生土基硫氧鎂水泥生態防火板的性能研究與應用

朱效甲 ，朱倩倩 ，朱蕓馨 ，關宏強 ，王瑞

（1.濟南市杰美菱鎂建材研究所，山東 濟南 250031；2.遼陽鎂鑫建材科技有限公司，遼寧 遼陽 111200）

0 引言

生土是人類最早使用的建筑材料之一[1]，使用范圍遍布世界各地，其歷史可追溯到距今8 000年前的新石器時代[2]。因其具有取材方便、造價低廉、熱工性能好、污染少、可循環利用、有利于生態平衡等特點，是典型的生態化建筑材料[3]。目前，國內外對生土材料改性技術的研究和應用主要集中在土壤固化方面，應用于路基、擋土等工程。在早期的研究中，土壤固化劑包含普通硅酸鹽水泥、石灰、石膏、粉煤灰、水玻璃等無機膠凝材料。隨著研究進一步深入，先后出現了各種液體固化劑、有機材料固化劑[4-5]。采用普通硅酸鹽水泥、石灰等無機材料作固化劑存

在著生產過程能耗高、環保性差、固化效果有限等弊病，不符合目前常態化的節能環保要求；利用環氧樹脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等有機材料作固化劑，存在著環保性差、耐久性能不良等問題，而且價格普遍偏高，市場難以接受。本研究探討用鎂質膠凝材料作生土的固化劑，即在鎂質膠凝材料中摻加一定量的生土材料，制作生土基鎂質膠凝材料及制品，為生土材料的可循環利用提供一條新思路。

目前，鎂質膠凝材料防火板大體可分為氯氧鎂水泥防火板和硫氧鎂水泥防火板兩大類，氯氧鎂水泥防火板是以一定濃度的氯化鎂溶液拌合輕燒氧化鎂粉，添加合適的功能性材料，經成型、養護，通過化學反應產生力學強度，再經過切邊、質檢等工序加工而成的防火板材。硫氧鎂水泥防火板是以一定濃度的硫酸鎂溶液拌合輕燒氧化鎂粉，添加合適的功能性材料而制成的防火板材。不管是氯氧鎂水泥防火板還是硫氧鎂水泥防火板，生產配方中一定少不了碳酸鈣粉或滑石粉作填充材料，其目的是減小板材水化硬化過程中的膨脹或收縮應力，提高板材的體積穩定性，同時降低原材料成本。碳酸鈣粉及滑石粉源于大自然，為石灰石破碎或碳酸鎂石研磨而得。受礦產資源和環境保護等因素的影響，這些材料已不易得，且價格優勢也逐漸縮小，發展新型節能環保材料已迫在眉睫，減少常規材料的消耗是減輕資源負擔的有效措施[6]。由于未查詢到相關用硫氧鎂水泥膠凝材料做生土固化劑固化生土材材的相關資料和報道，結合本課題組前期的研究成果，深入研究了生土材料、細木屑、聚乙烯醇短切纖維摻量對硫氧鎂水泥性能的影響，同時添加適量的硫氧鎂水泥增強改性劑和抗水劑制作生土基硫氧鎂水泥生態防火板，經國檢集團檢驗，各項性能指標均達到或超過GB/T 33544—2017《玻鎂平板》標準要求。

1 試驗

1.1 主要原材料

（1） 輕燒氧化鎂粉（MgO）：遼寧海城華豐礦業有限公司提供，細度通過200目（0.075 mm）方孔篩，通過率為96.73%，采用水合法[7]測得其活性氧化鎂含量為62.35%，主要化學成分見表1。

表1 輕燒氧化鎂粉主要化學成分 %（Table 1 Main chemical composition of lightly burned magnesia powder%）

（2） 工業七水硫酸鎂（MgSO4·7H2O）:江西湘虹食品添加劑有限公司提供，工業級白色粉末晶體，MgSO4·7H2O含量為99.52%，其化學成分見表2。

表2 工業七水硫酸鎂主要化學成分 %（Table 2Main chemical components of industrial magnesium sulfate heptahydrate %）

