配比及添加劑對氯氧鎂水泥耐水性研究

徐會君， 王　前， 李　森， 杜慶洋

(1.山東理工大學 化學工程學院， 山東 淄博 255049;2.山東理工大學 材料科學與工程學院， 山東 淄博 255049)

配比及添加劑對氯氧鎂水泥耐水性研究

徐會君1， 王前2， 李森2， 杜慶洋2

(1.山東理工大學 化學工程學院， 山東 淄博 255049;2.山東理工大學 材料科學與工程學院， 山東 淄博 255049)

摘要：以氧化鎂、氯化鎂為原料，加入添加劑磷酸和FeSO4制備氯氧鎂水泥.研究了原料配比、磷酸和FeSO4對氯氧鎂水泥耐水性的影響；利用電腦恒應力壓力試驗機測試了不同齡期的抗壓強度來表征其耐水性.實驗結果表明，所用氧化鎂原料的活性為63.24%(質量分數)，原料MgO∶MgCl2(摩爾比)為6∶1時效果最好;添加劑磷酸和FeSO4均能大幅度提高氯氧鎂水泥的耐水性，浸水56d時的抗壓強度表明磷酸的效果優于FeSO4.

關鍵詞：氯氧鎂水泥； 耐水性； 抗壓強度

氯氧鎂水泥俗稱無機玻璃鋼，是由Sorel[1]先生于1867年發明的，因而又稱之為Sorel水泥.氯氧鎂水泥具有早強、高強、快凝、耐磨、耐腐蝕、防火、粘結力強等優點, 其制品的應用也越來越廣泛, 包括防火板、通風管道、地板磚、輕型屋面板、波形瓦、門芯板、活動房屋等室內室外建筑材料制品[2].近年來，氯氧鎂水泥廣泛應用于大棚骨架，可以使大棚覆蓋面積大，熱效應好，搭建方便，且造價低.在同等承載力下，該骨架是鋼架造價的1/8，水泥造價的1/3，成本低于竹木，質量優于鋼架，生產工藝簡單.但是氯氧鎂水泥耐水性不佳，進而強度下降，影響其使用壽命年限.改善氯氧鎂水泥的耐水性具有很多措施和方法[3]，例如，選擇合理的配比和工藝措施、適宜的養護條件[4]、添加水泥改性劑和礦物外加劑[5-6]等.但目前最有效的方法是摻加外加劑，不同的外加劑在氯氧鎂水泥中的改性機理不同[7]，其作用效果也有所不同.為了增加大棚支架中氯氧鎂水泥的使用壽命,本實驗通過選擇合適的配比，以及摻加磷酸和硫酸亞鐵外加劑改善氯氧鎂水泥的耐水性.

1實驗

1.1實驗試劑與儀器

氧化鎂(細度為過200目篩，小于74μm)，氯化鎂(六水氯化鎂)，磷酸(分析純)，硫酸亞鐵(工業級).FA2204B型電子分析天平，電動攪拌器，HZJ多功能數控磁力振動臺，BC-300D電腦恒應力壓力試驗機，索尼(SONY)DSC-RX100黑卡數碼相機.

1.2試驗方法

將MgCl2·6H2O溶于水中形成濃度為26°Be＇(MgCl2與H2O摩爾比約為1∶14)的MgCl2水溶液，按照一定配比加入氧化鎂，再加入添加劑，攪拌均勻，形成水泥漿體.將漿體澆入鋼模(40×40×160mm3)中.在自然條件下養護24h后脫模，繼續自然養護至齡期后，一部分樣品進行強度測試，另一部分樣品放入水中，養護至齡期后，再進行強度測試.

1.3分析與測試

利用X射線衍射儀(XRD)(D8ADVANCE，德國BruckerAXS公司)進行樣品物相分析；利用BC-300D電腦恒應力壓力試驗機測試樣品抗壓強度.活性MgO含量測試方法：準確稱取5.0g試樣于100mL的燒杯中，記此時燒杯和試樣的質量為M1，并置于120℃的烘箱中烘至恒重，記為M2；取出燒杯，在燒杯中加入50mL水，在室溫下靜置24h；將試樣置于120℃的烘箱中烘至恒重，記為M3.活性MgO含量W的計算公式：

W=(M3-M2)/{0.45×(5.0000-M1+M2)}

2結果與討論

2.1活性MgO含量的測定

通過5組試驗測定活性MgO的含量，具體實驗數據見表1.一般來說[8]，活性MgO的質量分數在55%～65%比較合適，如果活性較高，鎂水泥制品內部會產生結晶應力，進而在制品表面會出現微裂紋，如果活性較低，會導致反應速度較慢，最終影響水泥制品的強度.由表1可知，活性MgO含量為63.24%，說明本實驗所用MgO質量較好.

