生土基硫氧鎂水泥生態(tài)防火板的性能研究與應(yīng)用

朱效甲 ，朱倩倩 ，朱蕓馨 ，關(guān)宏強(qiáng) ，王瑞

（1.濟(jì)南市杰美菱鎂建材研究所，山東 濟(jì)南 250031；2.遼陽鎂鑫建材科技有限公司，遼寧 遼陽 111200）

0 引言

生土是人類最早使用的建筑材料之一[1]，使用范圍遍布世界各地，其歷史可追溯到距今8 000年前的新石器時代[2]。因其具有取材方便、造價(jià)低廉、熱工性能好、污染少、可循環(huán)利用、有利于生態(tài)平衡等特點(diǎn)，是典型的生態(tài)化建筑材料[3]。目前，國內(nèi)外對生土材料改性技術(shù)的研究和應(yīng)用主要集中在土壤固化方面，應(yīng)用于路基、擋土等工程。在早期的研究中，土壤固化劑包含普通硅酸鹽水泥、石灰、石膏、粉煤灰、水玻璃等無機(jī)膠凝材料。隨著研究進(jìn)一步深入，先后出現(xiàn)了各種液體固化劑、有機(jī)材料固化劑[4-5]。采用普通硅酸鹽水泥、石灰等無機(jī)材料作固化劑存

在著生產(chǎn)過程能耗高、環(huán)保性差、固化效果有限等弊病，不符合目前常態(tài)化的節(jié)能環(huán)保要求；利用環(huán)氧樹脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等有機(jī)材料作固化劑，存在著環(huán)保性差、耐久性能不良等問題，而且價(jià)格普遍偏高，市場難以接受。本研究探討用鎂質(zhì)膠凝材料作生土的固化劑，即在鎂質(zhì)膠凝材料中摻加一定量的生土材料，制作生土基鎂質(zhì)膠凝材料及制品，為生土材料的可循環(huán)利用提供一條新思路。

目前，鎂質(zhì)膠凝材料防火板大體可分為氯氧鎂水泥防火板和硫氧鎂水泥防火板兩大類，氯氧鎂水泥防火板是以一定濃度的氯化鎂溶液拌合輕燒氧化鎂粉，添加合適的功能性材料，經(jīng)成型、養(yǎng)護(hù)，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生力學(xué)強(qiáng)度，再經(jīng)過切邊、質(zhì)檢等工序加工而成的防火板材。硫氧鎂水泥防火板是以一定濃度的硫酸鎂溶液拌合輕燒氧化鎂粉，添加合適的功能性材料而制成的防火板材。不管是氯氧鎂水泥防火板還是硫氧鎂水泥防火板，生產(chǎn)配方中一定少不了碳酸鈣粉或滑石粉作填充材料，其目的是減小板材水化硬化過程中的膨脹或收縮應(yīng)力，提高板材的體積穩(wěn)定性，同時降低原材料成本。碳酸鈣粉及滑石粉源于大自然，為石灰石破碎或碳酸鎂石研磨而得。受礦產(chǎn)資源和環(huán)境保護(hù)等因素的影響，這些材料已不易得，且價(jià)格優(yōu)勢也逐漸縮小，發(fā)展新型節(jié)能環(huán)保材料已迫在眉睫，減少常規(guī)材料的消耗是減輕資源負(fù)擔(dān)的有效措施[6]。由于未查詢到相關(guān)用硫氧鎂水泥膠凝材料做生土固化劑固化生土材材的相關(guān)資料和報(bào)道，結(jié)合本課題組前期的研究成果，深入研究了生土材料、細(xì)木屑、聚乙烯醇短切纖維摻量對硫氧鎂水泥性能的影響，同時添加適量的硫氧鎂水泥增強(qiáng)改性劑和抗水劑制作生土基硫氧鎂水泥生態(tài)防火板，經(jīng)國檢集團(tuán)檢驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過GB/T 33544—2017《玻鎂平板》標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

（1） 輕燒氧化鎂粉（MgO）：遼寧海城華豐礦業(yè)有限公司提供，細(xì)度通過200目（0.075 mm）方孔篩，通過率為96.73%，采用水合法[7]測得其活性氧化鎂含量為62.35%，主要化學(xué)成分見表1。

表1 輕燒氧化鎂粉主要化學(xué)成分 %（Table 1 Main chemical composition of lightly burned magnesia powder%）

（2） 工業(yè)七水硫酸鎂（MgSO4·7H2O）:江西湘虹食品添加劑有限公司提供，工業(yè)級白色粉末晶體，MgSO4·7H2O含量為99.52%，其化學(xué)成分見表2。

