水化硅酸镁改性氯氧镁水泥制备保温板的试验研究

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(大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连　116024)

引言

面对全球日益紧张的能源问题，节能受到了世界各国的高度重视。在我国所有的能源消耗中，建筑能耗约占全社会总能耗的30%以上，而且随着建筑物的逐年增加，这种能源消耗的比重还在逐年增加[1]。目前，国内外采用的建筑节能方式主要是指墙体节能方式，而在墙体保温方式中，又以外墙保温隔热系统的使用最为广泛[2]。

目前，常用的墙体保温材料按其主要成分可分为有机保温材料和无机保温材料两大类。但有机保温材料的耐火性差，近年来由此引起的火灾事故频发，造成了较大的人员伤亡和财产损失。因此，研究开发无机保温材料十分必要。由于我国镁资源丰富，已探明储量居世界首位，而且氯氧镁水泥相较于硅酸盐水泥具有强度高、表面光洁度好、质量轻、隔音、隔热等优点，是做装饰材料、轻质高强材料、隔音隔热材料的理想胶凝材料[3]。但由于氯氧镁水泥存在返卤泛霜、耐水性差、易弯曲变形、开裂等缺陷，使得其应用受到了一定限制。

为了改善氯氧镁水泥的耐水性，国内外学者进行了积极的研究探索。邓德华[4-5]的研究认为，磷酸可以提高氯氧镁水泥水化物在水中的稳定性，使得5相晶体在水中不发生水解反应，同时降低氯氧镁水泥水化物形成所需的最低Mg2+浓度，从而使得水化物5相可以在Mg2+浓度很低的氯氧镁水泥净浆中形成。磷酸对氯氧镁水泥水化物的影响，可能与磷酸在水泥净浆液相中发生水解反应产生磷酸根离子，而且这些磷酸根离子与Mg2+之间发生相互配位有关[4-5]。陈雪梅等[6]利用分步实验法确定出粉煤灰最佳掺量为35%，而周梅等[7]发现当粉煤灰掺量超过30%时，氯氧镁水泥基制品抗压强度下降明显。张洪等[8]认为磷酸的加入使得氯氧镁水泥初期水化大为减慢，形成比表面积较小的318相和518相，与粉煤灰复合效果更佳。关丽丽等[9]提出采用硅灰石尾矿与磷酸、铁矾复合使用，氯氧镁水泥基制品的抗压强度和软化系数都能得到提高，显著改善氯氧镁水泥的耐水性。李智广等[10]利用低温稻壳灰对氯氧镁水泥进行改性，秸秆灰中的活性SiO2与MgO-MgCl2-H2O构成四元反应体系，生成难溶于水的物相结构，提高了氯氧镁水泥的耐水性。余红发等[11]研究并提出氯氧镁水泥中掺入硅灰和粉煤灰后有大量水化硅酸镁凝胶和含硅的518凝胶形成。他们对双掺复合抗水外加剂和火山灰混合材的MgO-SF-FA-MgCl2-H2O新胶凝材料体系的水化产物、显微结构及其长期强度与耐水性进行了研究，认为室温养护条件下主要的水化产物是518相凝胶和水化硅酸镁凝胶，协调了浆体结构的晶胶比，减少了结晶应力，基本克服了MgO-MgCl2-H2O胶凝材料体系的早期和后期强度倒缩现象，生成较多的含铝、氯离子的水化硅酸镁凝胶，它与518凝胶共同作用形成致密浆体结构，因而具有优异的长期耐水性。

本文利用水化硅酸镁体系对氯氧镁水泥进行改性，通过添加含有活性SiO2的硅灰和粉煤灰到氯氧镁水泥基材料中以提高其耐水性，开发出一种早期强度高、耐水性好、具有防火保温特性的轻质防火保温板，产品性能满足实际工程应用的要求，且该保温板的制备方法具有较高的经济价值和社会价值。

