生土基硫氧镁水泥生态防火板的性能研究与应用

朱效甲 ，朱倩倩 ，朱芸馨 ，关宏强 ，王瑞

（1.济南市杰美菱镁建材研究所，山东 济南 250031；2.辽阳镁鑫建材科技有限公司，辽宁 辽阳 111200）

0 引言

生土是人类最早使用的建筑材料之一[1]，使用范围遍布世界各地，其历史可追溯到距今8 000年前的新石器时代[2]。因其具有取材方便、造价低廉、热工性能好、污染少、可循环利用、有利于生态平衡等特点，是典型的生态化建筑材料[3]。目前，国内外对生土材料改性技术的研究和应用主要集中在土壤固化方面，应用于路基、挡土等工程。在早期的研究中，土壤固化剂包含普通硅酸盐水泥、石灰、石膏、粉煤灰、水玻璃等无机胶凝材料。随着研究进一步深入，先后出现了各种液体固化剂、有机材料固化剂[4-5]。采用普通硅酸盐水泥、石灰等无机材料作固化剂存

在着生产过程能耗高、环保性差、固化效果有限等弊病，不符合目前常态化的节能环保要求；利用环氧树脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等有机材料作固化剂，存在着环保性差、耐久性能不良等问题，而且价格普遍偏高，市场难以接受。本研究探讨用镁质胶凝材料作生土的固化剂，即在镁质胶凝材料中掺加一定量的生土材料，制作生土基镁质胶凝材料及制品，为生土材料的可循环利用提供一条新思路。

目前，镁质胶凝材料防火板大体可分为氯氧镁水泥防火板和硫氧镁水泥防火板两大类，氯氧镁水泥防火板是以一定浓度的氯化镁溶液拌合轻烧氧化镁粉，添加合适的功能性材料，经成型、养护，通过化学反应产生力学强度，再经过切边、质检等工序加工而成的防火板材。硫氧镁水泥防火板是以一定浓度的硫酸镁溶液拌合轻烧氧化镁粉，添加合适的功能性材料而制成的防火板材。不管是氯氧镁水泥防火板还是硫氧镁水泥防火板，生产配方中一定少不了碳酸钙粉或滑石粉作填充材料，其目的是减小板材水化硬化过程中的膨胀或收缩应力，提高板材的体积稳定性，同时降低原材料成本。碳酸钙粉及滑石粉源于大自然，为石灰石破碎或碳酸镁石研磨而得。受矿产资源和环境保护等因素的影响，这些材料已不易得，且价格优势也逐渐缩小，发展新型节能环保材料已迫在眉睫，减少常规材料的消耗是减轻资源负担的有效措施[6]。由于未查询到相关用硫氧镁水泥胶凝材料做生土固化剂固化生土材材的相关资料和报道，结合本课题组前期的研究成果，深入研究了生土材料、细木屑、聚乙烯醇短切纤维掺量对硫氧镁水泥性能的影响，同时添加适量的硫氧镁水泥增强改性剂和抗水剂制作生土基硫氧镁水泥生态防火板，经国检集团检验，各项性能指标均达到或超过GB/T 33544—2017《玻镁平板》标准要求。

1 试验

1.1 主要原材料

（1） 轻烧氧化镁粉（MgO）：辽宁海城华丰矿业有限公司提供，细度通过200目（0.075 mm）方孔筛，通过率为96.73%，采用水合法[7]测得其活性氧化镁含量为62.35%，主要化学成分见表1。

表1 轻烧氧化镁粉主要化学成分 %（Table 1 Main chemical composition of lightly burned magnesia powder%）

（2） 工业七水硫酸镁（MgSO4·7H2O）:江西湘虹食品添加剂有限公司提供，工业级白色粉末晶体，MgSO4·7H2O含量为99.52%，其化学成分见表2。

表2 工业七水硫酸镁主要化学成分 %（Table 2Main chemical components of industrial magnesium sulfate heptahydrate %）