表1活性MgO的含量

序號試樣質量/gM1/gM2/gM3/gW/%ω-(平均值)/%15.000015.374615.278416.673563.2225.000015.397815.288516.702364.2435.000015.287615.189716.563462.2763.24

2.2原料配比對氯氧鎂水泥耐水性的影響

表2是MgO∶MgCl2(摩爾比)分別為3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1時，各個齡期抗壓強度的情況.由表2可以看出，隨著摩爾比增加，14d水泥試塊的抗壓強度也逐漸增加，當達到摩爾比為9∶1時，抗壓強度為72.47MPa.浸水7d水泥試塊的抗壓強度在不同摩爾比下，均有小幅度的減小.浸水28d水泥試塊的抗壓強度與14d水泥試塊的抗壓強度相比，降低幅度最大的是摩爾比為3∶1時的試樣，其抗壓強度降低了77%.降低幅度最小的是摩爾比為6∶1時的試樣，其抗壓強度降低了52%，本實驗對比以上數據表明MgO∶MgCl2(摩爾比)為6∶1較好，為此在以下研究添加劑對氯氧鎂水泥耐水性影響時采用此配比.

圖1是摩爾比為6∶1時樣品的XRD圖.與標準卡片相對比，樣品的主要衍射峰為為5相(Mg3Cl(OH)5·4H2O)和少量的3相(Mg2Cl(OH)·4H2O)的衍射峰.

表2原料配比與試樣抗壓強度的關系

摩爾比3∶14∶15∶16∶17∶18∶19∶114d抗壓強度/MPa44.7653.3259.6464.3468.4670.3872.47浸水7d抗壓強度/MPa35.2846.8850.4658.3460.4964.5767.38浸水28d抗壓強度/MPa10.2814.6719.4930.8931.2331.4530.25

注：試樣強度為每組3個樣品測試數據的平均值，下同.

表3FeSO4加入量與水泥試塊抗壓強度的關系

質量分數/%00.10.20.30.40.514d抗壓強度/MPa64.3463.7862.4765.8966.3066.02浸水7d抗壓強度/MPa58.3460.5859.3462.4562.1963.39浸水28d抗壓強度/MPa30.8940.5944.6549.1953.2953.21浸水56d抗壓強度/MPa8.2319.2222.3427.4735.4836.34

2.3FeSO4對氯氧鎂水泥耐水性的影響

表3是添加不同含量的FeSO4對水泥試塊抗壓強度的影響.從表3可以得到，加入不同含量的FeSO4對水泥試塊的14d抗壓強度沒有太大影響.浸水7d水泥試塊的抗壓強度均有小幅度的減小.隨著FeSO4含量的增加，浸水28d水泥試塊的抗壓強度逐漸增加，在質量分數為0.4%時，達到了最大值53.29MPa，與未加添加劑的相比，抗壓強度增加了22.40 MPa，保持了浸水前80%的抗壓強度.浸水56d時，試塊的抗壓強度同樣隨著FeSO4含量的增加也提高，在質量分數0.4%時最佳.圖2為添加0.4% FeSO4浸水56d后樣品的斷面圖，從圖中可以看出，樣品外部淺色部分為多孔的疏松結構，已經被水滲透發生了溶解反應，5相和3相轉化為Mg(OH)2流失，是導致抗壓強度下降的原因；內部深色部分為沒有轉變的致密結構.分析數據可以得出，雖然與未加添加劑相比，耐水性有了較大的提高，但是最大值也僅僅保有浸水前一半左右的抗壓強度.

