外加剂对硫氧镁水泥的性能影响

2021-11-23闫浩康袁建国袁兴栋岳雪涛

山西建筑 2021年23期

闫浩康，王硕，袁建国，袁兴栋，岳雪涛

(山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南 250101)

1 概述

硫氧镁水泥(Magnesium Oxysulfate Cement)最早是由学者Demediuk[1]提出的菱镁水泥的一种，是由活性氧化镁、七水硫酸镁溶液和一定比例的外加剂混合搅拌，凝结硬化而形成硫氧镁水化物。硫氧镁复合水泥具有原料质地轻，凝结速度快的巨大优势，与其他氯氧镁复合水泥相比硫氧镁水泥防腐耐水性能更好，返卤泛霜较轻，不容易对水泥的钢筋基体进行锈蚀作用[2]。但硫氧镁水泥的机械强度低、耐水性差的缺陷限制了硫氧镁水泥的大规模工业化应用。

本文以柠檬酸、磷酸三钠和三聚磷酸钠为外加剂对硫氧镁水泥进行改性处理，对改性后的硫氧镁水泥进行力学性能测试，并对其水化产物进行物相分析和晶相分析。

2 试验

2.1 原材料

七水硫酸镁：采用山西省南风集团生产的99.0%纯度的七水硫酸镁，化学式为MgSO4·7H2O，分子量为246.47，为白色或无色透明的针状或斜柱状结晶体，易溶于水。

轻烧氧化镁：采用辽宁省海城市生产的85型轻烧氧化镁，利用水合法测定的活性氧化镁(α-MgO)的质量分数为47%，为淡黄色或白色粉末。

柠檬酸：采用由国药集团化学试剂有限公司生产的分析纯一水合柠檬酸(C6H8O7·H2O)，分子量210.14，为无色结晶或白色颗粒，易溶于水。

磷酸三钠：采用由国药集团化学试剂有限公司生产的分析纯试剂，化学式为Na3PO4，分子量为164.26，为无色至白色针状结晶或结晶性粉末，易溶于水。

三聚磷酸钠：采用由国药集团化学试剂有限公司生产的分析纯试剂，化学式Na5P3O10，相对分子质量367.86，为白色粉末状结晶，易溶于水。

水：济南市自来水。

2.2 试验方法

称取一定质量的轻烧氧化镁粉，与一定浓度的硫酸镁溶液混合，充分搅拌后倒入水泥胶砂搅拌锅内先慢速搅拌60 s，后转快速搅拌120 s，把浆体注入40 mm×40 mm×160 mm的三联水泥胶砂试模中，在(20±3)℃、相对湿度为(60±10)%的条件下养护，1 d后脱模，然后继续在该条件下养护至规定龄期，然后进行力学性能测试，以及X射线衍射和扫描电镜测试。具体配比及外加剂掺量见表1，其中A为柠檬酸，B为磷酸三钠，C为三聚磷酸钠。

表1 硫氧镁水泥配合比设计

3 结果与讨论

3.1 外加剂对硫氧镁水泥力学性能的影响

图1为各配比水泥试件分别在3 d,7 d和28 d时的抗折强度和抗压强度。由图可知，单掺入外加剂A的硫氧水泥试块，其抗压强度和抗折强度均远远大于单掺外加剂B和单掺外加剂C的试块强度。由图1(a)可知，外加剂A与B和C复掺试件的抗折强度几乎在所有养护龄期都高于外加剂B和外加剂C单掺时的强度。由图1(b)可知，单掺外加剂A的试件早期抗压强度较高，而在28 d时外加剂A分别与B和C复掺试件的抗压强度均超过各外加剂单掺时试件的强度。

在单掺一种外加剂的方案中，单掺外加剂A的效果最好，其抗折强度较高，抗压数据也比较理想。外加剂单掺B或者C的抗折抗压强度较小，但与外加剂A复掺后却有了较大提升。图1显示，各组试件中单掺外加剂A时水泥抗折能力最高，可达11.25 MPa；当外加剂A与B的掺量摩尔比为1∶3时，水泥抗压能力最高，可达92.23 MPa。

3.2 外加剂对硫氧镁水泥水化产物的影响

如图2所示，为各配合比试件在7 d，28 d时X射线衍射图。从图中可以看出单掺外加剂A以及含有外加剂A的试件均生成了5·1·7相，单掺外加剂B和C的试件在7 d和28 d时均只有氢氧化镁生成，所以单掺外加剂B和C时水泥试件强度最低。图2中显示，掺入不同配比的外加剂后，水泥试件并没有5·1·7相外的新强度相生成。由图2(b)可以看出，试件在养护时间达到28 d时，含有外加剂A的试件5·1·7相晶体衍射峰强度较7 d均大大增强，而单掺外加剂B和C的试件水化物依然以氢氧化镁为主，并结合图1可以判断外加剂A是硫氧镁水泥生成5·1·7相的必要条件。

3.3 外加剂对硫氧镁水泥微观形貌的影响

图3为各配比硫氧镁水泥试件的28 d扫描电镜图，从图3(a)中可以看出单掺外加剂A的试件生长有一簇簇的5·1·7相针状晶体，并且晶体长度在40 μm左右；图3(b)则显示单掺外加剂B的试件仅有板状氢氧化镁生成，并未有针状晶体生成；图3(c)为单掺外加剂C的试件，图中显示片状氢氧化镁和短棒状碳酸镁晶体紧密生长，并未有5·1·7相生成；图3(d)和图3(e)分别为外加剂A和外加剂B,C分别复掺的水泥试件，可以看出，两者均有针状5·1·7相生成，并且A1B1生成的针状晶体更加密集，A1C1则是针状5·1·7相和短棒状碳酸镁相互交织。图3同时证明了外加剂A是硫氧镁水泥生成5·1·7相的必要条件，掺入外加剂B和C的水泥试件水化产物依然以氢氧化镁为主。