（3）生土材料：由济南幸福花园二期工程地基开挖现场提取，经陈化、晾干、粉碎、过筛等工序处理，制成细度通过100目（0.15 mm）方孔筛的细粉备用。主要化学成分见表3。

表3 生土材料主要化学成分 %（Table 3 Main chemical compositions of raw soil materials %）

（4） 碳酸钙粉（CaCO3）：CaCO3含量为 98.31%，细度通过80（0.18 mm）方孔筛，含水率为1.21%，建材市场采购。

（5） 聚乙烯醇纤维（PVA纤维）：江苏天怡工程纤维有限公司提供，主要性能指标见表4。

表4 PVA纤维主要性能指标Table 4 Main performance indexes of PVA fiber

（6） 中碱玻璃纤维布：采用网孔为5 mm×5 mm，克重为120 g/m2的中碱玻璃纤维网格布。由河北任丘市鑫顺玻纤制品有限公司提供，化学成分见表5。

表5 中碱玻璃纤维网格布主要化学成分 %（Table 5 Main chemical composition of alkali glass fiber mesh cloth%）

（7）细木屑：木材加工厂的废弃物，经干燥过筛处理后含水率≤15.0%，细度通过20目（0.84 mm）方孔筛，含泥量2.13%，无霉烂变质现象。

（8）改性添加剂：改性增强剂、抗水剂，自制。

1.2 试件制备

将七水硫酸镁加水溶解并将其溶液密度调至1.25 g/cm3（溶液中纯硫酸镁含量为22.50%）。在搅拌锅（搅拌机转速为120转/min），内加入定量的硫酸镁溶液、改性添加剂和PVA纤维，再加入定量的轻烧氧化镁粉搅拌均匀，再分别加入不同加量的生土材料或碳酸钙粉、细木屑，制成均匀的硫氧镁水泥料浆，搅拌时间控制在7～10 min。将料浆分两次注入40 mm×40 mm×160 mm三联试模内，振动60s，刮平试模表面，覆盖塑料薄膜，保温保潮，在温度（25±1）℃、相对湿度（60±3）%的环境下养护24 h脱模，自然养护至规定龄期进行性能测试。

1.3 仪器设备及测试方法

1.3.1 主要仪器设备

NJ-160A型水泥砂浆搅拌机、ZT-90胶砂试件成型振实台，江苏无锡锡鼎建工仪器有限公司；WDW-20型微机控制电子万能材料试验机，江苏天惠试验设备制造有限公司；101-2型电热鼓风干燥箱，天津泰斯特仪器有限公司；数显简支梁冲击试验机（GC-J2L-5D型），广东东莞市广测自动化设备有限公司。

1.3.2 测试方法

胶结料性能测试：抗折强度、抗压强度测试参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验方法（ISO法）》进行测试；防火板材性能测试按照GB/T 33544—2017《玻镁平板》标准要求进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 生土材料、碳酸钙粉掺量对硫氧镁水泥力学强度的影响

2.1.1 生土材料、碳酸钙粉掺量对硫氧镁水泥养护28 d抗折强度的影响，结果见图1。

图1 生土材料、碳酸钙粉掺量对硫氧镁水泥抗折强度的影响（Fig.1 Effect of raw soil material and calcium carbonate content on flexural strength of magnesium oxysulfide cement）

由图1可以看出，当生土材料掺量为氧化镁质量的10%、30%时，试件养护28d的抗折强度为7.60 MPa和6.96 MPa，分别比空白对比试件提高14.11%和4.50%。掺量为氧化镁质量的50%和70%时，试件养护28 d的抗折强度分别比空白对比试件降低5.71%和19.67%。随着生土材料掺加量的进一步提高，试件抗折强度进一步降低。当碳酸钙粉掺量为30%、50%和70%时，试件养护28 d的抗折强度为7.13 MPa、6.57 MPa和6.11 MPa，分别比等掺量生土材料试件提高2.44%、4.62%和4.07%。但生土材料掺量为氧化镁质量的10%时，试件养护28 d的抗折强度高于掺碳酸钙粉试件的抗折强度，掺量超过10%低于50%时，抗折强度略低于等掺量碳酸钙粉试件，降低幅度不大。掺量超过50%后，无论是掺生土材料还是掺碳酸钙粉的试件，养护28 d的抗折强度皆有大幅度的降低，所以，建议生土材料或碳酸钙粉的掺量最好不超过50%。