表2 工業(yè)七水硫酸鎂主要化學(xué)成分 %（Table 2Main chemical components of industrial magnesium sulfate heptahydrate %）

（3）生土材料：由濟(jì)南幸?；▓@二期工程地基開挖現(xiàn)場提取，經(jīng)陳化、晾干、粉碎、過篩等工序處理，制成細(xì)度通過100目（0.15 mm）方孔篩的細(xì)粉備用。主要化學(xué)成分見表3。

表3 生土材料主要化學(xué)成分 %（Table 3 Main chemical compositions of raw soil materials %）

（4） 碳酸鈣粉（CaCO3）：CaCO3含量為 98.31%，細(xì)度通過80（0.18 mm）方孔篩，含水率為1.21%，建材市場采購。

（5） 聚乙烯醇纖維（PVA纖維）：江蘇天怡工程纖維有限公司提供，主要性能指標(biāo)見表4。

表4 PVA纖維主要性能指標(biāo)Table 4 Main performance indexes of PVA fiber

（6） 中堿玻璃纖維布：采用網(wǎng)孔為5 mm×5 mm，克重為120 g/m2的中堿玻璃纖維網(wǎng)格布。由河北任丘市鑫順玻纖制品有限公司提供，化學(xué)成分見表5。

表5 中堿玻璃纖維網(wǎng)格布主要化學(xué)成分 %（Table 5 Main chemical composition of alkali glass fiber mesh cloth%）

（7）細(xì)木屑：木材加工廠的廢棄物，經(jīng)干燥過篩處理后含水率≤15.0%，細(xì)度通過20目（0.84 mm）方孔篩，含泥量2.13%，無霉?fàn)€變質(zhì)現(xiàn)象。

（8）改性添加劑：改性增強(qiáng)劑、抗水劑，自制。

1.2 試件制備

將七水硫酸鎂加水溶解并將其溶液密度調(diào)至1.25 g/cm3（溶液中純硫酸鎂含量為22.50%）。在攪拌鍋（攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)/min），內(nèi)加入定量的硫酸鎂溶液、改性添加劑和PVA纖維，再加入定量的輕燒氧化鎂粉攪拌均勻，再分別加入不同加量的生土材料或碳酸鈣粉、細(xì)木屑，制成均勻的硫氧鎂水泥料漿，攪拌時間控制在7～10 min。將料漿分兩次注入40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試模內(nèi)，振動60s，刮平試模表面，覆蓋塑料薄膜，保溫保潮，在溫度（25±1）℃、相對濕度（60±3）%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)24 h脫模，自然養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行性能測試。

1.3 儀器設(shè)備及測試方法

1.3.1 主要儀器設(shè)備

NJ-160A型水泥砂漿攪拌機(jī)、ZT-90膠砂試件成型振實(shí)臺，江蘇無錫錫鼎建工儀器有限公司；WDW-20型微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，江蘇天惠試驗(yàn)設(shè)備制造有限公司；101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；數(shù)顯簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)（GC-J2L-5D型），廣東東莞市廣測自動化設(shè)備有限公司。

1.3.2 測試方法

膠結(jié)料性能測試：抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度測試參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行測試；防火板材性能測試按照GB/T 33544—2017《玻鎂平板》標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 生土材料、碳酸鈣粉摻量對硫氧鎂水泥力學(xué)強(qiáng)度的影響

2.1.1 生土材料、碳酸鈣粉摻量對硫氧鎂水泥養(yǎng)護(hù)28 d抗折強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 生土材料、碳酸鈣粉摻量對硫氧鎂水泥抗折強(qiáng)度的影響（Fig.1 Effect of raw soil material and calcium carbonate content on flexural strength of magnesium oxysulfide cement）

由圖1可以看出，當(dāng)生土材料摻量為氧化鎂質(zhì)量的10%、30%時，試件養(yǎng)護(hù)28d的抗折強(qiáng)度為7.60 MPa和6.96 MPa，分別比空白對比試件提高14.11%和4.50%。摻量為氧化鎂質(zhì)量的50%和70%時，試件養(yǎng)護(hù)28 d的抗折強(qiáng)度分別比空白對比試件降低5.71%和19.67%。隨著生土材料摻加量的進(jìn)一步提高，試件抗折強(qiáng)度進(jìn)一步降低。當(dāng)碳酸鈣粉摻量為30%、50%和70%時，試件養(yǎng)護(hù)28 d的抗折強(qiáng)度為7.13 MPa、6.57 MPa和6.11 MPa，分別比等摻量生土材料試件提高2.44%、4.62%和4.07%。但生土材料摻量為氧化鎂質(zhì)量的10%時，試件養(yǎng)護(hù)28 d的抗折強(qiáng)度高于摻碳酸鈣粉試件的抗折強(qiáng)度，摻量超過10%低于50%時，抗折強(qiáng)度略低于等摻量碳酸鈣粉試件，降低幅度不大。摻量超過50%后，無論是摻生土材料還是摻碳酸鈣粉的試件，養(yǎng)護(hù)28 d的抗折強(qiáng)度皆有大幅度的降低，所以，建議生土材料或碳酸鈣粉的摻量最好不超過50%。

