高成型压力下水菱镁石材料的制备工艺研究

＊李听 田野 梁新民

（1.四川文化艺术学院 四川 621000 2.广东省佛山地质局 广东 528000 3.中国恩菲工程技术有限公司 北京 100038）

隧道火灾的主要危害在于对隧道本身结构的损坏和其引起的人员伤亡。目前，常用的隧道防火板面临着施工难度、材料成型难度大和体积密度大的问题[1]。而水菱镁石受热后在100～750℃的范围内，会依次脱去结晶水、结构水和二氧化碳，在此过程中会吸收大量的热，因此，水菱镁石可做为一种防火材料[2]。水菱镁石板材的制备，在国外已有先驱研究，Roque等人[3-4]研究CO2和含Mg2+水溶液在高pH条件下，反应可以形成三水碳酸镁，利用三水碳酸镁向碱式碳酸镁的相转变，将其作为结合相替代其它气硬性胶凝材料或水硬性胶凝材料，李敏智[5]发现将轻烧MgO转化为MgCO3·3H2O晶体，然后再压制成型，可通过热养护来使试样内部的MgCO3·3H2O晶体转化为水菱镁石。国内有将菱镁矿作为原材料制得氯氧镁水泥防火板，但板材存在强度低、易弯曲变形、返卤泛霜等问题[6]，本文主要研究如何制备具有抗压强度较好的水菱镁石板材，探索高压力成型下三水碳酸镁粉体向水菱镁石板材转变的最佳条件和水菱镁石材料的最佳制备工艺，为后续研究提供参考。

1.试验方法

以三水碳酸镁为原料，加入不同比例的水搅拌均匀后，倒入模具中，使用压机压制成型，成型为φ20×20mm圆柱形样品，样品经过湿热养护后再干燥处理，并用电子分析天平对样品测质量，用精密游标卡尺准确测量圆柱形样品的高、直径，以此计算出圆柱形样品的体积密度，并对样品进行抗压强度测试。

2.试验过程及结果分析

(1)保压时间对样品性能的影响

在三水碳酸镁粉末中加入0.2倍的水搅拌均匀，放入直径为20mm的圆柱形模具中压制成型，压力值分别为30MPa、90MPa和150MPa，压机速度控制为1kN/s，达到要求压力值后，压机停止工作，不进行保压，然后从模具中取出样品，如图1（a）。样品密封后放入养护箱中在100℃环境下湿热养护，养护时间分为1h、2h、3h、4h，养护后拆掉密封薄膜，放入在鼓风干燥箱中烘干。

研究发现，样品烘干后其上下两面有鼓起的现象，且个别样品表面有皲裂，用手掰开后，观察到其内部在垂直于成型压力的方向上有分层的现象，如图1（b）所示。

分析其原因，由于在压制成型的过程中，压力加速度过快，并且在达到要求压力值后瞬间卸力，三水碳酸镁原处于粉末状态，其间隙中存在有大量的空气，当压力传输给原料时，粉状的三水碳酸镁未及时将气体完全排除，压力就立即消失，导致气体向中部聚集顶撑样品，故样品内部在垂直于成型压力的方向上有分层的现象。但以较小的加速度控制压机，并且在达到要求压力值后保压120s，经湿热养护和烘干后，未发现样品具有上述分层现象。所以，保压时间会影响材料的密实度，保压时间越短，其密实度越差。

(2)密封包裹养护方式对样品性能的影响

将按照上述方法制备的φ20×20mm圆柱形样品，分别经30MPa、90MPa和150MPa的压力压制成型，达到要求压力值后，保压120s，使用保鲜膜密封包裹后，分别在70℃养护6h、12h、18h，以及100℃下养护1h、2h、3h，随后放入在鼓风干燥箱中烘干后，测试其抗压强度与体积密度。

