硫氧镁胶凝材料的研究进展

刘继雅 赵雅茹 张晓龙 王静 李润通

摘要：硫氧镁胶凝材料（Magnesium Oxysulfate Cementitious Material）是近些年新兴起的建筑材料，是由一定量的活性轻烧氧化镁和一定浓度的MgSO4水溶液和组成的MgO-MgSO4-H2O的三元组成，具有质量轻、体积稳定性好、耐火、保温隔热等优点。本文主要阐述了硫氧镁胶凝材料的研究背景以及各种改性剂、掺加剂对其的影响，在建材方面可作为一种新型环保材料应用于生产建筑轻质保温墙板、装饰装修材料、集成式房屋等工程，在建材领域有广阔的前景。

关键词：硫氧镁胶凝材料;建筑材料;环保;改性剂;掺加剂

1.前言

硫氧镁胶凝材料是以氧化镁、七水硫酸镁、水等为主要材料，通过添加掺和剂、改性剂加工而成，硫氧镁胶凝材料及其涉及的制品至今已有六十多年的发展历史。研究发现硫氧镁胶凝材料中有318相晶体稳定的存在;向硫氧镁胶凝材料添加一定量的柠檬酸改性剂，进而研究物相组成，会生成一种新的5Mg（OH）2·MgSO4·7H2O（517）结晶相，提高物理力学性能，但是发现其抗压强度较低，结构耐久性低，严重限制应用。经探究发现，粉煤灰有填充作用并能使浆体变得更加密实，能进一步提高抗压强度[1～3]。但是迄今为止，对硫氧镁胶凝材料抗折抗压耐水性能的研究报告很少见，且在原料方面对再生利用的的研究较少，在面对降低成本、减少固废对环境的不良影响等问题上，提出的解决办法较少，本文将介绍各种因素对材料性能的影响及其应用领域。

2.各种因素对材料性能影响的研究进展

2.1原料配比

为了优化耐水性，研究发现其强度耐水软化系数随氧硫比的增大先升后降，最终确定在氧硫比为1.7时耐水性能最好。同时发现固定氧硫比时，耐水性随着水硫比的增大不断降低。固定水硫比时，材料抗压和抗折强度均随氧硫比的增大先升高后降低，当氧硫比为1.7时抗压和抗折强度均达到最大值。通过研究活性为65%、70%、78%的轻烧MgO对硫氧镁水泥性能的影响表明：低活性MgO制备的硫氧镁水泥的抗压强度为80.6MPa，而高活性MgO制備的硫氧镁水泥的抗压强度为40.6MPa，表明低活性轻烧MgO会对硫氧镁水泥的抗压强度有明显的提高[4]。

在硫氧镁胶凝材料中，如果氧硫比（氧化镁和七水硫酸镁的比值）太小，水胶比（水/氧化镁+硫酸镁）太大，则流动性会较大，凝结时间缓慢，进而造成抗压强度较低。如果氧硫比较大，水硫比较小，会使得氧化镁粉过剩，进而水化反应不完全，最终强度较低。由此可得，选择合适的原料摩尔配比，会抑制氢氧化镁的形成，促进517相的生成，使性能大幅提高。

2.2改性剂

硫氧镁胶凝材料的耐水性能较差，且易变性、容易开裂、力学强度低（甚至低于硅酸盐水泥），这是尤为致命的缺点与不足。当前耐水性较差的原因主要有两方面，一是组成：在材料中318/513相的结构骨架中含有离子晶体格的成分，而且其中含有结晶水以及OH-，其在极性溶剂中尤其是在水中是不稳定的，而且剩余未反应完全的原料之间相互反应进而使得材料的体积分数增大，破坏其完整的结构;二是结构，硫氧镁胶凝材料属于多孔材料，其中的水化颗粒之间存在毛细管空隙，毛细管空隙为水的渗透的通道，进一步降低抗水性能。

有实验发现不同用量的柠檬酸和聚乙二醇的添加，会对力学性能产生影响，研究表明改性后抗折强度、抗压强度和耐水性得到提高，当聚乙二醇的掺量为3.0%时，抗折强度和抗压强度达到最大，改性效果最佳[5～6]。吴成友[7]等通过研究有机酸CA对抗压强度﹑耐水性能以及物相组成等的影响，发现掺加CA改性后出现了一种形态为针棒状晶体的5·1·5新相，即5Mg（OH）2·MgSO4·5H2O，而且导致材料中产生的Mg（OH）2数量下降，力学性能显著上升，吸水率下降。

