泡沫玻璃粉改性增強氯氧鎂水泥性能研究

王豐景，劉崗，袁春燕，齊鵬飛

（1.安徽大學物質科學與信息技術研究院，安徽 合肥 230601；2.中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所，安徽 合肥 230088；3.中國科學院光伏與節能材料重點實驗室，安徽 合肥 230088）

1 引言

氯氧鎂水泥（magnesium oxychloride cement,MOC）又稱索瑞爾水泥，是由氧化鎂、氯化鎂和水按一定比例調配形成的一種水泥硬化體。氯氧鎂水泥本身是一種氣硬性的膠凝材料，具有成型快、強度高、質量輕、防火隔熱等特點。

純MOC凈漿制得的氯氧鎂水泥普遍存在翹曲變形、吸潮返鹵的問題，可通過添加改性劑、填充材料等方法進行改善。趙春洋等合成堿式硫酸鎂晶須加入氯氧鎂水泥中，使材料更為致密，力學性能和穩定性也得到提高。Yujie Jin等研究了摻加鈣渣對氯氧鎂水泥強度和拒水性能的影響，抗壓強度略有提高，抗折強度基本不變。Pingping He等在氯氧鎂水泥中添加木質纖維，降低材料的膨脹率，提高體積穩定性。Michal Lojka等制備了以多壁碳納米管為添加劑的氯氧鎂水泥復合材料，與純MOC進行比較，具有更高的密實度、剛度和耐水性。目前，已有較多研究報道了添加不同種類復合材料，以達到增強材料力學性能、提高耐水性和穩定性的目的，但同時也存在成本高昂、工藝復雜等問題。

泡沫玻璃作為一種性能優越的輕質高強建筑用裝飾裝修材料，A級不燃，導熱系數低，防水性能好，在隔熱絕緣、防潮工程、吸聲裝飾等領域占據重要地位。生活中常見的泡沫玻璃作為外墻保溫材料使用，一些彩色的泡沫玻璃還可作為裝飾材料美化環境。泡沫玻璃生產裝修過程中會產生較多邊角廢料，可以碾碎研磨成粉，添加到水泥、混凝土等建筑材料中成為輕質骨料。

本文將泡沫玻璃粉料添加到氯氧鎂水泥的膠凝體系中，制得輕質防火無機板材。通過SEM、XRD等表征產物的微觀形貌和物相組成，測試了所得無機板材的抗折抗壓強度、耐水性能、體積穩定性，比較純MOC均有較大提升。因此，可將泡沫玻璃粉復合氯氧鎂水泥膠凝材料應用于裝飾裝修領域，在提升板材各項性能的同時，能夠達到環保節能的目的。

2 實驗

2.1 主要原料

輕燒氧化鎂（MgO）、六水合氯化鎂（MgCl·6HO）均購于阿拉丁試劑有限公司，泡沫玻璃購于宣城匯昌新材料有限公司。

2.2 實驗儀器

水泥凈漿攪拌機（NJ-160，無錫市建工實驗儀器設備有限公司）、恒溫恒濕試驗箱（WHTH-80-70-80，香港偉煌科技有限公司）、電熱鼓風干燥箱（DHG-9070A，上海一恒科學儀器有限公司）、粉末X射線衍射儀（X’Pert，荷蘭PANalytical公司）、場發射掃描電子顯微鏡（Sirion 200，美國FEI公司）、比長儀（BY-160型，河北一方儀器設備有限公司）、全自動抗折抗壓試驗機（YAW-300C，濟南恒思盛大儀器有限公司）。

2.3 實驗方案

2.3.1 確定原料比例

以凝結時間和抗折抗壓強度為指標，經過反復對比試驗，選擇各原料的比例：摩爾比MgO：MgCl：HO=6:1:13，泡沫玻璃粉摻量0-30wt%。其中氧化鎂活度88.13%，采用標準水合法測定。

2.3.2 泡沫玻璃粉料制備、預混

將泡沫玻璃碾碎制成粉末，通過100目網篩篩選后，按質量分數0-30wt%稱取泡沫玻璃粉，與輕燒氧化鎂進行充分的預混合。

2.3.3 摻泡沫玻璃粉氯氧鎂水泥的制備

將水合氯化鎂溶于去離子水中，超聲分散至全部溶解，倒入盛有輕燒氧化鎂粉和泡沫玻璃粉混合料的凈漿鍋中，使用攪拌機攪拌至充分混合。將混合漿料倒入40mm×40mm×160mm的膠砂試模中，使用振實臺振蕩30s后移出模具，用抹刀抹去表面多余漿料，置于恒溫恒濕箱中（25℃，60%）養護1d后脫模，繼續養護28d至齡期。

2.4 表征測試

2.4.1 掃描電鏡分析

采用美國FEI公司生產的Sirion 200型場發射掃描電子顯微鏡對產物的微觀形貌進行表征。

2.4.2 物相組成分析

采用荷蘭PANalytical公司生產的X’Pert粉末X射線衍射儀對樣品粉末進行物相組成分析。

2.4.3 力學性能（抗折抗壓強度）

采用濟南恒思盛大儀器有限公司生產的YAW-300C型全自動抗折抗壓試驗機對樣品進行抗折強度、抗壓強度測試，參考標準為GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（IOS法）》。

2.4.4 耐水性能（軟化系數）

耐水性能的表征以軟化系數K為指標，測定方法如下：制備不同泡沫玻璃粉摻量的氯氧鎂水泥試樣各兩組，在相同條件下養護28d后，1組測試絕干抗壓強度F，2組浸水7d后測試抗壓強度f。