1　试验

1.1　主要原料

氧化镁：购自荷兰；硅灰：购自上海埃肯公司，型号为920U；粉煤灰：购自庄河，Ⅲ级灰；外加剂：六偏磷酸钠(Na-HMP)；水：自来水；水泥：大连小野田水泥有限公司生产的P·O 42.5水泥；六水合氯化镁；膨胀珍珠岩；玻璃纤维(长度6 mm)；发泡剂：采用植物蛋白发泡剂。原材料的化学组成见表1。

表1　原材料的化学组成

1.2　保温板的制备

将氯化镁和水按表2中的比例配制成卤水，再将卤水倒入称好的轻烧氧化镁中，搅拌，配制成MOC浆体；将六偏磷酸钠溶于一定量的水中，并将粉煤灰、硅灰和水按比例配成水化硅酸镁凝胶。将水化硅酸镁凝胶倒入已经配好的MOC浆体中，搅拌；将预处理好的膨胀珍珠岩和玻璃纤维放入浆体中，搅拌；再放入发泡剂，进行高速搅拌。然后将搅拌均匀的料浆倒入模具中，并用抹刀将其表面膨胀起来的部分削去，抹平。最后置于恒温室中密封养护1 d脱模，并继续在空气中自然养护7 d，待测。

表2　净浆配合比　g

2　结果及分析

2.1　MSH的加入对MOC的影响

为了对比分析掺入MSH对MOC的影响，分别对未掺发泡剂和发泡剂掺量为3%各做了三组试验取平均值，结果见表3。

表3　MSH对MOC的体积密度和力学性能的影响

试验结果表明，经MSH改性之后的MOC相比于未经改性的MOC，其体积密度、7 d抗压强度、7 d抗折强度均有明显提高。这说明加入的硅灰和粉煤灰对MOC起到了空隙填充的作用；另一方面，生成的水化硅酸镁凝胶也使得强度得到了提高。

2.2　玻璃纤维的影响

玻璃纤维能够增强材料的抗裂性，在保温材料中加入玻璃纤维能够抑制温度裂缝的产生。有研究表明[12]，保温材料的抗裂性随着纤维长度的增加而提高。纤维长度在15 mm内，抗裂纤维的增强效果随长度增加而提高，但是纤维长度超过15 mm后，纤维会使浆体的稠度降低，分层度增加，施工和易性变差。纤维的分散性随其长度的增加而逐渐变差，纤维较长时，在保温浆体材料中分散不佳，易成团，使抗裂性降低[1]。

玻璃纤维掺量对保温材料密度和强度的影响分别见图1和图2。

图1　玻璃纤维掺量对密度的影响

图2　玻璃纤维掺量对强度的影响

由图1和图2的试验结果可以看出，低掺量的纤维对体系的密度影响相对较小，但对力学性能的影响较大。如果纤维掺量过多，会使机体中的孔隙率增大，从而使得力学性能降低；当纤维掺量为0.6%时，试件的抗压强度和抗折强度最高。

2.3　膨胀珍珠岩的影响

图3和图4分别为膨胀珍珠岩掺量对保温材料密度和强度的影响。不同膨胀珍珠岩掺量的试块断面见图5。

图3　膨胀珍珠岩掺量对密度的影响

图4　膨胀珍珠岩掺量对强度的影响

图5　不同膨胀珍珠岩掺量的试块断面

由图3的试验结果可以看出，轻质骨料在降低板材密度方面并不是掺的越多越好，在掺量为2.5%时密度最小，而进一步降低板材的密度只能通过合理的发泡技术来实现。图4的强度试验结果表明，当膨胀珍珠岩掺量为2.5%时，其抗折强度和抗压强度最低。由图5可以看出，当膨胀珍珠岩的掺量为5%和10%时，明显掺量过多，试块内部的水泥不能很好地参与反应，而当掺量为2.5%时，试块内部水泥与膨胀珍珠岩结合得更好。