2.3掺加剂

掺加剂的形态和掺量对硫氧镁材料的力学性能有相当大的影响。当秸秆作为掺加剂，其长度为2-3cm，掺量为氧化镁质量的6%时，此时为秸秆的最佳形态和掺量;当岗石废渣掺量在5%～10%时，对柠檬酸改性硫氧镁胶砂力学性能改善效果有显著提升，当掺量为5%时，此时的胶砂试件28d抗折及抗压强度可以达到最大值17.8MPa、92.5MPa。纯硫氧镁胶凝材料可以说是一个多晶体堆聚体体系，粉煤灰、尾矿粉和高炉矿渣等掺料的添加都会对其微观结构都产生不同影响，从而影响其力学性能、隔热性能和耐水性。当粉煤灰掺量为40%时，此时添加粉煤灰并无新生水化相，并且还有效提高A05～A08密度等级硫氧镁材料的抗压强度，同时粉煤灰颗粒的微集料效应可使其微观结构变得更加密实[8]。

3.硫氧镁胶凝材料的应用

近年来，镁凝胶制品的应用领域日益广泛。改性硫氧镁胶凝材料的特性有无味无毒、高强质轻、隔音保温、防水防火等，生产过程无三废排放，运输与安装便捷，在建材领域具有占领市场的优势。建筑按使用功能分类为居住建筑、办公建筑、医疗建筑等，由硫氧镁材料制成的墙板可以广泛应用其中。

3.1居住建筑

居住建筑会在节省空间的前提下对室内进行改造，应用硫氧镁材料生产的墙体轻薄，可以极大地节省空间，墙板质量耐磨且防火防潮。一般的红砖只能防磨和防火，但不防潮，而且不好粉刷，占室内面积也比较大;木制隔墙板节省空间，也有一点的防潮能力，但是隔音效果和防火能力太差。居家保持个人隐私也是一种必要，而硫氧镁材料的隔音效果比传统墙材来说有大大的提高。

3.2办公建筑

由硫氧镁材料制成的轻质隔声墙板整体强度高不变形，因此可用作层高、跨度大的墙体间隔，其抗冲击性能是一般砌体的1.5倍。硫氧镁材料重量只有实心砖墙的八分之一，强度达到C30，热传导率只有实心砖墙的三分之一，声波传导率只有实心墙砖的四分之一，自动调整室内空气湿度，节约墙体成本的15%～20%，提高施工效率三倍至五倍。

3.3医疗建筑

医疗建筑作为社会中特殊易感人群的集中地，其建筑特征与一般建筑大不相同，主要表现为墙面装修材料在洁净卫生方面的标准要求比一般建筑要高，如防尘、防火、耐候、清洁难度、使用年限等。在一般的公用建筑中，防火安全设计和管理也同等重要。硫氧镁胶凝材料不仅具有很好的保温性能，而且不燃。医疗建筑的建筑结构、装修布置都应有较强的隔离性能，保证隐私，避免交叉感染，通过利用硫氧镁墙体材料轻便可拼搭的特点，可快速营造相对私密的空间，保证人身安全以及隐私性。

4.硫氧镁胶凝材料的前景

硫氧镁胶凝材料能够得到普遍应用的原因主要有两个，即原材料易得与生产工艺简单。目前，我国菱镁矿储量约占世界总储量的三分之一，丰富的原料储备奠定了物质基础。以高掺量工业废渣制备硫氧镁材料为基材，以农业废弃物秸秆、锯末等为填料制备绿色镁质工艺品，不仅可以增强抗压强度，还可以解决低品位菱镁矿及大量工农业废弃物高效利用的问题。以固体工业废料为主要原材料制备新型建筑材料，对治理环境污染、节约能源和资源、改善建筑功能，促进我国建材业和建筑业技术进步具有显著的社会效益和经济效益。

近年来，随着硫氧镁胶凝材料研究的不断推进，该材料被越来越多地应用到基础建设、装饰装修等领域。综合国内外研究表明，大力解决硫氧镁胶凝材料的问题并且积极充分地利用优势，进一步改良优化，有更加广阔的发展前景及环境效益。就行业整体认知度、市场发展，从产业布局的推广、政策支持等方面来看，硫氧镁胶凝材料将成为二十一世纪最有望的新型材料。

参考文献：

[1]Demediu T， COLEWF.A study o magnesium oxysulfates[J].Australian Journal of Chemistry， 1957， 10（3）： 287-294.

[2]吳成友，余红发，文静，等.改性硫氧镁水泥物相组成及性能研究[J].新型建筑材料，2013（5）：68.

[3]姜黎黎，陈逸敏，许可，等.粉煤灰对硫氧镁水泥抗压强度的影响[J].硅酸盐通报，2015，34（5）：1427-1430.

[4]姜威. 组成对硫氧镁水泥性能的影响研究[D].沈阳建筑大学，2017.

[5]郭涛.硫氧镁胶凝材料的制备及改性研究D].天津：河北工业大学，2017.

[6]杨军彩.改性剂对硫氧镁水泥性能的影响[J].混凝土，2020（05）：83-84+93.

[7]陈方宇，吴成友.改性硫氧镁水泥性能研究[J].新型建筑材料，2018，45（06）：56-58+62.

[8]付希尧.植物纤维复合硫氧镁水泥基材料的制备及性能研究[J].江西建材，2020（05）：7-8+11.

河北科技大学化学与制药工程学院 河北 石家庄 050000