2.1.2 生土材料、碳酸钙粉掺量对硫氧镁水泥抗压强度的影响

测试了生土材料、碳酸钙粉掺量对硫氧镁水泥养护28 d抗压强度的影响，结果见图2。

图2 生土材料、碳酸钙粉掺量对硫氧镁水泥抗压强度的影响（Fig.2 Effect of raw soil material and calcium carbonate content on compressive strength of magnesium oxysulfide cement）

由图2并结合图1综合分析，由于生土材料的颗粒较碳酸钙粉的颗粒细小，比表面积比碳酸钙粉大，堆积密度小于碳酸钙粉，饱和吸水率大于碳酸钙粉，当浆体稠度相同时，用液量大于掺碳酸钙粉试件。胶凝材料中微细填充材料的掺加大多不利于材料抗折强度的提高，所以，掺生土材料的试件抗折强度低于掺碳酸钙粉的试件。恰恰相反，正因为生土材料比碳酸钙粉颗粒细小，具有较高的表面能，在胶凝材料硬化体内具有很好的填充效应，降低材料内部孔隙率，提高材料的结构密实性，进一步改善材料的力学性能，再加之生土材料本身含有较高含量的SiO2和Al2O3成分，具有潜在的水硬性[8]，所以，掺生土材料的试件抗压强度高于掺碳酸钙粉试件的抗压强度。即使生土材料掺量为氧化镁质量的70%时，试件养护28d的抗压强度仍然能够达到35.99 MPa，而等掺量碳酸钙粉试件的抗压强度也只有27.89 MPa，两者相差22.51%。综合分析，掺生土材料试件的抗压强度优于掺碳酸钙粉试件，建议生土材料的掺量宜控制在氧化镁质量的50%以内。

2.2 细木屑掺量对生土基硫氧镁水泥抗压强度、试件密度的影响

固定生土材料的掺量为氧化镁质量的50%，复合掺加不同加量的细木屑，考察了细木屑掺量对生土基硫氧镁水泥胶凝材料不同养护龄期的抗压强度、试件密度的影响，结果见表6。

表6 细木屑掺量对生土基硫氧镁水泥胶凝材料抗压强度及试件密度的影响（Table 6 Effect of fine sawdust content on compressive strength and specimen density of raw soil based magnesium oxysulfide cement cementitious material）

由表6看出，随着细木屑掺量的增加，试件密度随之降低，抗压强度也随之降低。抗压强度及试件密度与木屑掺量呈负相关性，木屑掺量越大，强度占比越小。分析原因：（1） 经检测所用细木屑如落叶松等木材中含有一定量的妨碍水泥固化的丹宁酸及糖分[9]，对水泥强度的发挥有一定的抑制作用。通常在生产木丝水泥板时，可将木丝事先进行矿化，将木丝中的有机化合物转化成无机化合物来消除有机成分对胶凝材料的负面影响[10]。但细木屑掺加在生土基硫氧镁水泥中，由于处理成本较高，且处理效果也并不十分理想，所以没有太大必要对木屑进行特殊处理。（2）在生土基硫氧镁水泥料浆制备时，由于浆体在搅拌设备内要完成两个运动，即径向运动和轴向运动[11]，同时也发生质和量的变化[12]，以及固相、液相和气相间的物理化学变化[13]，料浆在完成两个运动的同时，伴随着木屑掺入，也会引入一定量的空气，导致浆体密度降低。随着木屑掺量的增加，引入的空气也逐渐增多，孔隙率逐渐增大，抗压强度逐渐降低。因此，在生土基硫氧镁水泥胶凝材料中细木屑掺量不宜掺量过高，宜控制在20%左右为宜。

