晶種對堿式硫酸鎂水泥性能的影響

宋 維

(岳陽市交投醫(yī)養(yǎng)服務(wù)有限公司 岳陽 414000)

堿式硫酸鎂水泥(Basic Magnesium Sulfate Cement, BMSC)是繼氯氧鎂水泥( Magnesium Oxychloride Cement, MOC)之后發(fā)展起來的一種鎂質(zhì)膠凝材料[1,2]，具有更輕的質(zhì)量，更好的耐鹽腐蝕性，更好的加工和裝飾性能以及良好的鋼保護性能[3-6]。作為一種較為新穎的膠凝材料，其制品生產(chǎn)過程中面臨著早期強度過低的問題[7-9]。為了探究晶種對堿式硫酸鎂水泥的性能影響，本研究通過控制含有不同摻量檸檬酸鈉和礦物摻合料以及含不同摻量礦渣的BMSC中添加晶種，研究其對所制備樣品的抗壓強度、抗水性能的影響，并結(jié)合XRD和SEM觀察其水化相組成及微觀形貌變化，對堿式硫酸鎂水泥在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。

1 實驗

1.1 原料

(1) 氧化鎂。本研究所采用的氧化鎂為分析純氧化鎂，天津科密歐化工有限公司生產(chǎn)。

(2)硫酸鎂。本研究所采用的硫酸鎂為分析純MgSO4·7H2O 晶體，天津科密歐化工有限公司生產(chǎn)。

(3)檸檬酸鈉(Na3C6H5O7·2H2O, SC)，購自致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。

(4)礦物摻合料: 粉煤灰( Fly ash，F(xiàn)A) 。粉煤灰采用青海橋頭鋁電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，其化學(xué)組成見表1。硅灰(Silica fume，SF)硅灰采用青海樂都地區(qū)生產(chǎn)的加密硅灰，其化學(xué)組成見表2。礦渣(slag，SG)產(chǎn)自江蘇江南粉磨公司生產(chǎn)的 S95 級磨細(xì)礦渣，其化學(xué)成分見表3。

表1 粉煤灰化學(xué)組成

表3 礦渣化學(xué)組成

1.2 晶種的制備

在實驗室規(guī)模下通過以分析純氧化鎂、硫酸鎂溶液為主要原料，檸檬酸鈉為外加劑，控制MgO∶MgSO4∶H2O=5∶1∶20，檸檬酸鈉的添加量為氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.5%，均勻混合；然后，將糊狀物放入密封袋中，并在(20±3)℃下固化28d，以促進(jìn)硬化。最后，通過球磨將硬化后的樣品研磨成粉。

1.3 堿式硫酸鎂水泥的制備

為了探究不同摻量檸檬酸鈉和不同礦物摻合料下晶種對BMSC的影響，選用a-MgO/MgSO4為7的摩爾比，檸檬酸鈉的摻量為氧化鎂質(zhì)量的0.05%和0.5%，晶種的摻量為氧化鎂質(zhì)量的3%，其中礦渣和粉煤灰的摻量為氧化鎂質(zhì)量的0%、10%、20%和30%，硅灰的摻量為氧化鎂質(zhì)量的0%、7%、14%和21%，礦物摻合料采用內(nèi)摻法，其他外加劑均采用外摻法。實驗配合比的設(shè)計如表4所示。

表4 堿式硫酸鎂水泥配合比設(shè)計表

續(xù)表

首先，將 MgSO4·7H2O 溶解于水中形成 MgSO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 25%的硫酸鎂溶液。第二步，將稱量好的檸檬酸溶解于一定質(zhì)量的硫酸鎂溶液形成混合溶液。接著將活性氧化鎂(如果需要則加入礦物摻合料及 5·1·7 相晶種)加入到一定質(zhì)量的硫酸鎂溶液中，攪拌均勻后形成 BMSC 的凈漿。最后，凈漿注入 20mm×20mm×20mm的鋼模中，在溫度為 20℃±2℃，相對濕度為 50%±5%的環(huán)境中，養(yǎng)護 12h 拆模，繼續(xù)養(yǎng)護至不同齡期后測試其抗壓強度。

符號說明：M：摩爾比； A：檸檬酸鈉 S：晶種 D：養(yǎng)護時間； P：泡水； FA：粉煤灰； Sg：礦渣； SF：硅灰。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同摻量檸檬酸鈉和礦物摻合料下晶種對BMSC的強度及物相影響

圖1(a)(c)為在檸檬酸鈉摻量為0.05%下，晶種對含不同摻量礦渣的BMSC的抗壓強度影響，圖1(b)(d)為在檸檬酸鈉摻量為0.5%下，晶種對含不同摻量礦渣的BMSC的抗壓強度影響。當(dāng)檸檬酸鈉摻量為0.05%，礦渣摻量為30%且晶種摻量為0時，其試件A005S0Sg3在1d和28d的抗壓強度分別為9.8MPa和38.6MPa，而當(dāng)檸檬酸鈉摻量為0.05%，礦渣為30%且晶種摻量為3%時，其試件A005S3Sg3在1d和28d的強度分為17.2MPa和45.8MPa，通過加入晶種，其1d和28d的抗壓強度分別提升了75.5%和18.7%，這說明在檸檬酸鈉摻量為0.05%時，其晶種對含礦渣的 BMSC的抗壓強度有提升效果；同時通過圖1(a),我們還抗壓看出在BMSC中，在等量晶種摻入的條件下，其試件的抗壓強度隨著礦渣摻量的增加而減低，這可能因為本試驗采用的是內(nèi)摻法，同時礦渣本身不參與反應(yīng)，所以礦渣的摻入導(dǎo)致其水泥基材料的減少，從而導(dǎo)致其強度的降低[10]。

