氯氧鎂水泥基復合保溫砂漿耐水性能研究

溫福勝，劉福勝，封凌竹，武義馨

（山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018）

氯氧鎂水泥基復合保溫砂漿耐水性能研究

溫福勝，劉福勝，封凌竹，武義馨

（山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018）

采用正交試驗方法研究了焦磷酸鈉、硫酸亞鐵、有機酸、硅灰4種不同外加劑及其摻量對氯氧鎂水泥基復合保溫砂漿耐水性能的影響。結(jié)果表明：外加劑的摻入能夠明顯改善氯氧鎂水泥基復合保溫砂漿的耐水性能，4種外加劑的最優(yōu)摻量分別為：焦磷酸鈉1%、硫酸亞鐵0.7%、有機酸2.0%、硅灰7.5%，基于最優(yōu)摻量所制備試件的3 d、28 d、浸水28 d、浸水90 d抗壓強度分別為9.91、15.27、10.13、8.40 MPa，抗壓強度軟化系數(shù)達到0.66，質(zhì)量損失率為5.54%，抗壓強度衰減速率為-0.57%。

氯氧鎂水泥；復合保溫砂漿；正交試驗；外加劑；耐水性能

氯氧鎂水泥是由氯化鎂溶液調(diào)和輕燒鎂粉制成的氣硬性膠凝材料,具有早強、高強、快凝、耐磨、耐腐蝕、防火、粘結(jié)力強等優(yōu)點[1]。但鎂水泥材料在使用過程中普遍會出現(xiàn)吸潮返鹵、耐水性差等不良現(xiàn)象，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量，制約了鎂水泥行業(yè)的發(fā)展。因此，改善鎂水泥及其制品的耐水性能對于鎂水泥及其復合材料的進一步推廣應用具有重要意義。

目前，改善鎂水泥及其制品耐水性能最有效的方法是摻加外加劑，可有效改善其孔結(jié)構(gòu)，提高密實度，減小孔隙率[2]。常用的外加劑主要有：磷酸及其可溶性鹽類、鐵鹽、銅鹽、鋁鹽、有機酸、高分子聚合物以及復合改性劑等。外加劑對鎂水泥的改性機理是改變其內(nèi)部水化產(chǎn)物的結(jié)晶形貌或是形成膠狀絮凝物堵塞毛細通道[3-4]。

以鎂質(zhì)水泥為膠結(jié)材料，以?；⒅?、小麥秸稈為保溫輕集料，以粉煤灰為主要摻合料，可配制出保溫隔熱性能良好的新型保溫砂漿[5]，但其在潮濕環(huán)境下使用時仍然存在吸潮返鹵、強度損失大的缺陷，耐水性能有待進一步改善。

本試驗選取磷酸鈉、硫酸亞鐵、有機酸、硅灰等4種外加劑，選取合適的摻量設計正交試驗，通過測試試件的抗壓強度、抗折強度、軟化系數(shù)等指標，探討外加劑對氯氧鎂水泥基復合保溫砂漿強度和耐水性能的影響，并得出其最佳摻量，以改善材料耐水性不足的缺陷，為其進一步推廣提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料

（1）輕燒鎂粉：MgO含量85%，其中活性MgO含量60%～ 65%，比表面積21710 cm2/mL，濟南金泉化工有限公司生產(chǎn)。

（2）鹵片：MgCl2·6H2O含量96%，天津市塘沽金輪鹽化有限公司生產(chǎn)。

（3）小麥秸稈：小麥秸稈自然風干后經(jīng)秸稈粉碎機粉碎處理，粉碎后粒徑為2～3 mm。

（4）?；⒅椋毫?.1～2.5 mm，堆積密度60～200 kg/m3，導熱系數(shù)0.032～0.045 W/（m·K），青島鳳翔化工有限公司生產(chǎn)。

