抗折强度、抗压强度测试，参考标准为GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（IOS法）》。

2.4.4 耐水性能（软化系数）

耐水性能的表征以软化系数K为指标，测定方法如下：制备不同泡沫玻璃粉掺量的氯氧镁水泥试样各两组，在相同条件下养护28d后，1组测试绝干抗压强度F，2组浸水7d后测试抗压强度f。

式中：K——软化系数；f——饱和含水状态下试件的抗压强度平均值（MPa）；F——绝干状态下试件的抗压强度平均值（MPa）。

2.4.5 体积稳定性（收缩率/膨胀率）

体积稳定性通过膨胀率/收缩率进行表征，分别参照《膨胀水泥膨胀率试验方法》（JC/T 313-2009）和《水泥胶砂干缩试验方法（2010确认）》（JC/T 603-2004）。以收缩率为例：

式中：S——水泥试体28d龄期干缩率（%）；L——初始测量长度读数（mm）；L——28天龄期的测量长度读数（mm）；250——试 体 有 效 长 度（mm）。

3 结果与讨论

3.1 泡沫玻璃粉对氯氧镁水泥力学性能和软化系数的影响

对比添加泡沫玻璃粉的试样与空白MOC的强度，结果如图1，添加泡沫玻璃粉后，氯氧镁水泥的抗折和抗压强度均有明显提升。图1（a）显示干燥情况下MOC的抗折强度随着泡沫玻璃粉掺量的增加逐步提升，添加量为30wt%时抗折强度最高，达17.7MPa。图1（b）表明试样的抗压强度也随着泡沫玻璃粉的增加呈现上升趋势，干燥条件下，添加20wt%泡沫玻璃粉时抗压强度达53.4MPa。

图1 泡沫玻璃粉对氯氧镁水泥力学性能的影响

将同组氯氧镁水泥试样浸水7d后测得的抗压强度与干燥状态下的抗压强度相比得到软化系数，结果如图2所示。掺加泡沫玻璃粉后材料的软化系数无明显变化，当添加量较多（30wt%）时软化系数略有下降，整体维持在0.4以上。

图2 泡沫玻璃粉对氯氧镁水泥耐水性能的影响

3.2 泡沫玻璃粉对氯氧镁水泥体积稳定性的影响

通过对比空白试样与实验试样的收缩率和膨胀率，分析泡沫玻璃粉对氯氧镁体系体积稳定性的影响，结果如图3所示。由图可知，添加泡沫玻璃粉后氯氧镁水泥的收缩率/膨胀率整体降低，即体积稳定性有所提高。图3（a）中收缩率整体呈下降趋势，随着泡沫玻璃粉掺量的增加，试样的收缩率逐步降低，由快速下降到相对平缓。图3（b）中材料膨胀率总体随泡沫玻璃粉的增加表现出降低趋势，在20wt%处出现上升，存在条件控制不当产生误差的可能。泡沫玻璃粉质量轻而稳定性高，不易因为外界温度湿度的影响发生形变，因此是较好的填充材料。

图3 泡沫玻璃粉对氯氧镁水泥体积稳定性的影响

3.3 泡沫玻璃粉对氯氧镁水泥微观形貌的影响

为探究泡沫玻璃粉增强氯氧镁水泥的原因，分别采用SEM对空白试样和3组泡沫玻璃粉添加量不同的MOC试样的微观形貌进行表征，结果见图4。图4（a）为MOC净浆试样，（b）（c）（d）分别为10wt%、20wt%、30wt%泡沫玻璃粉掺量的氯氧镁水泥试样。从图中可以看出，改性前后MOC中晶体形状和结构发生显著变化。无任何添加的空白试样中，结晶相复盐的晶型细而长，晶体之间存在较大空隙，整体呈现较为松散的结构。氯氧镁制品成型脱模后，若长期处于高温高湿的环境下，由于制品中残留的游离氯化物易潮解，水分容易在材料表面或沿毛细孔进入材料内部参与潮解，形成的潮解液在表面聚集或从内部渗出形成水珠。因此若MOC硬化过程中产生的孔隙较多，除了会导致材料的强度降低，还会引发水珠、白霜等问题，加剧氯氧镁水泥制品的吸潮返卤。结果显示改性试样的晶体晶型更宽更扁平，与添加物相互搭接、紧密堆积，留存的孔隙较小，这使得产物的抗折抗压强度有所提高。

图4 泡沫玻璃粉对氯氧镁水泥微观形貌的影响

3.4 泡沫玻璃粉对氯氧镁水泥物相组成的影响

利用XRD对空白试样与实验试样进行物相组成分析，表征结果见图5。对比四组试样的谱图，可以得出：添加泡沫玻璃粉后物相组成未发生明显变化，均为主要产物结晶相复盐5Mg(OH)·MgCl·8HO 和 3Mg(OH)·MgCl·8HO，以及少量Mg(OH)和未完全反应的MgO。这说明加入泡沫玻璃粉并未改变氯氧镁体系的物相组成，体系生成的主要产物仍然相同。因此推断MOC试样力学性能方面的增强主要来源于泡沫玻璃粉的填充作用，即物理方面的意义。

图5 泡沫玻璃粉对氯氧镁水泥物相组成的影响

4 结语

①泡沫玻璃绝热、防潮、防火，其生产过程中产生的边角废料也可以磨成粉未添加到水泥等胶凝材料中成为轻质骨料，成本低廉、环保节能。

②泡沫玻璃粉能够改善氯氧镁水泥的力学性能和体积稳定性，当掺入量为20wt%左右时，其抗折强度可达17.3MPa，抗压强度53.4MPa，收缩率0.038%，膨胀率0.499%，总体提升较高。

③将泡沫玻璃粉加入氯氧镁体系中，能够显著改善样品的微观形貌，有效填充孔隙，提高试样密实性，进一步提高材料的力学性能。

致谢：感谢中国科学院光伏与节能材料重点实验室的支持。