2.4　发泡剂的影响

本试验采用的是物理发泡方式，选用的是植物蛋白发泡剂。首先将植物蛋白发泡剂用高速搅拌器制备成泡沫，再将泡沫加入到经MSH改性的MOC料浆中，经混合搅拌、浇注成型和养护而形成所需的保温板。不同掺量发泡剂对体积密度和力学性能的影响见表4。

表4　不同掺量发泡剂对体积密度和力学性能的影响

试验结果表明，随着发泡剂掺量的增加，引入的气泡量增多，致使体系密度和强度降低。因此，不能单纯为了追求低密度而加入过量的发泡剂，最终使得材料强度不满足要求。图6所示为掺入过量发泡剂的试件。

图6　掺入过量发泡剂的试件

2.5　导热系数分析

导热系数的测定：将尺寸为300 mm×300 mm×30 mm的标准试块在自然条件下养护28 d，在到达养护龄期前24 h，将试块放入干燥箱内，在80 ℃条件下养护24 h，然后取出冷却至恒温，采用导热系数仪进行导热系数测定。MOC板与MOC-MSH板的性能对比见表5。

表5　MOC板与MOC-MSH板的性能对比

试验结果表明，虽然改性之后的氯氧镁水泥板较未改性的氯氧镁水泥板密度会增大，但通过合理添加发泡材料和轻质骨料之后，其密度已经降至512.04 kg/m3，导热系数降至0.175 8 W/(m·K)，抗折强度和抗压强度也很高，可以作为墙体防火保温材料在墙体表面使用。

3　结论

3.1通过加入活性硅质原料来改性氯氧镁水泥，可以使体系致密，力学性能增强。其主要原因包括反应生成的水化硅酸镁促进了结构的致密度以及活性硅灰和粉煤灰的孔隙填充作用。

3.2玻璃纤维可以增强材料的抗裂性，但纤维的掺量并非越多越好。如果纤维掺量过多，会使机体中的孔隙率增大而使得其力学性能降低。

3.3轻质骨料在降低板材密度方面并不是掺的越多越好。如果掺量过多，会占据大量空间，使得胶凝材料反应不完全，发泡剂的发泡量低。

3.4通过加入轻质骨料以及采用合理的发泡技术，降低了板材的密度，降低了导热系数，主要是因为引入了气体能阻断热量的传导。

参考文献：

[1] 杨华峰.耐火轻质保温板的研制与性能[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[2] 方海东.聚合物改性镁质胶凝复合外墙外保温材料[D].天津：天津大学，2012.

[3] 王英姿，邱振新，王翔.浅谈氯氧镁水泥制品的性能及发展状况[J].山东建材，2000(4)：38-40.

[4] 邓德华.磷酸根离子对氯氧镁水泥水化物稳定性的影响[J].建筑材料学报，2002，5(1)：9-12.

[5] DENG D H.The mechanism for soluble phosphates to improve the water resistance of magnesium oxychloride cement[J].CementandConcreteResearch，2003，33(9)：1311-1317.

[6] 陈雪梅，宋志建，李建成.用粉煤灰制作复合氯氧镁水泥的实验方法探讨[J].湖北理工学院学报，2008，24(1)：40-43.

[7] 周梅，巩玉发，汪振双.基于均匀设计的氯氧镁水泥制品试验研究[J].科学技术与工程，2006，6(4)：492-495.

[8] 张洪，蒋玢.粉煤灰改善氯氧镁水泥耐水性及其机理研究[J].粉煤灰综合利用，1997(1)：33-35.

[9] 关丽丽，戴智强.硅灰石尾矿对氯氧镁水泥改性的试验研究[J].科技创新与应用，2012(21)：110.

[10] 李智广，许珂敬.低温稻壳灰改性氯氧镁水泥性能研究[J].新型建筑材料，2010(11)：15-17.

[11] 余红发，李生堂，何庆英，等.MgO-SF-FA-MgCl2-H2O胶凝材料体系的长期强度及耐水性研究[J].硅酸盐学报，2000，28(S1)：36-40.

[12] 严瑞瑄.水溶性高分子[M].北京：化学工业出版社，2001.