（5）粉煤灰：電廠Ⅱ級粉煤灰，細度21.5%，需水量比98%，燒失量6%。

（6）硅灰：粒徑小于1 μm的顆粒占80%以上，平均粒徑在0.1～0.3 μm，比表面積20～28 m2/g，活性指數(shù)≥85%，需水量比≤125%。

（7）焦磷酸鈉（Na4P2O7·10H2O），分析純，天津市光復精細化工研究所；硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O），分析純，天津市北辰方正試劑廠；有機酸（C4H4O4），分析純，徐州索通生物科技有限公司；無水乙醇（C2H5OH），分析純，天津市凱通化學試劑有限公司。

（8）水：自來水。

1.2 試驗儀器設備

（1）JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機，河北科析儀器設備有限公司。

（2）Y90S-4型三相異步電動攪拌機，河北桂碩機電設備制造有限公司。

（3）手動砂漿稠度儀：沉入深度0～14.5 cm，沉入體積0～229.3 cm3，天津建筑儀器廠。

（5）BC-300S型電腦恒應力抗壓抗折試驗機：最大荷載10 000 N，精度等級為一級，北京恒應力科技有限公司。

（6）TCS電子衡器：最大稱量100 kg，精度5 g，永康市香海衡器廠。

（7）JA21002電子天平：最大稱量2100 g，精度0.01 g，上海精科天平儀器廠。

1.3 試件制作

本試驗中抗壓試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，抗折試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。試件制作過程：先將鹵片溶于水中形成MgCl2水溶液；將稱量好的輕燒鎂粉、?；⒅椤⑿←溄斩?、粉煤灰、硅灰等依次加入攪拌機中攪拌均勻，然后倒入MgCl2水溶液繼續(xù)攪拌均勻，攪拌過程中，將稱量好的焦磷酸鈉、硫酸亞鐵和有機酸倒入水中充分攪拌，使其完全溶解形成水溶液，倒入攪拌機中攪拌均勻后，將拌合物取出裝模，在自然條件下養(yǎng)護24 h后脫模，繼續(xù)在自然條件下養(yǎng)護至相應齡期后，取出部分試件進行強度測試，另一部分試件放入水中浸泡至相應齡期，再進行強度測試。

1.4 正交試驗方法

試驗共分10組，基準組Z0為不摻外加劑的空白試樣，其余9組Z1～Z9為試驗組，采用4因素3水平正交試驗方法。保溫砂漿的基本配合比為：n（MgO）∶n（MgCl2）=7～9，秸稈摻量5%～15%，?；⒅閾搅?5%～25%，m（粉煤灰）∶m（輕燒鎂粉）=1∶1。正交試驗因素水平見表1，正交試驗設計見表2。

表1 正交試驗因素水平

表2 正交試驗設計

1.5 測試方法

山東中農(nóng)各業(yè)務區(qū)域銷售人員連日來頂烈日、冒高溫，積極走訪市場，了解市場需求；公司先后召開2次專題會議，探討秋季肥市場行情，結(jié)合市場需求情況，確定采購方案，并及時聯(lián)系上游廠家，提前鎖定優(yōu)勢貨源。

（1）標準稠度需鹵水量[6]參照JGJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》中的稠度試驗方法測試砂漿拌合物的砂漿的稠度，砂漿拌合物稠度達到45～55 mm時，此時所用鹵水量為標準稠度需鹵水量。

（2）抗壓和抗折強度參照JGJ 70—2009和GB 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行測試。

（3）軟化系數(shù)[7]測試方法：成型試件6塊，在自然條件下養(yǎng)護28 d，取出3塊測試其抗壓強度或抗折強度R0，同時將剩余3塊放入水中浸泡，試件間距20 mm，水面至少超過試件10 mm，浸泡28 d后，取出試件擦干表面，立即測試其抗壓強度或抗折強度Rw，Rw與R0的比值即為其軟化系數(shù)K。

（5）質(zhì)量損失率[7]測試方法：將試件養(yǎng)護28 d后，稱取其浸水之前的質(zhì)量W0，然后將試件放入水中浸泡28 d，取出試件放入烘箱中，在80℃烘干至恒重并稱取質(zhì)量Ww，按照式（1）計算試件的質(zhì)量損失率。