2.3 PVA纤维掺量对生土基硫氧镁水泥胶凝材料力学强度的影响

2.3.1 PVA纤维掺量对生土基硫氧镁水泥胶凝材料抗折强度的影响

固定生土材料的掺量为50%，掺加不同加量的PVA纤维，测试了不同掺量的纤维对生土基硫氧镁水泥胶凝材料不同养护龄期抗折强度的影响，结果见图3。

图3 PVA纤维掺量对生土基硫氧镁水泥胶凝材料抗折强度的影响（Fig.3 Effect of PVA fiber content on flexural strength of raw soil based magnesium oxysulfide cement cementitious material）

由图3可以看出：（1） 随着养护龄期的延长，试件各养护龄期的抗折强度逐渐提高。（2）随着PVA纤维掺量的增加，试件的抗折强度逐渐提高，试件在破型过程中，没有掺加纤维的试块折断速度快，迅速成为两截（见图4），位移曲线没有延伸过程。掺加PVA纤维的试块折断后，纤维丝从断头有规律拔出（见图5），位移曲线平缓延伸。并且随着纤维掺量的增加，试块折断裂缝逐渐减小。这是因为乱向分布的短切PVA纤维在裂纹间起到桥联作用，阻止了裂纹的张开，而且纤维的桥联应力会随纤维在基体内的拔出滑移的增加而增加。该滑移增强现象是通过纤维与基体间的摩擦力和纤维拔出点的摩擦增强作用来实现的，因此，PVA纤维和基体间的桥联作用，可以承受继续增加荷载所产生的裂纹应力，表现出裂纹宽度的减小[14]（见图6、7、8）。另外，由于PVA纤维直径较小，单位质量的纤维根数相对较多，在试块加载受折过程中，起到很好的桥接作用，并分散部分外部负荷，从而提高了试块的抗折强度，也提高了材料的韧性。

图4 不掺纤维试块折断情况（Figure 4 shows the breaking of the test block without fiber）

图5 试块断面纤维拔出情况（Figure 5 shows the fiber pulling out of the section of the test block）

图6 纤维掺量0.3%（Figure 6 shows the fiber content of 0.3%）

图7 纤维掺量0.8%（Figure 7 shows the fiber content of 0.8%）

图8 纤维掺量1.2%（Figure 8 shows the fiber content of 1.2%）

2.3.2 PVA纤维掺量对生土基硫氧镁水泥胶凝材料抗压强度的影响

固定生土材料掺量为50%，测试了PVA纤维不同掺量对生土基硫氧镁水泥胶凝材料抗压强度的影响，结果见图9。

图9 PVA纤维掺量对硫氧镁水泥胶凝材料抗压强度的影响（Fig.9 Effect of PVA fiber content on compressive strength of magnesium oxysulfide cement cementitious material）

由图9可知：（1） 随着PVA纤维掺量的增加，试件各养护龄期的抗压强度呈先提高后降低的趋势，其拐点掺量为氧化镁质量的1.0%。低掺量（小于1.0%）时，随着纤维掺量的增加，试件抗压强度逐渐提高，掺量为1.0%时抗压强度出现最大值，试件养护1 d的抗压强度由空白试件的28.35 MPa提高到40.53 MPa，提高幅度为42.96%；养护3 d时抗压强度由空白试件的39.30 MPa提高到48.91 MPa，提高幅度为24.45%；养护28 d时抗压强度由空白试件的45.18 MPa提高到55.63 MPa，提高幅度为23.13%。随着PVA纤维掺量的进一步提高，试件的抗压强度逐渐下降。分析原因，PVA纤维在生土基硫氧镁水泥体系内具有很好的阻裂作用。在掺量适宜的范围内，PVA纤维在基体受压过程中起到了限制试件横向变形以及裂缝延伸和发展的作用，又由于纤维的掺入，可以在材料中形成相互搭接的三维网状结构，在试件受压变形时，由于纤维的牵拉作用，也限制了变形的发展，同时还能够吸收部分破坏能量，减缓裂痕的延伸，使试件承载能力得以提高。但是，随着纤维掺量的继续增加，超出了适宜的加量范围后，大量的纤维不能均匀分布在基体内，就会产生团聚现象，增加了孔隙率，削弱了胶凝材料对纤维的握裹力和界面粘接强度，并增加了基体内部缺陷，减弱了承载能力，从而导致试件的抗压强度降低。因此，在生土基硫氧镁水泥胶凝材料中PVA纤维的掺量应控制在1.0%以内。