（3）生土材料：由濟南幸福花園二期工程地基開挖現場提取，經陳化、晾干、粉碎、過篩等工序處理，制成細度通過100目（0.15 mm）方孔篩的細粉備用。主要化學成分見表3。

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

（4） 碳酸鈣粉（CaCO3）：CaCO3含量為 98.31%，細度通過80（0.18 mm）方孔篩，含水率為1.21%，建材市場采購。

（5） 聚乙烯醇纖維（PVA纖維）：江蘇天怡工程纖維有限公司提供，主要性能指標見表4。

表4 PVA纖維主要性能指標Table 4 Main performance indexes of PVA fiber

（6） 中堿玻璃纖維布：采用網孔為5 mm×5 mm，克重為120 g/m2的中堿玻璃纖維網格布。由河北任丘市鑫順玻纖制品有限公司提供，化學成分見表5。

表5 中堿玻璃纖維網格布主要化學成分 %（Table 5 Main chemical composition of alkali glass fiber mesh cloth%）

（7）細木屑：木材加工廠的廢棄物，經干燥過篩處理后含水率≤15.0%，細度通過20目（0.84 mm）方孔篩，含泥量2.13%，無霉爛變質現象。

（8）改性添加劑：改性增強劑、抗水劑，自制。

1.2 試件制備

將七水硫酸鎂加水溶解并將其溶液密度調至1.25 g/cm3（溶液中純硫酸鎂含量為22.50%）。在攪拌鍋（攪拌機轉速為120轉/min），內加入定量的硫酸鎂溶液、改性添加劑和PVA纖維，再加入定量的輕燒氧化鎂粉攪拌均勻，再分別加入不同加量的生土材料或碳酸鈣粉、細木屑，制成均勻的硫氧鎂水泥料漿，攪拌時間控制在7～10 min。將料漿分兩次注入40 mm×40 mm×160 mm三聯試模內，振動60s，刮平試模表面，覆蓋塑料薄膜，保溫保潮，在溫度（25±1）℃、相對濕度（60±3）%的環境下養護24 h脫模，自然養護至規定齡期進行性能測試。

1.3 儀器設備及測試方法

1.3.1 主要儀器設備

NJ-160A型水泥砂漿攪拌機、ZT-90膠砂試件成型振實臺，江蘇無錫錫鼎建工儀器有限公司；WDW-20型微機控制電子萬能材料試驗機，江蘇天惠試驗設備制造有限公司；101-2型電熱鼓風干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；數顯簡支梁沖擊試驗機（GC-J2L-5D型），廣東東莞市廣測自動化設備有限公司。

1.3.2 測試方法

膠結料性能測試：抗折強度、抗壓強度測試參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗方法（ISO法）》進行測試；防火板材性能測試按照GB/T 33544—2017《玻鎂平板》標準要求進行測試。

2 試驗結果與分析

2.1 生土材料、碳酸鈣粉摻量對硫氧鎂水泥力學強度的影響

2.1.1 生土材料、碳酸鈣粉摻量對硫氧鎂水泥養護28 d抗折強度的影響，結果見圖1。

圖1 生土材料、碳酸鈣粉摻量對硫氧鎂水泥抗折強度的影響（Fig.1 Effect of raw soil material and calcium carbonate content on flexural strength of magnesium oxysulfide cement）

