氯氧鎂水泥作保溫材料性能研究綜述

孫金碩，張帥珂，王宇琪

（1.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870；2.中交一公局集團第七工程有限公司，河南 三門峽 472000；3.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

1 引言

氯氧鎂水泥（MOC），又稱索瑞爾水泥，是由法國人Sorel于1867年發明的一種氣硬性膠凝材料。此種水泥較硅酸鹽水泥具有凝結硬化快，容重輕，導熱系數低和耐高低溫等明顯優勢［1］，但因其耐水性能過差，易吸潮反鹵和變形，只能應用于一些簡易的非永久結構和裝飾結構。隨著學者研究的不斷深入，MOC的可應用領域不斷拓寬，在解決耐水性能缺陷之后，保溫材料方面也得到了一定的應用。

2 耐水性能

在國內外研究中，MOC的抗水外加劑大致分為有機、無機和礦物質三種類型的改性劑，這三種不同類型的改性劑對提高MOC耐水性能的方式如下表所示。而對于無機類改性劑，主要是在MOC凝結硬化后產生的5相和3相表面形成保護膜包裹，避免其與水分接觸而溶解，造成強度嚴重降低而破壞。以下就無機酸中磷酸（H3PO4）對MOC耐水性能產生的影響進行詳細闡述。

2.1 MOC水解過程

耐水性是氯氧鎂水泥制品的一大缺陷。氯氧鎂水泥在100℃以下的MgOMgCl2-H2O體系中，比較穩定的存在相為“5·1·8”相（5Mg(OH)2-MgCl2-8H2O）和“3·1·8”相（3Mg(OH)2-MgCl2-8H2O）兩種，因為“5·1·8”相強度相對較高，故一般水泥水化相均以“5·1·8”相為主。而水化相“5·1·8”在水中分解的過程化學方程式［2］：

也就是由“5·1·8”相水解為“3·1·8”相+Mg(OH)2，而后對“5·1·8”相進行水解，然后就會出現游離Cl-離子和Mg2+離子，兩種離子的出現有利于晶體的生長，逐漸形成較大的細長針柱狀的晶體，這種形狀的晶體會導致制品內部松散，孔隙增多［3］。簡單來說，隨著氯氧鎂水泥制品在水中逐步的分解，相應的孔隙率也隨之增大。

2.2 耐水外加劑

在提高耐水性方面，可以采用外加劑來阻止“5·1·8”相向“3·1·8”相轉化，從而控制進一步水解。有研究［4～5］采用了磷酸作為抗水外加劑。這主要是因為磷酸可以對氯氧鎂水泥中的Cl-離子溶出產生一個抑制作用，磷酸中[PO4]3-與氯氧鎂水泥中的Mg2+和CaO等反應生成難以溶解的晶相和凝膠相，這兩種物相可以將水泥中水化產物包裹，水泥中的短棒狀“5·1·8”相晶體占多數，減少了水泥結構中的結晶接觸點，減少了Cl-離子溶出擴散，提高了氯氧鎂水泥在水中浸泡的穩定性，氯氧鎂水泥的耐水性能也得以提高。

提高MOC耐水性能方式

馮扣寶等［6］采用XRD等對添加磷酸后的試件與空白件進行了對比分析發現，經過改性之后的5相晶體，由短粗針柱的外形轉變的細小且圓滑，進而導致添加磷酸后的MOC強度有一定的降低，但是產生的磷酸鎂保護膜阻止了水化產物5相和3相的水解。分析認為(PO4)3-離子與Mg2+離子配位使得5相可以在較少的Mg2+中形成，進而保證了5相的穩定性。Qianqian Ye等［7］也認為提高耐水性的機理與保護不溶性產物的5相晶體和將針狀5相晶體轉變為凝膠狀5相晶體密切相關。

而Hui Guan等［8］分析認為磷酸的加入會改變5相晶體結構，會由單束晶體轉變為多束晶體的集合，減少了晶體與水接觸的面積，進而提高耐水性能。

孫恩禹［9］和Xiao Yang Chen［10］研究了磷酸對MOC水化產生的影響，并表明摻加磷酸會起到延緩水化的效果，分析認為磷酸在活性氧化鎂表面形成一層[H2PO4→Mg(OH)(H2O)x-1]（n為配位數）憎水膜而阻礙了水泥的正常水化，進而延緩了MOC的初凝和終凝時間。

