1　概　述

　　鎂質膠凝材料是以氧化鎂為主要成分的氣硬性膠凝材料，用水調制氧化鎂時，將生成氫氧化鎂，漿體凝結硬化慢，硬化后強度低。用氯化鎂、硫酸鎂等鹽類溶液調制的鎂質膠凝材料具有早強、質輕、耐火、耐沖擊、與有機材料結合性能好等優點，使其在裝飾、建筑節能等方面具有優勢，是一種綠色環保建材。
　　目前鎂質膠凝材料主要應用的是菱鎂膠凝材料，因其有耐水性差、易變形、易返鹵返霜、易使鋼筋腐蝕等缺點，在一定程度上限制了其應用，近幾十年來經過眾多科研院所的共同努力，獲得了較好的效果，但是由于技術保密的原因，并不能使所有的菱鎂制品企業掌握其核心技術，使得菱鎂制品質量水平參差不齊，部分省份管理部門對鎂質膠凝材料并不認可，從而限制了其大量應用。
　　硫酸鎂、氧化鎂和水制成的硫氧鎂膠凝材料，保留了菱鎂膠凝材料的部分優點，克服了吸潮返鹵、腐蝕鋼筋等缺點，但是硫氧鎂膠凝材料如果不經過改性也有強度較低的缺點，如果能夠進一步提高硫氧鎂膠凝材料性能，必將使硫氧鎂膠凝材料應用前景更加廣闊。
　　菱鎂膠凝材料與硫氧鎂膠凝材料比較各有優缺點，具體比較結果如下：

2　項目研究目標及技術路線

2.1　研究目標確定

　　硫氧鎂膠凝材料改性劑性能指標見表2。

2.2　技術路線

　　選取某種改性劑加入硫氧鎂膠凝材料中延長其初凝時間，并且7天和28天抗壓強度不降低；另一種改性劑能夠提高抗水性和強度。

3　硫氧鎂膠凝材料改性研究

3.1　試驗所用原材料

　?、佥p燒氧化鎂
　　遼寧省海城產，外觀呈白色粉末，是菱鎂礦在反射窯中經750～850℃煅燒，再經磨細而成，試驗用輕燒氧化鎂粉符合WB／T 1019―2002菱鎂制品用氧化鎂標準中優等品要求。
　　②工業硫酸鎂
　　工業硫酸鎂符合HG／T 2680―2009工業硫酸鎂I類一等品要求。
　?、哿蜓蹑V膠凝材料改性劑
　　本院研制生產。

3.2　試驗基本方法

3.2.1　試驗所用標準
　　GB 1346  水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性試驗方法
　　GB／T 17671  水泥膠砂強度檢驗方法
　　JGJ 63  混凝土拌合用水
　　WB／T 1019  菱鎂制品用輕燒氧化鎂
　　HG／T 2680  工業硫酸鎂
3.2.2　試驗方法
　　硫酸鎂溶液密度為1.26g／cm³；
　　采用4cm×4cm×16cm三聯模成型，脫模后養護至規定齡期，然后破型，分別進行抗折、抗壓、耐水性試驗。所用儀器主要有JJ―5型水泥膠砂攪拌機、ZT―96水泥膠砂試體成型振實臺、水泥標準稠度凝結時間測定儀、YAW―300C微機控制電液式水泥壓力試驗機、HWHS―100L型恒溫恒濕養護箱。

3.3　結果與討論

3.3.1　硫氧鎂膠凝材料改性劑對膠結料凝結時間影響
　　硫氧鎂膠凝材料在氣溫較高和硫酸鎂溶液密度較大時，硬化較快，有必要加入緩凝劑。在室溫28℃時初凝時間為166分鐘，加入緩凝劑0.5％時初凝時間差為123分鐘，加入緩凝劑1％初凝時間差為163分鐘，加入緩凝劑后7天和28天強度都有提高，緩凝劑加量為1.0％時28天強度較高，7天強度略低，結果見表3。

3.3.2　抗水增強劑對硫氧鎂膠凝材料強度的影響
　　抗水增強劑對硫氧鎂膠凝材料強度的影響見表4，抗水增強劑加量從0.2％到1.0％，7天抗壓強度除了加量0.8％略低外其余逐漸增強，28天抗壓強度逐漸增強。

　　根據表4試驗結果畫圖1，抗水增強劑加量由0到1％。

　　由圖一看出，抗水增強劑摻加量由0.4％到1.0％時7天抗壓強度比較接近，28天抗壓強度保持逐漸增大，大達到接近未摻抗水增強劑抗壓強度的2倍。
　　抗水增強劑加量從1.0％到3.0％試驗結果見表5，28天抗壓強度非常接近，加量3％時7天強度較低，綜合考慮選用1.0％較合適。

3.3.3　MgO／MgSO₄摩爾比對硫氧鎂膠凝材料強度的影響
　　硫酸鎂溶液百分濃度與密度、波美度對比見表6。

　　MgO／MgSO₄摩爾比對硫氧鎂膠凝材料強度的影響試驗，硫酸鎂溶液的體積加量不變，根據摩爾比計算用不同密度的硫酸鎂溶液拌合硫氧鎂膠凝材料凈漿進行試驗，試驗結果見表7。隨著摩爾比的增大28天抗壓強度逐漸降低。

3.3.4　抗水增強劑對硫氧鎂膠凝材料耐水性影響
　　未加抗水增強劑時，硫氧鎂膠凝材料在水中浸泡7天后，抗壓軟化系數為0.13，抗折軟化系數為0，加抗水增強劑后抗水性顯著增強，當摻量為1％時，軟化系數為0.90，見表8。