3 生土基硫氧镁水泥生态防火板性能测试及检测结果

结合以上试验结果，添加适量的增强改性剂和抗水改性剂（其中增强改剂为多种有机酸性物质化合而成，抗水改性剂为几种碱性化合物复配而成，这是多年的研究成果之一）。将配合比最终优化为m（MgO）:m（生土材料）:m（细木屑）:m（PVA纤维）:m（增强改性剂）:m（抗水改性剂）:m（硫酸镁溶液）=100:50:20:1.0:1.5:1.5:115。利用辊压成型方法生产的生土基硫氧镁水泥生态防火板材，经国家建筑材料测试中心（国检集团）依据GB/T33544—2017《玻镁平板》进行测试，检测结果见表7。由表7可以看出，通过对生土基硫氧镁水泥实施改性技术生产的防火板材，各项性能指标均达到或超过国家标准要求，能够满足工程使用要求。

表7 生土基硫氧镁水泥生态防火板性能测试结果（Table 7 Performance test results of green soil based magnesium oxysulfide cement ecological fireproof board）

4 市场前景分析及工程应用

生土基硫氧镁水泥防火板材不仅具有防火、防水、轻质高强、不燃、零甲醛、绿色、节能环保等特殊性能，还具有良好的可塑性和深加工性，可成型各种机理纹、浮雕、镂空等装饰性极强的装饰板材，广泛应用于建筑物的空间吊顶、墙面装修、墙体隔断、地面铺设以及外墙装饰装潢等，具有优异的物理性能、装饰性能和环保性能，是差异化的产品。市场前景可观。用该研究成果生产的生土基硫氧镁生态防火板装饰建筑物，其装饰效果见图10。

图10 生土基硫氧镁水泥防火板的装饰效果Figure 10 Decorative effect of raw soil based magnesium oxysulfide cement fireproof board

5 结语

（1）当生土材料掺量为氧化镁质量的10%时，试件养护28 d的抗折强度高于空白对比试件，也高于等掺量碳酸钙粉试件，掺量超过30%后，随着生土材料掺量的增加，抗折强度逐渐降低，同时也低于等掺量碳酸钙粉试件的抗折强度。

（2）生土材料和碳酸钙粉等掺量时，掺生土材料试件的抗压强度皆高于掺碳酸钙粉试件的抗压强度。

（3）细木屑掺量与生土基硫氧镁水泥抗压强度、试件密度呈负相关性，掺量越大，强度越低，密度越小。

（4） PVA纤维掺量在0至1.2%的范围内，随着PVA纤维掺量的增加，生土基硫氧镁水泥试件抗折强度逐渐提高，抗压强度呈先提高后降低的趋势，掺量为1.0%时，试件抗压强度出现最大值为55.63 MPa，较空白对比试件提高23.13%，掺量提高到1.20%时，抗折强度较空白对比试件提高62.58%，抗压强度提高17.26%。

（5）生土基硫氧镁生态防火板，作为现代装饰装修材料，具有热工性能好、隔音、吸音、防火、防水、零甲醛，各项性能指标皆达到或超过国家标准要求，是一种生态化的建筑材料，可为居住空间创造更加舒适的居住环境。