3 輕質保溫性

提高氯氧鎂水泥的保溫性能，可以摻加發泡劑。材料內部因為發泡劑的影響產生均勻的封閉氣泡，可以降低導熱系數，提高保溫性能。發泡劑有物理和化學兩種類型，物理發泡劑一般分為松香類、動植物蛋白類、合成表面活性劑和復合類等五種發泡劑［11］。

鄭衛新［12］對物理發泡劑與化學發泡劑分別摻入氯氧鎂水泥中進行了對比試驗。在漿料中摻入化學發泡劑后，發泡劑周圍就會產生氣體壓力，隨著這種氣體壓力增大，就會產生泡沫，因為泡沫的大小不一，泡沫內的氣體壓強也不同，兩泡沫相遇后較小泡沫中的氣體就會并入較大泡沫中，形成更大的泡沫。隨著泡沫的不斷增大，周圍漿體在自重的影響下開始下沉，大泡沫就會上升。當水泥凝結后，泡沫就形成了氣孔，形成的水泥內部氣孔就出現了上下不均勻的現象。而物理發泡劑在摻入到水泥中后，需要進行攪拌，發泡劑在水泥中已經呈均勻分布，內部產生的氣孔保持均勻。相比之下，選用物理發泡劑可以更好地提高水泥的力學性能和保溫性能。同時把動植物蛋白類發泡劑與十二烷基類、月桂酸類和松香類三種物理發泡劑進行了試驗對比。相對于其他三種物理發泡劑，動植物蛋白類發泡劑具有強度高、氣泡小、氣泡形狀圓且機械性能好等優點。水泥內部氣孔小且分布均勻的氣泡孔壁結構較厚，有較好的力學性能，保證了材料強度且保溫性能也較好。

在對制備氯氧鎂水泥泡沫保溫板所摻加的添加劑研究中，李瑞芬［13］采用水解動物蹄角粉作為發泡劑，然后在發泡劑原液中摻入不同的穩泡劑和表面活性劑進行了對比研究。最終根據幾種不同穩泡劑及摻量復配的發泡劑對發泡的倍數和穩泡的時間的影響進行全面考慮，最終得出加入FeCl3穩泡劑的發泡劑的發泡倍數和穩泡時間效果較好，而且在摻量為穩泡劑的0.6%時效果最好，導熱系數達到0.05W/（m·K）。

除了摻加發泡劑產生氣泡來提高氯氧鎂水泥的保溫性能，還可以添加EPS聚苯乙烯發泡顆粒，其本身就是一種保溫材料，而且還有輕質、耐水和耐力學沖擊等優點。陳后維［14］加入EPS聚苯乙烯發泡顆粒做試驗分析，雖然在氯氧鎂水泥中摻入這種材料會導致強度降低，而對于應用保溫的材料對其本身的強度要求并不高，而且在EPS聚苯乙烯發泡顆粒摻量達到1.3%左右水泥強度的降低速度就會緩慢，所以摻入合適的比例，不會對氯氧鎂水泥應用于消防管道保溫材料產生太大的不利影響。相反，摻入合適的EPS聚苯乙烯發泡顆粒的氯氧鎂水泥的容重大大降低，保溫性能有所提高。

在氯氧鎂水泥中添加動植物蛋白類發泡劑或是摻入EPS聚苯乙烯發泡顆粒，都能夠很大程度提高保溫性能，材料變得更加輕質，符合作為保溫材料的要求。

4 其他性能

快凝是MOC的一個優勢。氯氧鎂水泥的硬化速度相當于快硬水泥，初凝時間為35min～45min，終凝時間50min～60min，一般在4h～8h內就可以達到脫模強度，說明水泥在很短時間內就可以凝固，而強度足夠就可以進行應用。

MOC還具有極好的耐火阻燃效果。如果因某種原因發生火災，其在受熱后不會產生有毒氣體或物質，不會對人員造成傷害。

5 結語

在研究學者對于以氯氧鎂水泥為基礎摻加外加劑或摻料用作保溫材料的研究中，改善了MOC本身的耐水性差的問題。提高了材料的保溫性能，達到了制備保溫材料的要求。阻燃耐高溫和低溫性能，可以避免因保溫材料不耐高溫而燃燒，產生煙霧或有毒氣體對人們造成傷害，同時也避免了制備保溫材料過程中，環境、溫度等因素對其性能造成的不利影響。