（6）強度衰減速率[7]測試方法：將試件在空氣中養(yǎng)護28 d后，放入水中浸泡7 d和28 d后分別測試強度Rw7和Rw28，按式（2）計算強度衰減速率Kr。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同外加劑及其摻量對砂漿標準稠度需鹵水量的影響

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，砂漿對水的敏感度很高，另因為規(guī)范中對稠度有要求（沉入量45～55 mm），因此將砂漿達到標準稠度時所用的鹵水量作為指標進行記錄。圖1為不同外加劑及其摻量對砂漿標準稠度需鹵水量的影響。

圖1 不同外加劑及其摻量對砂漿標準稠度需鹵水量的影響

由圖1可以看出，各試驗組（Z1～Z9）試件的標準稠度需鹵水量均明顯低于基準組（Z0），基準組Z0的標準稠度需鹵水量為263.5 mL，Z9組的標準稠度需鹵水量最少，比基準組降低了14%。分析其原因，外加劑中的硅灰作為密實劑，填充了部分砂漿骨料間的空隙，同時外加劑的加入使得砂漿中生成一定量的難溶于水的凝膠體，堵塞了砂漿中的毛細孔道，改善了內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，減小了孔隙率，從而降低了標準稠度需鹵水量。

2.2 不同外加劑及其摻量對砂漿強度的影響

不同外加劑及其摻量對砂漿自然養(yǎng)護抗壓強度的影響見圖2，對砂漿浸水養(yǎng)護抗壓強度的影響見圖3。

圖2 不同外加劑及其摻量對自然養(yǎng)護砂漿抗壓強度的影響

圖3 不同外加劑及其摻量對浸水養(yǎng)護砂漿抗壓強度的影響

由圖2可以看出，在自然養(yǎng)護條件下，基準組（Z0）試件3、7、28 d齡期時的抗壓強度分別為2.91、3.32、3.82 MPa；摻入外加劑后，各組試件抗壓強度要明顯高于基準組，除Z3組外，其余各試驗組試件3 d抗壓強度均提高了50%以上。3 d抗壓強度最高的2組為Z5和Z7，分別達到8.95和9.91 MPa，分別為Z0組試件的3.08倍和3.41倍；除Z1組外，其余各組試件7 d抗壓強度較其自身3 d強度均有明顯提高，其中Z5、Z7、Z9組試件7 d強度分別達到12.55、13.05、12.36 MPa，分別為Z0組試件的3.78倍、3.93倍、3.72倍；Z7和Z8組試件的28 d抗壓強度最高，分別達到15.27和15.17 MPa，約為Z0組的4倍。

由圖3可以看出，在浸水養(yǎng)護條件下，浸水7 d后試件抗壓強度都會迅速下降，原因可能是保溫砂漿在水中浸泡過后，其內(nèi)部各類水化產(chǎn)物發(fā)生不同程度的水解，導致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松多孔；試件在水中浸泡過后，其強度在浸水7 d時下降幅度最大，之后強度仍會逐級下降，但下降趨勢趨于緩和；基準組（Z0）試件浸水7、28、60、90 d后的抗壓強度分別為2.63、1.92、1.68、1.29MPa，Z1～Z9組試件浸水后不同齡期抗壓強度均超過基準組的2倍，其中強度表現(xiàn)最好的是Z7組，浸水7 d抗壓強度達到10.96MPa，是基準組的4.2倍，浸水90 d時強度仍能達到8.40MPa，為基準組試件浸水90d強度的6.5倍。

不同外加劑及其摻量對砂漿自然養(yǎng)護抗折強度的影響見圖4，對砂漿浸水養(yǎng)護抗折強度的影響見圖5。

由圖4和圖5可以看出，不同外加劑及其摻量對砂漿抗折強度的影響規(guī)律與抗壓強度大致相同，值得注意的是，摻入外加劑后，在自然養(yǎng)護條件下，各試驗組試件的抗折強度的增長幅度較其抗壓強度更為明顯，浸水7 d時試件的抗折強度會急劇下降。