圖1　樣品的XRD圖

圖2　添加0.4% FeSO4水泥樣品的斷面圖

2.4磷酸對氯氧鎂水泥耐水性的影響

表4是添加不同含量磷酸在不同齡期下抗壓強度的情況.由表4可以看出在14d抗壓強度添加磷酸與未加磷酸時相比稍有下降.在浸水7d后水泥試塊的抗壓強度均稍有減小.在浸水28d后不加添加劑的水泥試塊抗壓強度大幅度降低，隨著磷酸含量的增加，水泥試塊抗壓強度逐漸增加，在含量0.6%時，增加到54.78MPa.浸水56d后水泥試塊的抗壓強度進一步減小，添加磷酸水泥試塊的抗壓強度明顯比未加添加劑水泥試塊的抗壓強度大，在含量為0.6%時達到最大值42.46MPa，圖3為添加0.6%磷酸浸水56d樣品的斷面圖，從圖中可以看出樣品外部僅僅有少量區域的5相和3相被溶解，結合表4的數據，抗壓強度由未加添加劑降低了87%提高到降低32%.因此磷酸含量為0.6%時，對提高氯氧鎂水泥的耐水性效果較好.

表4磷酸加入量與水泥試塊抗壓強度的關系

質量分數/%00.20.40.60.814d抗壓強度/MPa64.3461.3460.1062.4861.38浸水7d抗壓強度/MPa58.3458.9858.6860.1259.87浸水28d抗壓強度/MPa30.8947.2353.2154.7854.08浸水56d抗壓強度/MPa8.2320.4534.7842.4641.45

圖3　添加0.6%水泥磷酸樣品的斷面圖

2.5耐水性改善機理

張振禹等[9]從熱力學的角度證明，氯氧鎂水泥中物質穩定順序為：5相<3相

3結論

通過改變原料配比，加入添加劑可以明顯提高無機玻璃鋼的耐水性，進而延長氯氧鎂水泥的使用壽命.

(1)使用活性為63.24%的MgO，MgO∶MgCl2摩爾比為6∶1時耐水性較好.

(2)在上述條件下添加磷酸和FeSO4均能提高無機玻璃鋼的耐水性，當磷酸的質量分數為0.6%時，耐水性達到最佳.

參考文獻:

[1]Sorrel S. On a New Magnesium Cement [J]. C R Acad Sci, 1867, 65:102-104.

[2]吳金焱,朱書全.氯氧鎂水泥及其制品的研發進展[J].中國非金屬礦工業導刊,2006(1),15-18.

[3]張翠苗,楊紅健,馬學景.氯氧鎂水泥的研究進展[J].硅酸鹽通報,2014,33(1):119-120.

[4]Sglavo V M, De Genua F, Conci A,et al. Influence of curing temperature on the evolution of magnesium oxychloride cement[J]. Journal of materials science, 2011, 46(20) : 6726-6733．

[5]李振國,吉澤升.氯氧鎂水泥制品變形及開裂的研究進展[J].硅酸鹽通報,2012,31(2):291-300.

[6]楊麗.不同添加劑對氯氧鎂水泥防水性能的影響[J].煉油與化工,2014,25(2):17-18.

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[8]李娜，王琦，張梅.氯氧鎂水泥耐水性研究[J].四川水泥，2014(12)：8-11.

[9]張振禹,戴長祿,張銓昌.相5和相3的形成機理研究[J].中國科學,1991(1):82-89.

(編輯：姚佳良)

Research on water proofness of magnesium oxychloride cement

XU Hui-jun1, WANG Qian2, LI Sen2, DU Qing-yang2

(1.School of Chemical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China；2.School of Materials Science and Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract:Magnesium oxychloride cement was prepared using MgO, MgCl2 and additives as raw materials in the thesis. The effects of MgO∶MgCl2, H3PO4 and FeSO4on water proofness of magnesium oxychloride cement were investigated. The compressive strength of different ages was tested using the computer constant pressure test machine, which measured the water proofness. The experimental results showed that the best ratio of MgO∶MgCl2 was 6∶1 both H3PO4 and FeSO4could improved the water proofness of magnesium oxychloride cement significantly than that of FeSO4, and the effect of H3PO4 on water proofness of magnesium oxychloride cement was better.

Key words:magnesium oxychloride cement; water proofness; compressive strength

收稿日期：2015-08-12

作者簡介：徐會君，女， xuxuhuijun@126.com

文章編號：1672-6197(2016)05-0049-03

中圖分類號：TQ172.7

文獻標志碼：A