硫氧鎂膠凝材料的研究進展

劉繼雅 趙雅茹 張曉龍 王靜 李潤通

摘要：硫氧鎂膠凝材料（Magnesium Oxysulfate Cementitious Material）是近些年新興起的建筑材料，是由一定量的活性輕燒氧化鎂和一定濃度的MgSO4水溶液和組成的MgO-MgSO4-H2O的三元組成，具有質量輕、體積穩定性好、耐火、保溫隔熱等優點。本文主要闡述了硫氧鎂膠凝材料的研究背景以及各種改性劑、摻加劑對其的影響，在建材方面可作為一種新型環保材料應用于生產建筑輕質保溫墻板、裝飾裝修材料、集成式房屋等工程，在建材領域有廣闊的前景。

關鍵詞：硫氧鎂膠凝材料;建筑材料;環保;改性劑;摻加劑

1.前言

硫氧鎂膠凝材料是以氧化鎂、七水硫酸鎂、水等為主要材料，通過添加摻和劑、改性劑加工而成，硫氧鎂膠凝材料及其涉及的制品至今已有六十多年的發展歷史。研究發現硫氧鎂膠凝材料中有318相晶體穩定的存在;向硫氧鎂膠凝材料添加一定量的檸檬酸改性劑，進而研究物相組成，會生成一種新的5Mg（OH）2·MgSO4·7H2O（517）結晶相，提高物理力學性能，但是發現其抗壓強度較低，結構耐久性低，嚴重限制應用。經探究發現，粉煤灰有填充作用并能使漿體變得更加密實，能進一步提高抗壓強度[1～3]。但是迄今為止，對硫氧鎂膠凝材料抗折抗壓耐水性能的研究報告很少見，且在原料方面對再生利用的的研究較少，在面對降低成本、減少固廢對環境的不良影響等問題上，提出的解決辦法較少，本文將介紹各種因素對材料性能的影響及其應用領域。

2.各種因素對材料性能影響的研究進展

2.1原料配比

為了優化耐水性，研究發現其強度耐水軟化系數隨氧硫比的增大先升后降，最終確定在氧硫比為1.7時耐水性能最好。同時發現固定氧硫比時，耐水性隨著水硫比的增大不斷降低。固定水硫比時，材料抗壓和抗折強度均隨氧硫比的增大先升高后降低，當氧硫比為1.7時抗壓和抗折強度均達到最大值。通過研究活性為65%、70%、78%的輕燒MgO對硫氧鎂水泥性能的影響表明：低活性MgO制備的硫氧鎂水泥的抗壓強度為80.6MPa，而高活性MgO制備的硫氧鎂水泥的抗壓強度為40.6MPa，表明低活性輕燒MgO會對硫氧鎂水泥的抗壓強度有明顯的提高[4]。

在硫氧鎂膠凝材料中，如果氧硫比（氧化鎂和七水硫酸鎂的比值）太小，水膠比（水/氧化鎂+硫酸鎂）太大，則流動性會較大，凝結時間緩慢，進而造成抗壓強度較低。如果氧硫比較大，水硫比較小，會使得氧化鎂粉過剩，進而水化反應不完全，最終強度較低。由此可得，選擇合適的原料摩爾配比，會抑制氫氧化鎂的形成，促進517相的生成，使性能大幅提高。

2.2改性劑

硫氧鎂膠凝材料的耐水性能較差，且易變性、容易開裂、力學強度低（甚至低于硅酸鹽水泥），這是尤為致命的缺點與不足。當前耐水性較差的原因主要有兩方面，一是組成：在材料中318/513相的結構骨架中含有離子晶體格的成分，而且其中含有結晶水以及OH-，其在極性溶劑中尤其是在水中是不穩定的，而且剩余未反應完全的原料之間相互反應進而使得材料的體積分數增大，破壞其完整的結構;二是結構，硫氧鎂膠凝材料屬于多孔材料，其中的水化顆粒之間存在毛細管空隙，毛細管空隙為水的滲透的通道，進一步降低抗水性能。

有實驗發現不同用量的檸檬酸和聚乙二醇的添加，會對力學性能產生影響，研究表明改性后抗折強度、抗壓強度和耐水性得到提高，當聚乙二醇的摻量為3.0%時，抗折強度和抗壓強度達到最大，改性效果最佳[5～6]。吳成友[7]等通過研究有機酸CA對抗壓強度﹑耐水性能以及物相組成等的影響，發現摻加CA改性后出現了一種形態為針棒狀晶體的5·1·5新相，即5Mg（OH）2·MgSO4·5H2O，而且導致材料中產生的Mg（OH）2數量下降，力學性能顯著上升，吸水率下降。