圖4 不同外加劑及其摻量對自然養(yǎng)護砂漿抗折強度的影響

圖5 不同外加劑及其摻量對浸水時期砂漿抗折強度的影響

2.3 不同外加劑及其摻量對砂漿軟化系數(shù)的影響

由于氯氧鎂水泥硬化體浸水后的直接表現(xiàn)就是強度隨下降。在水中保持強度不降低的能力可以直接評價其耐水性。不同外加劑及其摻量對砂漿軟化系數(shù)的影響見圖6。

圖6 不同外加劑及其摻量對砂漿軟化系數(shù)的影響

由圖6可以看出，摻入外加劑后，砂漿的耐水性能得到了一定程度的改善，抗壓強度軟化系數(shù)均得到不同程度的提高，其中Z7組的抗壓強度軟化系數(shù)最高為0.66，相比基準組的軟化系數(shù)提高了32%；各試驗組抗折強度軟化系數(shù)在基準組水平上下浮動，但變化幅度不大，抗折強度軟化系數(shù)最高為Z2組的0.53。

2.4 不同外加劑及其摻量對砂漿質(zhì)量損失率的影響

由于硬化體水化產(chǎn)物水解后形成的離子從試件中溶出使其質(zhì)量減少，孔隙率增加，強度下降。因此，可以用浸水后試件的質(zhì)量損失率來表征材料的耐水性。不同外加劑及其摻量對砂漿質(zhì)量損失率的影響見圖7。

圖7 不同外加劑及其摻量對砂漿質(zhì)量損失率的影響

由圖7可以看出，基準組試件的質(zhì)量損失率為6.75%，摻入外加劑后，各試驗組試件的質(zhì)量損失率均有不同程度的降低，Z2、Z3、Z8、Z9組試件的質(zhì)量損失率略低于基準組但降低幅度并不明顯；其余各組試件的質(zhì)量損失率明顯低于基準組，其中Z1和Z4質(zhì)量損失率最低，分別為5.28%和5.22%。

2.5 不同外加劑及其摻量對砂漿強度衰減速率的影響

氯氧鎂水泥硬化體在水中強度衰減與其在水中浸泡的時間有關(guān)，其強度隨時間按指數(shù)規(guī)律變化。軟化系數(shù)與時間的關(guān)系遵循K=Rw/R0=e-Krt，其中Kr為強度隨時間的衰減速率，它的數(shù)量越小，表明強度在水中的保留率越大，反之則越小。Kr與浸水時間無關(guān)，它是材料的本征性能。圖8為不同外加劑及其摻量對砂漿強度衰減速率的影響。

圖8 不同外加劑及其摻量對砂漿強度衰減速率的影響

由圖8可以看出，對于抗壓強度衰減速率，基準組抗壓強度衰減速率為-2.25%，加入外加劑后，各試驗組抗壓強度衰減速率均明顯小于基準組，其中Z8組最小，達到-0.40%，相比于基準組提高了82%；對于抗折強度衰減速率，除Z3組外，其余各組衰減速率相比于基準組均有不同程度的降低，其中，最小達到-0.05%（Z7組），相比于基準組提高了96%。

2.6 外加劑的最優(yōu)摻量

采用多指標極差分析的方法，通過對正交試驗結(jié)果中的28 d抗壓強度、抗壓強度軟化系數(shù)、質(zhì)量損失率以及抗壓強度衰減速率等4個指標進行極差分析，確定單獨考慮各指標時不同外加劑影響大小的主次順序以及最優(yōu)摻量水平，最后綜合平衡確定各外加劑的最優(yōu)摻量。

正交試驗結(jié)果見表3，極差分析結(jié)果見表4。

表3 正交試驗結(jié)果

表4 極差分析

由表4可以看出：

（1）對于因素A，其對28 d抗壓強度的影響大小排在第1位，水平取A3；其對抗壓強度軟化系數(shù)的影響大小也排在第1位，水平取A1；但取A3時，28 d強度是取A1時的近2倍，抗壓強度軟化系數(shù)比取A1時提高了8%，抗壓強度衰減速率比取A1時提高了40%，而質(zhì)量損失率比取A1時略有增加，故因素A水平選A3。