2.1.2 生土材料、碳酸鈣粉摻量對硫氧鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響

測試了生土材料、碳酸鈣粉摻量對硫氧鎂水泥養(yǎng)護(hù)28 d抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 生土材料、碳酸鈣粉摻量對硫氧鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響（Fig.2 Effect of raw soil material and calcium carbonate content on compressive strength of magnesium oxysulfide cement）

由圖2并結(jié)合圖1綜合分析，由于生土材料的顆粒較碳酸鈣粉的顆粒細(xì)小，比表面積比碳酸鈣粉大，堆積密度小于碳酸鈣粉，飽和吸水率大于碳酸鈣粉，當(dāng)漿體稠度相同時，用液量大于摻碳酸鈣粉試件。膠凝材料中微細(xì)填充材料的摻加大多不利于材料抗折強(qiáng)度的提高，所以，摻生土材料的試件抗折強(qiáng)度低于摻碳酸鈣粉的試件。恰恰相反，正因?yàn)樯敛牧媳忍妓徕}粉顆粒細(xì)小，具有較高的表面能，在膠凝材料硬化體內(nèi)具有很好的填充效應(yīng)，降低材料內(nèi)部孔隙率，提高材料的結(jié)構(gòu)密實(shí)性，進(jìn)一步改善材料的力學(xué)性能，再加之生土材料本身含有較高含量的SiO2和Al2O3成分，具有潛在的水硬性[8]，所以，摻生土材料的試件抗壓強(qiáng)度高于摻碳酸鈣粉試件的抗壓強(qiáng)度。即使生土材料摻量為氧化鎂質(zhì)量的70%時，試件養(yǎng)護(hù)28d的抗壓強(qiáng)度仍然能夠達(dá)到35.99 MPa，而等摻量碳酸鈣粉試件的抗壓強(qiáng)度也只有27.89 MPa，兩者相差22.51%。綜合分析，摻生土材料試件的抗壓強(qiáng)度優(yōu)于摻碳酸鈣粉試件，建議生土材料的摻量宜控制在氧化鎂質(zhì)量的50%以內(nèi)。

2.2 細(xì)木屑摻量對生土基硫氧鎂水泥抗壓強(qiáng)度、試件密度的影響

固定生土材料的摻量為氧化鎂質(zhì)量的50%，復(fù)合摻加不同加量的細(xì)木屑，考察了細(xì)木屑摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度、試件密度的影響，結(jié)果見表6。

表6 細(xì)木屑摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料抗壓強(qiáng)度及試件密度的影響（Table 6 Effect of fine sawdust content on compressive strength and specimen density of raw soil based magnesium oxysulfide cement cementitious material）

由表6看出，隨著細(xì)木屑摻量的增加，試件密度隨之降低，抗壓強(qiáng)度也隨之降低。抗壓強(qiáng)度及試件密度與木屑摻量呈負(fù)相關(guān)性，木屑摻量越大，強(qiáng)度占比越小。分析原因：（1） 經(jīng)檢測所用細(xì)木屑如落葉松等木材中含有一定量的妨礙水泥固化的丹寧酸及糖分[9]，對水泥強(qiáng)度的發(fā)揮有一定的抑制作用。通常在生產(chǎn)木絲水泥板時，可將木絲事先進(jìn)行礦化，將木絲中的有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化成無機(jī)化合物來消除有機(jī)成分對膠凝材料的負(fù)面影響[10]。但細(xì)木屑摻加在生土基硫氧鎂水泥中，由于處理成本較高，且處理效果也并不十分理想，所以沒有太大必要對木屑進(jìn)行特殊處理。（2）在生土基硫氧鎂水泥料漿制備時，由于漿體在攪拌設(shè)備內(nèi)要完成兩個運(yùn)動，即徑向運(yùn)動和軸向運(yùn)動[11]，同時也發(fā)生質(zhì)和量的變化[12]，以及固相、液相和氣相間的物理化學(xué)變化[13]，料漿在完成兩個運(yùn)動的同時，伴隨著木屑摻入，也會引入一定量的空氣，導(dǎo)致漿體密度降低。隨著木屑摻量的增加，引入的空氣也逐漸增多，孔隙率逐漸增大，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。因此，在生土基硫氧鎂水泥膠凝材料中細(xì)木屑摻量不宜摻量過高，宜控制在20%左右為宜。