　　硫氧鎂膠凝材料耐水性隨著抗水增強劑摻加量不同，軟化系數略有變化，摻加量在1％～2％之間軟化系數較高，結果見表9。

3.4　硫氧鎂膠凝材料與菱鎂膠凝材料吸潮返鹵性能對比
3.4.1　硫氧鎂膠凝材料與菱鎂膠凝材料吸潮返鹵性能對比
　　吸潮返鹵性檢測：將試件放入恒溫恒濕養護箱中，設定養護箱溫度40℃，相對濕度95％，在此環境下養護72h，用肉眼觀察試件表面的變化情況。

　　通過表10可以看出，硫氧鎂膠凝材料不吸潮返鹵，菱鎂膠凝材料(未加抗返鹵劑)易出現吸潮返鹵情況。表面吸濕率前者只有后者的9.5％。
3.4.2　氯化鎂與硫酸鎂吸濕率對比

　　注：實驗環境，在帶蓋的塑料桶中底部放水，上中部放篦子，試樣放在玻璃蒸發皿中放于篦子上，溫度28度，濕度88％；
　　氯化鎂與硫酸鎂相比，吸濕率大得多，168 h無水氯化鎂吸濕率是無水硫酸鎂的22.3倍，六水氯化鎂168 h吸濕率是七水硫酸鎂的4.95倍。
3.5　硫氧鎂膠凝材料與菱鎂膠凝材料對鋼材的腐蝕性對比
　　在硫氧鎂膠凝材料試塊中間插入鋼筋養護28天后，泡水7天，取出鋼筋觀察沒有腐蝕痕跡；在菱鎂膠凝材料試塊中間插入鋼筋養護28天后，泡水7天，取出鋼筋觀察明顯生銹。

4　硫氧鎂膠凝材料的水化歷程

　　MgO―MgSO₄―H₂O膠凝體系水化過程可分為5個階段，即起始期、誘導期、加速期、減速期、衰減期。
4.1　起始期和誘導期
　　輕燒氧化鎂與硫酸鎂溶液經混合后，氧化鎂以細小顆粒均勻分散在Mg²⁺、SO₄^2-、H⁺、OH^-及水分子組成的均勻介質中，氧化鎂水化顆粒在介質中進行如下的水解反應

　　在這兩個水化階段，上述水解反應的速度很慢，放熱速率很低。
4.2　加速期
　　上述的水解反應明顯加快，[Mg(OH)(H₂O)x]⁺和OH^-濃度在水化體系中越來越大，當離子質量分數增大到一定程度時，發生如下復合反應(2)和(3)，此時出現了水化結晶相3Mg(OH)2?MgSO₄?8H₂O(3?1?8)，同時也伴有一定數量的Mg(OH)₂相生成

4.3　減速期
　　上面的復合反應繼續加速進行，但是氧化鎂微粒的水解速度逐漸降低，過程逐漸由自動催化反應控制轉變為擴散過程控制。
4.4　衰減期
　　水化作用完全受擴散過程控制，上面的復合反應(2)和(3)速度取決于氧化鎂顆粒的水解速度。

5　硫氧鎂膠凝材料硬化體掃描電鏡形貌分析

　　從圖2和圖3的掃描電鏡照片可知，二者均有片狀晶體，內部都有氣泡和微裂紋。圖2針狀晶體幾乎沒有，基本上都是膠凝相和片狀晶體，膠凝相為晶相不完整的硫氧鎂晶相，片狀晶體應是Mg(OH)₂相。圖3中看到，晶體結晶較完整，都是針狀細小結晶，針狀晶體為3Mg(OH)₂?MgSO₄?8H₂O(3?1?8)相。說明抗水增強劑能顯著改變晶相結構，使得結構更致密，增強了材料的力學性能。

6　硫氧鎂膠凝材料改性劑的作用機理

6.1　緩凝劑作用機理
　　當改性劑摻入菱鎂膠凝材料中后，就會與漿體中的Mg²⁺反應生成一種難容鹽覆蓋在表面，阻止Mg²⁺與水分子接觸，起到緩凝作用。改性劑摻入越多，濃度越大，則覆蓋程度越大，緩凝作用越明顯。
6.2　抗水增強劑作用機理
　　抗水增強劑能干擾Mg²⁺與OH^-形成Mg(OH)₂，提高了溶液中Mg²⁺濃度，有利于硫酸根與其反應形成更多的水化產物。通過加入抗水增強劑使Mg(OH)₂平衡溶解度增大，從而促使硫氧鎂水溶液與氧化鎂反應生成更多的復鹽，通過SEM對比觀察，晶體更加細小，生成針狀晶體相互之間穿插，使結構致密，提高了硫氧鎂膠凝材料的強度。 

7　產品應用情況

　　硫氧鎂膠凝材料改性劑研制成功后，在防火門芯板中進行了試驗，試驗結果見表12。

8　結　論

　　(1)硫氧鎂膠凝材料緩凝劑降低了硫氧鎂膠凝材料反應速度，初凝時間差在123分鐘，并且7天和28天抗壓強度略有提高。
　　(2)硫氧鎂膠凝材料抗水增強劑，提高了7天和28天抗壓強度及軟化系數，抗壓強度比大于140％，軟化系數大干0.80。
　　(3)硫氧鎂膠凝材料具有早強、質輕、耐火、耐沖擊、與有機材料結合性能好等優點、沒有吸潮返鹵、腐蝕鋼筋等缺點，硫氧鎂膠凝材料的必將帶來極大的經濟效益和社會效益。