（2）對于因素B，其對質(zhì)量損失率和抗壓強度衰減速率的影響排在第1位，對28 d抗壓強度影響排在第2位，對抗壓強度軟化系數(shù)的影響排在第3位（為次要因素），水平取B1或B2；取B2時，質(zhì)量損失率與取B1時接近，但其余3項指標均優(yōu)于取B1時的指標，故因素B水平選B2。

（3）對于因素C，其對抗壓強度軟化系數(shù)的影響大小排在第2位，水平取C3，對其它3項指標均為次要因素，故因素C水平選C3。

（4）對于因素D，其對4項指標均為次要因素，從長期性能考慮，因素D水平選D2。

由此確定4種外加劑摻量最優(yōu)組合為A3B2C3D2，即焦磷酸鈉、硫酸亞鐵、有機酸、硅灰的摻量分別為1.0%、0.7%、2.0%、7.5%。

2.7 最優(yōu)配比試驗

根據(jù)最優(yōu)組合A3B2C3D2制作試件并測試其性能，試件3 d抗壓強度為9.91 MPa，28 d抗壓強度為15.27 MPa，浸水28 d抗壓強度為10.13 MPa，浸水90 d抗壓強度為8.40 MPa，抗壓強度軟化系數(shù)為0.66，質(zhì)量損失率為5.54%，抗壓強度衰減速率為-0.57%，各項性能均較基準組試樣有明顯提高。

3 結(jié)論

（1）正交試驗結(jié)果表明，外加劑的摻入能有效減少氯氧鎂水泥基復合保溫砂漿的標準稠度需鹵水量，可以有效提高氯氧鎂水泥基復合保溫砂漿的強度及耐水性能；抗壓強度軟化系數(shù)由基準組的0.50提高到0.66。

（2）由極差分析結(jié)果可以得出，4種外加劑的最優(yōu)組合為A3B2C3D2，即焦磷酸鈉1.0%、硫酸亞鐵0.7%、有機酸2.0%、硅灰7.5%，根據(jù)最優(yōu)組合制作的試件各項性能均明顯優(yōu)于基準組。

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Study on water-resistance property of magnesium oxychloride cementitious composite thermal insulating mortar

WEN Fusheng，LIU Fusheng，F(xiàn)ENG Lingzhu，WU Yixin
（College of Water Conservancy and Civil Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 201018，China）

The effects of four different admixtures Na4P2O7·10H2O，F(xiàn)eSO4·7H2O，C4H4O4and silica fume and their dosages on the water-resistant properties of magnesium oxychloride cementitious composite thermal insulating mortar were researched by orthogonal experimental method.The results of the experiment show that the admixtures can apparently improve the water-resistant properties of magnesium oxychloride cementitious composite thermal insulating mortar，and the best combination of the four admixtures is 1%Na4P2O7·10H2O，0.7%FeSO4·7H2O，2.0%C4H4O4and 7.5%silica fume.Based on the best combination，the compressive strength of its specimens after 3-day，after 28 d，after soaking for 28 d and after soaking for 90 d is 9.91 MPa，15.27 MPa，10.13 MPa，and 8.40 MPa respectively.The compressive strength softening coefficient of the specimens based on the best combination is 0.66，the quality loss rate is 5.54%，and the strength decay rate of the compressive strength is-0.57%.

magnesium oxychloride cement，composite thermal insulating mortar，orthogonal experimental method，admixture，water-resistant properties

TU57+8.1

A

1001-702X（2016）11-0069-05

山東省農(nóng)業(yè)重大應用技術(shù)創(chuàng)新項目（SDNYCX1531963）

2016-03-03；

2016-03-30

溫福勝，男，1991年生，山東煙臺人，碩士研究生。