2.3 PVA纖維摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料力學(xué)強(qiáng)度的影響

2.3.1 PVA纖維摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料抗折強(qiáng)度的影響

固定生土材料的摻量為50%，摻加不同加量的PVA纖維，測試了不同摻量的纖維對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料不同養(yǎng)護(hù)齡期抗折強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 PVA纖維摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料抗折強(qiáng)度的影響（Fig.3 Effect of PVA fiber content on flexural strength of raw soil based magnesium oxysulfide cement cementitious material）

由圖3可以看出：（1） 隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，試件各養(yǎng)護(hù)齡期的抗折強(qiáng)度逐漸提高。（2）隨著PVA纖維摻量的增加，試件的抗折強(qiáng)度逐漸提高，試件在破型過程中，沒有摻加纖維的試塊折斷速度快，迅速成為兩截（見圖4），位移曲線沒有延伸過程。摻加PVA纖維的試塊折斷后，纖維絲從斷頭有規(guī)律拔出（見圖5），位移曲線平緩延伸。并且隨著纖維摻量的增加，試塊折斷裂縫逐漸減小。這是因?yàn)閬y向分布的短切PVA纖維在裂紋間起到橋聯(lián)作用，阻止了裂紋的張開，而且纖維的橋聯(lián)應(yīng)力會隨纖維在基體內(nèi)的拔出滑移的增加而增加。該滑移增強(qiáng)現(xiàn)象是通過纖維與基體間的摩擦力和纖維拔出點(diǎn)的摩擦增強(qiáng)作用來實(shí)現(xiàn)的，因此，PVA纖維和基體間的橋聯(lián)作用，可以承受繼續(xù)增加荷載所產(chǎn)生的裂紋應(yīng)力，表現(xiàn)出裂紋寬度的減小[14]（見圖6、7、8）。另外，由于PVA纖維直徑較小，單位質(zhì)量的纖維根數(shù)相對較多，在試塊加載受折過程中，起到很好的橋接作用，并分散部分外部負(fù)荷，從而提高了試塊的抗折強(qiáng)度，也提高了材料的韌性。

圖4 不摻纖維試塊折斷情況（Figure 4 shows the breaking of the test block without fiber）

圖5 試塊斷面纖維拔出情況（Figure 5 shows the fiber pulling out of the section of the test block）

圖6 纖維摻量0.3%（Figure 6 shows the fiber content of 0.3%）

圖7 纖維摻量0.8%（Figure 7 shows the fiber content of 0.8%）

圖8 纖維摻量1.2%（Figure 8 shows the fiber content of 1.2%）

2.3.2 PVA纖維摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料抗壓強(qiáng)度的影響

固定生土材料摻量為50%，測試了PVA纖維不同摻量對生土基硫氧鎂水泥膠凝材料抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖9。

圖9 PVA纖維摻量對硫氧鎂水泥膠凝材料抗壓強(qiáng)度的影響（Fig.9 Effect of PVA fiber content on compressive strength of magnesium oxysulfide cement cementitious material）

由圖9可知：（1） 隨著PVA纖維摻量的增加，試件各養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢，其拐點(diǎn)摻量為氧化鎂質(zhì)量的1.0%。低摻量（小于1.0%）時，隨著纖維摻量的增加，試件抗壓強(qiáng)度逐漸提高，摻量為1.0%時抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)最大值，試件養(yǎng)護(hù)1 d的抗壓強(qiáng)度由空白試件的28.35 MPa提高到40.53 MPa，提高幅度為42.96%；養(yǎng)護(hù)3 d時抗壓強(qiáng)度由空白試件的39.30 MPa提高到48.91 MPa，提高幅度為24.45%；養(yǎng)護(hù)28 d時抗壓強(qiáng)度由空白試件的45.18 MPa提高到55.63 MPa，提高幅度為23.13%。隨著PVA纖維摻量的進(jìn)一步提高，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸下降。分析原因，PVA纖維在生土基硫氧鎂水泥體系內(nèi)具有很好的阻裂作用。在摻量適宜的范圍內(nèi)，PVA纖維在基體受壓過程中起到了限制試件橫向變形以及裂縫延伸和發(fā)展的作用，又由于纖維的摻入，可以在材料中形成相互搭接的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在試件受壓變形時，由于纖維的牽拉作用，也限制了變形的發(fā)展，同時還能夠吸收部分破壞能量，減緩裂痕的延伸，使試件承載能力得以提高。但是，隨著纖維摻量的繼續(xù)增加，超出了適宜的加量范圍后，大量的纖維不能均勻分布在基體內(nèi)，就會產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，增加了孔隙率，削弱了膠凝材料對纖維的握裹力和界面粘接強(qiáng)度，并增加了基體內(nèi)部缺陷，減弱了承載能力，從而導(dǎo)致試件的抗壓強(qiáng)度降低。因此，在生土基硫氧鎂水泥膠凝材料中PVA纖維的摻量應(yīng)控制在1.0%以內(nèi)。