由圖1可以看出，當生土材料摻量為氧化鎂質量的10%、30%時，試件養護28d的抗折強度為7.60 MPa和6.96 MPa，分別比空白對比試件提高14.11%和4.50%。摻量為氧化鎂質量的50%和70%時，試件養護28 d的抗折強度分別比空白對比試件降低5.71%和19.67%。隨著生土材料摻加量的進一步提高，試件抗折強度進一步降低。當碳酸鈣粉摻量為30%、50%和70%時，試件養護28 d的抗折強度為7.13 MPa、6.57 MPa和6.11 MPa，分別比等摻量生土材料試件提高2.44%、4.62%和4.07%。但生土材料摻量為氧化鎂質量的10%時，試件養護28 d的抗折強度高于摻碳酸鈣粉試件的抗折強度，摻量超過10%低于50%時，抗折強度略低于等摻量碳酸鈣粉試件，降低幅度不大。摻量超過50%后，無論是摻生土材料還是摻碳酸鈣粉的試件，養護28 d的抗折強度皆有大幅度的降低，所以，建議生土材料或碳酸鈣粉的摻量最好不超過50%。

2.1.2 生土材料、碳酸鈣粉摻量對硫氧鎂水泥抗壓強度的影響

測試了生土材料、碳酸鈣粉摻量對硫氧鎂水泥養護28 d抗壓強度的影響，結果見圖2。

圖2 生土材料、碳酸鈣粉摻量對硫氧鎂水泥抗壓強度的影響（Fig.2 Effect of raw soil material and calcium carbonate content on compressive strength of magnesium oxysulfide cement）

由圖2并結合圖1綜合分析，由于生土材料的顆粒較碳酸鈣粉的顆粒細小，比表面積比碳酸鈣粉大，堆積密度小于碳酸鈣粉，飽和吸水率大于碳酸鈣粉，當漿體稠度相同時，用液量大于摻碳酸鈣粉試件。膠凝材料中微細填充材料的摻加大多不利于材料抗折強度的提高，所以，摻生土材料的試件抗折強度低于摻碳酸鈣粉的試件。恰恰相反，正因為生土材料比碳酸鈣粉顆粒細小，具有較高的表面能，在膠凝材料硬化體內具有很好的填充效應，降低材料內部孔隙率，提高材料的結構密實性，進一步改善材料的力學性能，再加之生土材料本身含有較高含量的SiO2和Al2O3成分，具有潛在的水硬性[8]，所以，摻生土材料的試件抗壓強度高于摻碳酸鈣粉試件的抗壓強度。即使生土材料摻量為氧化鎂質量的70%時，試件養護28d的抗壓強度仍然能夠達到35.99 MPa，而等摻量碳酸鈣粉試件的抗壓強度也只有27.89 MPa，兩者相差22.51%。綜合分析，摻生土材料試件的抗壓強度優于摻碳酸鈣粉試件，建議生土材料的摻量宜控制在氧化鎂質量的50%以內。

2.2 細木屑摻量對生土基硫氧鎂水泥抗壓強度、試件密度的影響

固定生土材料的摻量為氧化鎂質量的50%，復合摻加不同加量的細木屑，考察了細木屑摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料不同養護齡期的抗壓強度、試件密度的影響，結果見表6。

表6 細木屑摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料抗壓強度及試件密度的影響（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，隨著細木屑摻量的增加，試件密度隨之降低，抗壓強度也隨之降低。抗壓強度及試件密度與木屑摻量呈負相關性，木屑摻量越大，強度占比越小。分析原因：（1） 經檢測所用細木屑如落葉松等木材中含有一定量的妨礙水泥固化的丹寧酸及糖分[9]，對水泥強度的發揮有一定的抑制作用。通常在生產木絲水泥板時，可將木絲事先進行礦化，將木絲中的有機化合物轉化成無機化合物來消除有機成分對膠凝材料的負面影響[10]。但細木屑摻加在生土基硫氧鎂水泥中，由于處理成本較高，且處理效果也并不十分理想，所以沒有太大必要對木屑進行特殊處理。（2）在生土基硫氧鎂水泥料漿制備時，由于漿體在攪拌設備內要完成兩個運動，即徑向運動和軸向運動[11]，同時也發生質和量的變化[12]，以及固相、液相和氣相間的物理化學變化[13]，料漿在完成兩個運動的同時，伴隨著木屑摻入，也會引入一定量的空氣，導致漿體密度降低。隨著木屑摻量的增加，引入的空氣也逐漸增多，孔隙率逐漸增大，抗壓強度逐漸降低。因此，在生土基硫氧鎂水泥膠凝材料中細木屑摻量不宜摻量過高，宜控制在20%左右為宜。