2.3摻加劑

摻加劑的形態和摻量對硫氧鎂材料的力學性能有相當大的影響。當秸稈作為摻加劑，其長度為2-3cm，摻量為氧化鎂質量的6%時，此時為秸稈的最佳形態和摻量;當崗石廢渣摻量在5%～10%時，對檸檬酸改性硫氧鎂膠砂力學性能改善效果有顯著提升，當摻量為5%時，此時的膠砂試件28d抗折及抗壓強度可以達到最大值17.8MPa、92.5MPa。純硫氧鎂膠凝材料可以說是一個多晶體堆聚體體系，粉煤灰、尾礦粉和高爐礦渣等摻料的添加都會對其微觀結構都產生不同影響，從而影響其力學性能、隔熱性能和耐水性。當粉煤灰摻量為40%時，此時添加粉煤灰并無新生水化相，并且還有效提高A05～A08密度等級硫氧鎂材料的抗壓強度，同時粉煤灰顆粒的微集料效應可使其微觀結構變得更加密實[8]。

3.硫氧鎂膠凝材料的應用

近年來，鎂凝膠制品的應用領域日益廣泛。改性硫氧鎂膠凝材料的特性有無味無毒、高強質輕、隔音保溫、防水防火等，生產過程無三廢排放，運輸與安裝便捷，在建材領域具有占領市場的優勢。建筑按使用功能分類為居住建筑、辦公建筑、醫療建筑等，由硫氧鎂材料制成的墻板可以廣泛應用其中。

3.1居住建筑

居住建筑會在節省空間的前提下對室內進行改造，應用硫氧鎂材料生產的墻體輕薄，可以極大地節省空間，墻板質量耐磨且防火防潮。一般的紅磚只能防磨和防火，但不防潮，而且不好粉刷，占室內面積也比較大;木制隔墻板節省空間，也有一點的防潮能力，但是隔音效果和防火能力太差。居家保持個人隱私也是一種必要，而硫氧鎂材料的隔音效果比傳統墻材來說有大大的提高。

3.2辦公建筑

由硫氧鎂材料制成的輕質隔聲墻板整體強度高不變形，因此可用作層高、跨度大的墻體間隔，其抗沖擊性能是一般砌體的1.5倍。硫氧鎂材料重量只有實心磚墻的八分之一，強度達到C30，熱傳導率只有實心磚墻的三分之一，聲波傳導率只有實心墻磚的四分之一，自動調整室內空氣濕度，節約墻體成本的15%～20%，提高施工效率三倍至五倍。

3.3醫療建筑

醫療建筑作為社會中特殊易感人群的集中地，其建筑特征與一般建筑大不相同，主要表現為墻面裝修材料在潔凈衛生方面的標準要求比一般建筑要高，如防塵、防火、耐候、清潔難度、使用年限等。在一般的公用建筑中，防火安全設計和管理也同等重要。硫氧鎂膠凝材料不僅具有很好的保溫性能，而且不燃。醫療建筑的建筑結構、裝修布置都應有較強的隔離性能，保證隱私，避免交叉感染，通過利用硫氧鎂墻體材料輕便可拼搭的特點，可快速營造相對私密的空間，保證人身安全以及隱私性。

4.硫氧鎂膠凝材料的前景

硫氧鎂膠凝材料能夠得到普遍應用的原因主要有兩個，即原材料易得與生產工藝簡單。目前，我國菱鎂礦儲量約占世界總儲量的三分之一，豐富的原料儲備奠定了物質基礎。以高摻量工業廢渣制備硫氧鎂材料為基材，以農業廢棄物秸稈、鋸末等為填料制備綠色鎂質工藝品，不僅可以增強抗壓強度，還可以解決低品位菱鎂礦及大量工農業廢棄物高效利用的問題。以固體工業廢料為主要原材料制備新型建筑材料，對治理環境污染、節約能源和資源、改善建筑功能，促進我國建材業和建筑業技術進步具有顯著的社會效益和經濟效益。

近年來，隨著硫氧鎂膠凝材料研究的不斷推進，該材料被越來越多地應用到基礎建設、裝飾裝修等領域。綜合國內外研究表明，大力解決硫氧鎂膠凝材料的問題并且積極充分地利用優勢，進一步改良優化，有更加廣闊的發展前景及環境效益。就行業整體認知度、市場發展，從產業布局的推廣、政策支持等方面來看，硫氧鎂膠凝材料將成為二十一世紀最有望的新型材料。

參考文獻：

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

[2]吳成友，余紅發，文靜，等.改性硫氧鎂水泥物相組成及性能研究[J].新型建筑材料，2013（5）：68.

[3]姜黎黎，陳逸敏，許可，等.粉煤灰對硫氧鎂水泥抗壓強度的影響[J].硅酸鹽通報，2015，34（5）：1427-1430.

[4]姜威. 組成對硫氧鎂水泥性能的影響研究[D].沈陽建筑大學，2017.

[5]郭濤.硫氧鎂膠凝材料的制備及改性研究D].天津：河北工業大學，2017.

[6]楊軍彩.改性劑對硫氧鎂水泥性能的影響[J].混凝土，2020（05）：83-84+93.

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

[8]付希堯.植物纖維復合硫氧鎂水泥基材料的制備及性能研究[J].江西建材，2020（05）：7-8+11.

河北科技大學化學與制藥工程學院 河北 石家莊 050000