外加剂对硫氧镁水泥的性能影响

闫浩康，王 硕，袁建国，袁兴栋，岳雪涛

(山东建筑大学材料科学与工程学院，山东 济南 250101)

1 概述

硫氧镁水泥(Magnesium Oxysulfate Cement)最早是由学者Demediuk[1]提出的菱镁水泥的一种，是由活性氧化镁、七水硫酸镁溶液和一定比例的外加剂混合搅拌，凝结硬化而形成硫氧镁水化物。硫氧镁复合水泥具有原料质地轻，凝结速度快的巨大优势，与其他氯氧镁复合水泥相比硫氧镁水泥防腐耐水性能更好，返卤泛霜较轻，不容易对水泥的钢筋基体进行锈蚀作用[2]。但硫氧镁水泥的机械强度低、耐水性差的缺陷限制了硫氧镁水泥的大规模工业化应用。

本文以柠檬酸、磷酸三钠和三聚磷酸钠为外加剂对硫氧镁水泥进行改性处理，对改性后的硫氧镁水泥进行力学性能测试，并对其水化产物进行物相分析和晶相分析。

2 试验

2.1 原材料

七水硫酸镁：采用山西省南风集团生产的99.0%纯度的七水硫酸镁，化学式为MgSO4·7H2O，分子量为246.47，为白色或无色透明的针状或斜柱状结晶体，易溶于水。

轻烧氧化镁：采用辽宁省海城市生产的85型轻烧氧化镁，利用水合法测定的活性氧化镁(α-MgO)的质量分数为47%，为淡黄色或白色粉末。

柠檬酸：采用由国药集团化学试剂有限公司生产的分析纯一水合柠檬酸(C6H8O7·H2O)，分子量210.14，为无色结晶或白色颗粒，易溶于水。

磷酸三钠：采用由国药集团化学试剂有限公司生产的分析纯试剂，化学式为Na3PO4，分子量为164.26，为无色至白色针状结晶或结晶性粉末，易溶于水。

三聚磷酸钠：采用由国药集团化学试剂有限公司生产的分析纯试剂，化学式Na5P3O10，相对分子质量367.86，为白色粉末状结晶，易溶于水。

水：济南市自来水。

2.2 试验方法

称取一定质量的轻烧氧化镁粉，与一定浓度的硫酸镁溶液混合，充分搅拌后倒入水泥胶砂搅拌锅内先慢速搅拌60 s，后转快速搅拌120 s，把浆体注入40 mm×40 mm×160 mm的三联水泥胶砂试模中，在(20±3)℃、相对湿度为(60±10)%的条件下养护，1 d后脱模，然后继续在该条件下养护至规定龄期，然后进行力学性能测试，以及X射线衍射和扫描电镜测试。具体配比及外加剂掺量见表1，其中A为柠檬酸，B为磷酸三钠，C为三聚磷酸钠。

表1 硫氧镁水泥配合比设计

3 结果与讨论

3.1 外加剂对硫氧镁水泥力学性能的影响

图1为各配比水泥试件分别在3 d,7 d和28 d时的抗折强度和抗压强度。由图可知，单掺入外加剂A的硫氧水泥试块，其抗压强度和抗折强度均远远大于单掺外加剂B和单掺外加剂C的试块强度。由图1(a)可知，外加剂A与B和C复掺试件的抗折强度几乎在所有养护龄期都高于外加剂B和外加剂C单掺时的强度。由图1(b)可知，单掺外加剂A的试件早期抗压强度较高，而在28 d时外加剂A分别与B和C复掺试件的抗压强度均超过各外加剂单掺时试件的强度。

在单掺一种外加剂的方案中，单掺外加剂A的效果最好，其抗折强度较高，抗压数据也比较理想。外加剂单掺B或者C的抗折抗压强度较小，但与外加剂A复掺后却有了较大提升。图1显示，各组试件中单掺外加剂A时水泥抗折能力最高，可达11.25 MPa；当外加剂A与B的掺量摩尔比为1∶3时，水泥抗压能力最高，可达92.23 MPa。

3.2 外加剂对硫氧镁水泥水化产物的影响

如图2所示，为各配合比试件在7 d，28 d时X射线衍射图。从图中可以看出单掺外加剂A以及含有外加剂A的试件均生成了5·1·7相，单掺外加剂B和C的试件在7 d和28 d时均只有氢氧化镁生成，所以单掺外加剂B和C时水泥试件强度最低。图2中显示，掺入不同配比的外加剂后，水泥试件并没有5·1·7相外的新强度相生成。由图2(b)可以看出，试件在养护时间达到28 d时，含有外加剂A的试件5·1·7相晶体衍射峰强度较7 d均大大增强，而单掺外加剂B和C的试件水化物依然以氢氧化镁为主，并结合图1可以判断外加剂A是硫氧镁水泥生成5·1·7相的必要条件。

3.3 外加剂对硫氧镁水泥微观形貌的影响

图3为各配比硫氧镁水泥试件的28 d扫描电镜图，从图3(a)中可以看出单掺外加剂A的试件生长有一簇簇的5·1·7相针状晶体，并且晶体长度在40 μm左右；图3(b)则显示单掺外加剂B的试件仅有板状氢氧化镁生成，并未有针状晶体生成；图3(c)为单掺外加剂C的试件，图中显示片状氢氧化镁和短棒状碳酸镁晶体紧密生长，并未有5·1·7相生成；图3(d)和图3(e)分别为外加剂A和外加剂B,C分别复掺的水泥试件，可以看出，两者均有针状5·1·7相生成，并且A1B1生成的针状晶体更加密集，A1C1则是针状5·1·7相和短棒状碳酸镁相互交织。图3同时证明了外加剂A是硫氧镁水泥生成5·1·7相的必要条件，掺入外加剂B和C的水泥试件水化产物依然以氢氧化镁为主。

4 结论

1)柠檬酸单掺能够提高硫氧镁水泥的强度，磷酸三钠和三聚磷酸钠单掺时对硫氧镁水泥的影响较小，当柠檬酸和磷酸三钠或三聚磷酸钠复掺时试件强度可以超过单掺柠檬酸。

2)柠檬酸能够促进硫氧镁水泥生成5·1·7相，而三聚磷酸钠和磷酸三钠会促进硫氧镁水泥生成氢氧化镁。

3)当柠檬酸与磷酸三钠摩尔比为1∶3时，硫氧镁水泥试件28 d抗压强度提升效果最好。