2.3 PVA纖維摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料力學強度的影響

2.3.1 PVA纖維摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料抗折強度的影響

固定生土材料的摻量為50%，摻加不同加量的PVA纖維，測試了不同摻量的纖維對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料不同養護齡期抗折強度的影響，結果見圖3。

圖3 PVA纖維摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料抗折強度的影響（Fig.3 Effect of PVA fiber content on flexural strength of raw soil based magnesium oxysulfide cement cementitious material）

由圖3可以看出：（1） 隨著養護齡期的延長，試件各養護齡期的抗折強度逐漸提高。（2）隨著PVA纖維摻量的增加，試件的抗折強度逐漸提高，試件在破型過程中，沒有摻加纖維的試塊折斷速度快，迅速成為兩截（見圖4），位移曲線沒有延伸過程。摻加PVA纖維的試塊折斷后，纖維絲從斷頭有規律拔出（見圖5），位移曲線平緩延伸。并且隨著纖維摻量的增加，試塊折斷裂縫逐漸減小。這是因為亂向分布的短切PVA纖維在裂紋間起到橋聯作用，阻止了裂紋的張開，而且纖維的橋聯應力會隨纖維在基體內的拔出滑移的增加而增加。該滑移增強現象是通過纖維與基體間的摩擦力和纖維拔出點的摩擦增強作用來實現的，因此，PVA纖維和基體間的橋聯作用，可以承受繼續增加荷載所產生的裂紋應力，表現出裂紋寬度的減小[14]（見圖6、7、8）。另外，由于PVA纖維直徑較小，單位質量的纖維根數相對較多，在試塊加載受折過程中，起到很好的橋接作用，并分散部分外部負荷，從而提高了試塊的抗折強度，也提高了材料的韌性。

圖4 不摻纖維試塊折斷情況（Figure 4 shows the breaking of the test block without fiber）

圖5 試塊斷面纖維拔出情況（Figure 5 shows the fiber pulling out of the section of the test block）

圖6 纖維摻量0.3%（Figure 6 shows the fiber content of 0.3%）

圖7 纖維摻量0.8%（Figure 7 shows the fiber content of 0.8%）

圖8 纖維摻量1.2%（Figure 8 shows the fiber content of 1.2%）

2.3.2 PVA纖維摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料抗壓強度的影響

固定生土材料摻量為50%，測試了PVA纖維不同摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料抗壓強度的影響，結果見圖9。

圖9 PVA纖維摻量對硫氧鎂水泥膠凝材料抗壓強度的影響（Fig.9 Effect of PVA fiber content on compressive strength of magnesium oxysulfide cement cementitious material）

由圖9可知：（1） 隨著PVA纖維摻量的增加，試件各養護齡期的抗壓強度呈先提高后降低的趨勢，其拐點摻量為氧化鎂質量的1.0%。低摻量（小于1.0%）時，隨著纖維摻量的增加，試件抗壓強度逐漸提高，摻量為1.0%時抗壓強度出現最大值，試件養護1 d的抗壓強度由空白試件的28.35 MPa提高到40.53 MPa，提高幅度為42.96%；養護3 d時抗壓強度由空白試件的39.30 MPa提高到48.91 MPa，提高幅度為24.45%；養護28 d時抗壓強度由空白試件的45.18 MPa提高到55.63 MPa，提高幅度為23.13%。隨著PVA纖維摻量的進一步提高，試件的抗壓強度逐漸下降。分析原因，PVA纖維在生土基硫氧鎂水泥體系內具有很好的阻裂作用。在摻量適宜的范圍內，PVA纖維在基體受壓過程中起到了限制試件橫向變形以及裂縫延伸和發展的作用，又由于纖維的摻入，可以在材料中形成相互搭接的三維網狀結構，在試件受壓變形時，由于纖維的牽拉作用，也限制了變形的發展，同時還能夠吸收部分破壞能量，減緩裂痕的延伸，使試件承載能力得以提高。但是，隨著纖維摻量的繼續增加，超出了適宜的加量范圍后，大量的纖維不能均勻分布在基體內，就會產生團聚現象，增加了孔隙率，削弱了膠凝材料對纖維的握裹力和界面粘接強度，并增加了基體內部缺陷，減弱了承載能力，從而導致試件的抗壓強度降低。因此，在生土基硫氧鎂水泥膠凝材料中PVA纖維的摻量應控制在1.0%以內。