从图2可以发现，随着时间的延长100℃下养护得到的样品体积密度都在降低，说明时间的延长是有利于三水碳酸镁的转变。经计算，当三水碳酸镁完全转变为水菱镁石后，在150MPa压力下成型的样品湿热养护后其理论体积密度应为1000kg/m3；在90MPa压力下成型的样品湿热养护后其理论体积密度应为900kg/m3；在30MPa压力下成型的样品湿热养护后其理论体积密度应为800kg/m3。比较三水碳酸镁湿热养护后样品的实测体积密度与设计密度的正偏差，见图3。可以发现70℃湿热养护样品的干燥体积密度明显高于100℃的样品，表明100℃下湿热养护的产物更接近于水菱镁石。

图3 三水碳酸镁湿热养护样品的实测体积密度与设计密度的正偏差

(3)锁模与否对样品性能的影响

①不锁模养护

在养护过程中不进行锁模，得出三水碳酸镁湿热养护样品抗压强度与体积密度的关系，如图4所示。

图4 三水碳酸镁湿热养护样品的抗压强度与体积密度的关系

图5 三水碳酸镁湿热养护样品的抗压强度

从图4可以看出在100℃下养护可以得到具有较大抗压强度的样品，这与三水碳酸镁浇筑样品湿热养护后的强度相反，并且70℃养护得到的样品体积密度较大。根据上述的最优试验条件，将30MPa、90MPa和150MPa压力成型的样品，在100℃下湿热养护1h、2h、3h，每个试验条件下制备三个样品，烘干后，测试其抗压强度与体积密度的一系列数据。相同试验条件下，每组的三个样品测得的体积密度相差不大，说明三个样品反应程度相同。

随着湿热养护时间的延长，样品的最终体积密度逐渐降低，越来越接近理论体积密度，但还未达到理论体积密度，表明想要三水碳酸镁完全转变为水菱镁石，3h的湿热养护时间还不够，需要延长时间。

相同的三个样品，测得的抗压强度相差较大，尤其是成型压力为150MPa的样品，表明湿热养护后的样品其内部必然有细小的不规则裂隙。理论密度大的样品在湿热养护的过程中有较大的体积膨胀，如图6，体积的膨胀与裂隙的产生有关系。

图6 NQ湿热养护样品湿热养护过程中最大体积变化率

②锁模养护

为阻止样品湿热养护过程中膨胀，需要将样品限制在φ20×20mm圆柱形空间内进行湿热，设计模具，如图7所示。

图7 锁模模具

三水碳酸镁粉末中加入0.2倍的水搅拌均匀，放入图7的模具中经150MPa的压力压制成型，达到要求压力值后，保压120s，使用密封薄膜包裹模具，然后将模具放入100℃烘箱中，分别湿热养护1h、2h、3h。烘干后测试样品抗压强度，如图8所示。

图8 NQ养护样品抗压强度

从图8可以看出，强度值已经处于误差范围以内，说明在锁模的条件下对样品进行湿热养护的方法可以避免样品的开裂，得到一个稳定的抗压强度值。在未锁模的条件下养护样品，样品强度不稳定的原因为：在湿热环境下，松散的三水碳酸镁在转变为水菱镁石材料的过程中会有H2O和CO2的释放，高温下H2O和CO2会将样品撑裂，影响材料的强度。

3.结论

通过对高成型压力下水菱镁石材料的制备过程中的工艺条件和手段的研究，发现工艺过程中的保压时间和养护方式均会对材料的抗压强度造成极大的影响，并得到以下结论：

（1）成型过程中，压机的加荷速度为0.5kN/s，当压力达到目标数值后保压120s，否则会影响材料的密实度。

（2）湿热养护过程中湿度也对样品的稳定性有影响，水量过多样品会胀裂样品，水分过少则样品难以成型。研究结果表明，水胶比为0.2是最佳配比，可以较好的成型，当水胶比大于0.2时，压制成型的过程中会有浆液挤出；当水胶比小于0.2时，材料很难压制成型，易发生塌散。

（3）湿热养护过程中会有CO2和H2O的释放，应把成型后的样品进行锁模操作后使用密封膜包裹模具，放入烘箱中养护，达到养护时间后拆模，并在60℃的干燥箱内干燥24h。以此避免样品在湿热养护的过程中裂开。