3 生土基硫氧鎂水泥生態(tài)防火板性能測試及檢測結(jié)果

結(jié)合以上試驗(yàn)結(jié)果，添加適量的增強(qiáng)改性劑和抗水改性劑（其中增強(qiáng)改劑為多種有機(jī)酸性物質(zhì)化合而成，抗水改性劑為幾種堿性化合物復(fù)配而成，這是多年的研究成果之一）。將配合比最終優(yōu)化為m（MgO）:m（生土材料）:m（細(xì)木屑）:m（PVA纖維）:m（增強(qiáng)改性劑）:m（抗水改性劑）:m（硫酸鎂溶液）=100:50:20:1.0:1.5:1.5:115。利用輥壓成型方法生產(chǎn)的生土基硫氧鎂水泥生態(tài)防火板材，經(jīng)國家建筑材料測試中心（國檢集團(tuán)）依據(jù)GB/T33544—2017《玻鎂平板》進(jìn)行測試，檢測結(jié)果見表7。由表7可以看出，通過對生土基硫氧鎂水泥實(shí)施改性技術(shù)生產(chǎn)的防火板材，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過國家標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠滿足工程使用要求。

表7 生土基硫氧鎂水泥生態(tài)防火板性能測試結(jié)果（Table 7 Performance test results of green soil based magnesium oxysulfide cement ecological fireproof board）

4 市場前景分析及工程應(yīng)用

生土基硫氧鎂水泥防火板材不僅具有防火、防水、輕質(zhì)高強(qiáng)、不燃、零甲醛、綠色、節(jié)能環(huán)保等特殊性能，還具有良好的可塑性和深加工性，可成型各種機(jī)理紋、浮雕、鏤空等裝飾性極強(qiáng)的裝飾板材，廣泛應(yīng)用于建筑物的空間吊頂、墻面裝修、墻體隔斷、地面鋪設(shè)以及外墻裝飾裝潢等，具有優(yōu)異的物理性能、裝飾性能和環(huán)保性能，是差異化的產(chǎn)品。市場前景可觀。用該研究成果生產(chǎn)的生土基硫氧鎂生態(tài)防火板裝飾建筑物，其裝飾效果見圖10。

圖10 生土基硫氧鎂水泥防火板的裝飾效果Figure 10 Decorative effect of raw soil based magnesium oxysulfide cement fireproof board

5 結(jié)語

（1）當(dāng)生土材料摻量為氧化鎂質(zhì)量的10%時，試件養(yǎng)護(hù)28 d的抗折強(qiáng)度高于空白對比試件，也高于等摻量碳酸鈣粉試件，摻量超過30%后，隨著生土材料摻量的增加，抗折強(qiáng)度逐漸降低，同時也低于等摻量碳酸鈣粉試件的抗折強(qiáng)度。

（2）生土材料和碳酸鈣粉等摻量時，摻生土材料試件的抗壓強(qiáng)度皆高于摻碳酸鈣粉試件的抗壓強(qiáng)度。

（3）細(xì)木屑摻量與生土基硫氧鎂水泥抗壓強(qiáng)度、試件密度呈負(fù)相關(guān)性，摻量越大，強(qiáng)度越低，密度越小。

（4） PVA纖維摻量在0至1.2%的范圍內(nèi)，隨著PVA纖維摻量的增加，生土基硫氧鎂水泥試件抗折強(qiáng)度逐漸提高，抗壓強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢，摻量為1.0%時，試件抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)最大值為55.63 MPa，較空白對比試件提高23.13%，摻量提高到1.20%時，抗折強(qiáng)度較空白對比試件提高62.58%，抗壓強(qiáng)度提高17.26%。

（5）生土基硫氧鎂生態(tài)防火板，作為現(xiàn)代裝飾裝修材料，具有熱工性能好、隔音、吸音、防火、防水、零甲醛，各項(xiàng)性能指標(biāo)皆達(dá)到或超過國家標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種生態(tài)化的建筑材料，可為居住空間創(chuàng)造更加舒適的居住環(huán)境。