3 生土基硫氧鎂水泥生態防火板性能測試及檢測結果

結合以上試驗結果，添加適量的增強改性劑和抗水改性劑（其中增強改劑為多種有機酸性物質化合而成，抗水改性劑為幾種堿性化合物復配而成，這是多年的研究成果之一）。將配合比最終優化為m（MgO）:m（生土材料）:m（細木屑）:m（PVA纖維）:m（增強改性劑）:m（抗水改性劑）:m（硫酸鎂溶液）=100:50:20:1.0:1.5:1.5:115。利用輥壓成型方法生產的生土基硫氧鎂水泥生態防火板材，經國家建筑材料測試中心（國檢集團）依據GB/T33544—2017《玻鎂平板》進行測試，檢測結果見表7。由表7可以看出，通過對生土基硫氧鎂水泥實施改性技術生產的防火板材，各項性能指標均達到或超過國家標準要求，能夠滿足工程使用要求。

表7 生土基硫氧鎂水泥生態防火板性能測試結果（Table 7 Performance test results of green soil based magnesium oxysulfide cement ecological fireproof board）

4 市場前景分析及工程應用

生土基硫氧鎂水泥防火板材不僅具有防火、防水、輕質高強、不燃、零甲醛、綠色、節能環保等特殊性能，還具有良好的可塑性和深加工性，可成型各種機理紋、浮雕、鏤空等裝飾性極強的裝飾板材，廣泛應用于建筑物的空間吊頂、墻面裝修、墻體隔斷、地面鋪設以及外墻裝飾裝潢等，具有優異的物理性能、裝飾性能和環保性能，是差異化的產品。市場前景可觀。用該研究成果生產的生土基硫氧鎂生態防火板裝飾建筑物，其裝飾效果見圖10。

圖10 生土基硫氧鎂水泥防火板的裝飾效果Figure 10 Decorative effect of raw soil based magnesium oxysulfide cement fireproof board

5 結語

（1）當生土材料摻量為氧化鎂質量的10%時，試件養護28 d的抗折強度高于空白對比試件，也高于等摻量碳酸鈣粉試件，摻量超過30%后，隨著生土材料摻量的增加，抗折強度逐漸降低，同時也低于等摻量碳酸鈣粉試件的抗折強度。

（2）生土材料和碳酸鈣粉等摻量時，摻生土材料試件的抗壓強度皆高于摻碳酸鈣粉試件的抗壓強度。

（3）細木屑摻量與生土基硫氧鎂水泥抗壓強度、試件密度呈負相關性，摻量越大，強度越低，密度越小。

（4） PVA纖維摻量在0至1.2%的范圍內，隨著PVA纖維摻量的增加，生土基硫氧鎂水泥試件抗折強度逐漸提高，抗壓強度呈先提高后降低的趨勢，摻量為1.0%時，試件抗壓強度出現最大值為55.63 MPa，較空白對比試件提高23.13%，摻量提高到1.20%時，抗折強度較空白對比試件提高62.58%，抗壓強度提高17.26%。

（5）生土基硫氧鎂生態防火板，作為現代裝飾裝修材料，具有熱工性能好、隔音、吸音、防火、防水、零甲醛，各項性能指標皆達到或超過國家標準要求，是一種生態化的建筑材料，可為居住空間創造更加舒適的居住環境。