當(dāng)檸檬酸鈉摻量為0.5%，礦渣摻量為30%且晶種摻量為0時，其試件A05S0Sg3在28d的抗壓強度為68.1MPa，而當(dāng)檸檬酸鈉摻量為0. 5%，礦渣為30%且晶種摻量為3%時，其試件A05S3Sg3在28d的強度分為70.2MPa，通過加入晶種，其28d的抗壓強度也略有所提升。同時通過圖1(b),我們還能看出在BMSC中，適量的礦渣摻入，抗壓強度會增高，這可能是因為適量的礦渣具有一定的填充效應(yīng)，能夠使得BMSC的結(jié)構(gòu)更加緊密，從而提升其抗壓強度。

圖1 不同檸檬酸鈉和礦物摻合料下晶種對BMSC的抗壓強度的影響

圖2(a)為檸檬酸鈉摻量為0.05%時，含有不同摻量晶種及礦渣的BMSC養(yǎng)護28d后的XRD衍射圖譜，圖2(b)為檸檬酸鈉摻量為0.5%時，含有不同摻量晶種及礦渣的BMSC養(yǎng)護28d后的XRD衍射圖譜。通過圖2(a)，我們可以清楚的看到在檸檬酸鈉摻量為0.05%且無其他外加劑添加時，其5·1·7含量相對較大，但是一旦礦渣摻入了BMSC中，其5·1·7相的含量驟減，這可能有兩方面的原因，一是由于礦渣的摻入，其水泥基含量降低，導(dǎo)致5·1·7相減少，另外一個因素可能是礦渣的摻入，影響了BMSC中5·1·7相的生成，從而導(dǎo)致XRD圖譜上5·1·7相峰值的降低，但是為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，在BMSC試件中添加一定量的晶種(如：3%的晶種)，其5·1·7相會的到顯著的提升，其XRD圖譜上的5·1·7相峰值也會提高。而在檸檬酸鈉摻量為0.5%時，晶種對摻有礦渣的BMSC的水化產(chǎn)物影響并不明顯。

圖2 不同檸檬酸鈉和礦渣摻量下晶種對BMSC物相組成的影響

2.2 晶種的摻入對含礦渣的BMSC抗水性能影響

根據(jù)之前試驗的抗壓強度結(jié)果，以及探究晶種對含不同摻量礦渣的BMSC的影響，我們選用了檸檬酸鈉摻量為0.5%，礦渣摻量為0和30%作為研究對象，探究晶種的摻量對BMSC抗水性能的影響,其中泡水后的試件，在其編碼后面添加一個S。

圖3(a)為晶種對摻有礦渣的BMSC試件泡水前后的抗壓強度，圖3(b)為晶種對摻有礦渣的BMSC試件泡水后的軟化系數(shù)。通過圖3(a)，我們可以看到伴隨著泡水時間的增加，其抗壓強度都會出現(xiàn)下降；通過圖3(b)，我們通過對比在相同晶種摻量及不同礦渣摻量下的試件，其軟化系數(shù)所表現(xiàn)的規(guī)律為軟化系數(shù)隨著其礦渣摻量的增大而增大，例如：A0S0、A0S0Sg1、A0S0Sg2、A0S0Sg3，其軟化系數(shù)分別為：0.42、0.441、0.521和0.621，同時我們還可以對比在相同礦渣摻量及不同晶種摻量下的試件，其軟化系數(shù)所表現(xiàn)的規(guī)律為晶種的摻入能提高其試件的軟化系數(shù)，例如：A0S0Sg3和A0S3Sg3，其軟化系數(shù)分別為：0.621和0.665。

圖3 不同摻量礦渣的BMSC泡水抗壓強度和軟化系數(shù)

圖4為含不同摻量礦渣和晶種的BMSC泡水前和泡水300d后XRD圖譜，在礦渣摻量為30%時，探究不同摻量晶種對摻有礦渣的BMSC泡水前后物相的影響。通過觀察圖4，可以清楚的看到泡水后也并無新物相的生成，同時觀察其主要強度相5·1·7相，發(fā)現(xiàn)其5·1·7相的峰值都增大了，這也可能是BMSC中又有新的5·1·7相生成或者說是生成的5·1·7的量要大于溶解的5·1·7的量，另一個原因可能是由于BMSC中其他的物相在泡水的過程中發(fā)生的溶解或脫落，從而導(dǎo)致泡水后的試件中，其5·1·7相所占的比值更大[11]。

圖4 不同摻量礦渣和SC的BMSC在泡水前后XRD圖譜

圖5(a)為A05S0Sg3泡水300d后的電鏡圖，圖5(b)為A05S3Sg3泡水300d后的電鏡圖。通過對比兩張圖可以看出，沒有添加晶種的控制組的5·1·7晶須非常的稀疏，且晶須出現(xiàn)了部分彎曲，這些變化和差異也可能是未添加晶種的控制組抗水性能差且軟化系數(shù)低的原因。

圖5 摻有礦渣的BMSC泡水300d后的SEM(a: A05S0Sg3,b: A05S3Sg3)

3 結(jié)論

本章通過探究在不同檸檬酸鈉摻量下，晶種在不同摩爾比以及不同礦物摻合料下對BMSC性能的影響，并得出以下結(jié)論：

(1)在檸檬酸鈉摻量較低的堿式硫酸鎂水泥中，其晶種對堿式硫酸鎂水泥強度提升的效果更加明顯。

(2)在檸檬酸鈉摻量為0.5%時， 晶種摻入含有礦渣的堿式硫酸鎂水泥中，會對堿式硫酸鎂水泥的抗水性能起到一定的提升作用。