式中：K——軟化系數；f——飽和含水狀態下試件的抗壓強度平均值（MPa）；F——絕干狀態下試件的抗壓強度平均值（MPa）。

2.4.5 體積穩定性（收縮率/膨脹率）

體積穩定性通過膨脹率/收縮率進行表征，分別參照《膨脹水泥膨脹率試驗方法》（JC/T 313-2009）和《水泥膠砂干縮試驗方法（2010確認）》（JC/T 603-2004）。以收縮率為例：

式中：S——水泥試體28d齡期干縮率（%）；L——初始測量長度讀數（mm）；L——28天齡期的測量長度讀數（mm）；250——試 體 有 效 長 度（mm）。

3 結果與討論

3.1 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥力學性能和軟化系數的影響

對比添加泡沫玻璃粉的試樣與空白MOC的強度，結果如圖1，添加泡沫玻璃粉后，氯氧鎂水泥的抗折和抗壓強度均有明顯提升。圖1（a）顯示干燥情況下MOC的抗折強度隨著泡沫玻璃粉摻量的增加逐步提升，添加量為30wt%時抗折強度最高，達17.7MPa。圖1（b）表明試樣的抗壓強度也隨著泡沫玻璃粉的增加呈現上升趨勢，干燥條件下，添加20wt%泡沫玻璃粉時抗壓強度達53.4MPa。

圖1 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥力學性能的影響

將同組氯氧鎂水泥試樣浸水7d后測得的抗壓強度與干燥狀態下的抗壓強度相比得到軟化系數，結果如圖2所示。摻加泡沫玻璃粉后材料的軟化系數無明顯變化，當添加量較多（30wt%）時軟化系數略有下降，整體維持在0.4以上。

圖2 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥耐水性能的影響

3.2 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥體積穩定性的影響

通過對比空白試樣與實驗試樣的收縮率和膨脹率，分析泡沫玻璃粉對氯氧鎂體系體積穩定性的影響，結果如圖3所示。由圖可知，添加泡沫玻璃粉后氯氧鎂水泥的收縮率/膨脹率整體降低，即體積穩定性有所提高。圖3（a）中收縮率整體呈下降趨勢，隨著泡沫玻璃粉摻量的增加，試樣的收縮率逐步降低，由快速下降到相對平緩。圖3（b）中材料膨脹率總體隨泡沫玻璃粉的增加表現出降低趨勢，在20wt%處出現上升，存在條件控制不當產生誤差的可能。泡沫玻璃粉質量輕而穩定性高，不易因為外界溫度濕度的影響發生形變，因此是較好的填充材料。

圖3 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥體積穩定性的影響

3.3 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥微觀形貌的影響

為探究泡沫玻璃粉增強氯氧鎂水泥的原因，分別采用SEM對空白試樣和3組泡沫玻璃粉添加量不同的MOC試樣的微觀形貌進行表征，結果見圖4。圖4（a）為MOC凈漿試樣，（b）（c）（d）分別為10wt%、20wt%、30wt%泡沫玻璃粉摻量的氯氧鎂水泥試樣。從圖中可以看出，改性前后MOC中晶體形狀和結構發生顯著變化。無任何添加的空白試樣中，結晶相復鹽的晶型細而長，晶體之間存在較大空隙，整體呈現較為松散的結構。氯氧鎂制品成型脫模后，若長期處于高溫高濕的環境下，由于制品中殘留的游離氯化物易潮解，水分容易在材料表面或沿毛細孔進入材料內部參與潮解，形成的潮解液在表面聚集或從內部滲出形成水珠。因此若MOC硬化過程中產生的孔隙較多，除了會導致材料的強度降低，還會引發水珠、白霜等問題，加劇氯氧鎂水泥制品的吸潮返鹵。結果顯示改性試樣的晶體晶型更寬更扁平，與添加物相互搭接、緊密堆積，留存的孔隙較小，這使得產物的抗折抗壓強度有所提高。

圖4 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥微觀形貌的影響

3.4 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥物相組成的影響

利用XRD對空白試樣與實驗試樣進行物相組成分析，表征結果見圖5。對比四組試樣的譜圖，可以得出：添加泡沫玻璃粉后物相組成未發生明顯變化，均為主要產物結晶相復鹽5Mg(OH)·MgCl·8HO 和 3Mg(OH)·MgCl·8HO，以及少量Mg(OH)和未完全反應的MgO。這說明加入泡沫玻璃粉并未改變氯氧鎂體系的物相組成，體系生成的主要產物仍然相同。因此推斷MOC試樣力學性能方面的增強主要來源于泡沫玻璃粉的填充作用，即物理方面的意義。

圖5 泡沫玻璃粉對氯氧鎂水泥物相組成的影響

4 結語

①泡沫玻璃絕熱、防潮、防火，其生產過程中產生的邊角廢料也可以磨成粉未添加到水泥等膠凝材料中成為輕質骨料，成本低廉、環保節能。

②泡沫玻璃粉能夠改善氯氧鎂水泥的力學性能和體積穩定性，當摻入量為20wt%左右時，其抗折強度可達17.3MPa，抗壓強度53.4MPa，收縮率0.038%，膨脹率0.499%，總體提升較高。

③將泡沫玻璃粉加入氯氧鎂體系中，能夠顯著改善樣品的微觀形貌，有效填充孔隙，提高試樣密實性，進一步提高材料的力學性能。

致謝：感謝中國科學院光伏與節能材料重點實驗室的支持。