水化硫鋁酸鎂晶體結構的探尋
摘 要：本文根據質量寧恒定律，分析鎂質硫酸鹽水泥反應底物和反應產物的組成和比例關系，并運用從現象到本質、從宏觀到微觀的推導方法對水化硫鋁酸鎂晶體結構進行探尋。
關鍵詞：質量守恒定律；反應底物；反應產物；定向效應；質量作用定律
為了準確地掌握鎂質硫酸鹽水泥的物理力學性能和化學穩定性能的形成機理，有必要對組成材料的原子、分子排列方式、結合狀況等微觀結構進行探尋，尤其是對水化硫鋁酸鎂晶體結構的探尋。本研究團隊認為，鎂質硫酸鹽水泥是新的鎂質水泥，按照與硫鋁酸鹽水泥的類比方法，反應生成物的主要組成應該是水化硅酸鎂和水化硫鋁酸鎂。由于水化硫鋁酸鎂在文獻中沒有記載，也沒有收進在德國建立的無機晶體結構數據庫(The Lnorganic Crystal Structural Database)。所以，水化硫鋁酸鎂晶體結構的探尋，只能運用從現象到本質、從宏觀到微觀的推導方法進行。
1 材料的組成
根據質量守恒定律，參與反應的各組分材料元素的重量(數量)在反應前后是不變的。反應產物的組成和比例是由參與反應底物的組成和比例決定的。因此，要探尋鎂質硫酸鹽水泥的水化產物的組成，必須先分析參與反應底物的材料和比例。
鎂質硫酸鹽水泥的反應機理，不同于氯氧鎂水泥、硫氧鎂水泥。鎂質硫酸鹽水泥是在提高鋁聚合度的前提下，利用氧化鎂作為堿性激發劑、硫酸鎂和其它硫酸鹽作為硫酸鹽激發劑，共同作用于火山灰質材料，使火山灰質材料中鍵合力極弱的硅氧四面體、鋁氧四面體具有較高的活性，并在活性劑、促進劑的作用下，生成水化硅酸鎂和水化硫鋁酸鎂。這樣，鎂質硫酸鹽水泥的組分材料主要有三種：輕燒氧化鎂、復合硫酸鹽、混合火山灰。外加劑包括磷酸、活性劑、促進劑等，所占的比例很少。
為了滿足反應機理的需要，我公司經過數年的潛心探索和成千上百次試驗，優選出鎂質硫酸鹽水泥按照定向效應形成較高物理力學性能和化學穩定性能的主要反應底物的組成和比例如下：
SO3主要是以MgSO4的形式出現的，從中可以看出MgSO4／Al2O3<1，證明鎂質硫酸鹽水泥的組成材料比例是以生成單硫型水化硫鋁酸鎂為主要晶體結構。
2 從XRD圖探尋
通過對材料進行X射線衍射，作出衍射圖(圖1)，并根據標準圖譜分析，就可以獲得材料的成分、材料內部原子或分子的結構或形態等信息。但是，由于鎂質硫酸鹽水泥是我公司率先研制的，水化反應產物是個未知化合物。這樣，XRD進行物相分析就存在同組元素具有相似的性質和晶體結構，造成在同位置出現衍射峰，從而不能確定物相的真實組成。由于水化硫鋁酸鎂沒有進入無機晶體結構數據庫，在相關手冊標準圖譜中無法查到，而與此相似的硫氧鎂水泥5MgO?MgSO4?8H2O(5?1?8相)卻在標準圖譜中存在。因此，很容易把水化硫鋁酸鎂看成是硫氧鎂水泥的5?1?8相。
根據鎂質硫酸鹽水泥參與反應底物的克分子數有：
克分子數這樣安排，有利于反應定向進行，因為質量作用定律揭示，化學反應的速率是和參與反應的有效質量(克分子濃度)成比例的．而磷酸只有活性MgO重量的1.5％左右，生成AlPO4只能用去很少的Al2O3，因為H3PO4的當量數只有Al2O3當量數的2％左右，其余98％左右當量數的Al2O3除一部分在常溫下與SiO2生成莫來石(3Al2O3?2SiO2)外，根據質量守恒定律(物質不滅定律)，大部分只能與MgO、MgSO4生成單硫型水化硫鋁酸鎂。
由于硫氧鎂水泥5?1?8相與單硫型水化硫鋁酸鎂具有相似的衍射峰；又由于MgO比CaO的化學親和力強，與Al2O3、MgSO4配位數要大。由此可推導出單硫型水化硫鋁酸鎂具有如下的晶體結構：
這一結論還可以通過歸謬法從現象到本質予以證明：
如果鎂質硫酸鹽水泥的主要結晶相是硫氧鎂水泥5?1?8相，那么受熱分解后強度下降是不可逆的。而鎂質硫酸鹽水泥受熱失去結晶水強度下降后，只要回水處理，結晶水就將恢復，強度又將回升，這種性質只有水化硫鋁酸鎂才存在。
如果鎂質硫酸鹽水泥的主要結晶相是硫氧鎂水泥5?1?8相，那么就存在抗水性差的弊端，即使進行了改性，提高了軟化系數，但還是改變不了不耐水的本質。而鎂質硫酸鹽水泥在水中強度是上升的，這種性質只有水化硫鋁酸鎂才存在。
從XRD圖分析可以看出：1.沒有游離態硫酸鎂，因而從微觀上解釋了鎂質硫酸鹽水泥不會與金屬發生電化學銹蝕的原因；2.水化硅酸鎂是以Mg3(Si2O5)(OH)4的形態存在，這和纖維蛇紋石(溫石棉)的結構相同，因而從微觀上解釋了鎂質硫酸鹽水泥隨時間的推移抗折強度大幅度提高的原因。
所以，水化硫鋁酸鎂的晶體結構這一物相的組成，還需要進行定性分析和定量分析，例如光譜分析，才能確定。
3 從SEM圖探尋
鎂質硫酸鹽水泥SEM圖(圖2)和硫鋁酸鹽水泥SEM圖(圖3)十分相似，如果能找到快硬硫鋁酸鹽水泥SEM圖，那就更容易從形貌上運用分析與綜合、歸納與演繹以及類比方法深入探尋。
鎂質硫酸鹽水泥SEM圖中沒有在常溫下形成的葉片狀硫氧鎂水泥3MgO?MgSO4?11H2O相，有的只是針、棒狀晶體和凝膠狀水化產物相互疊加、相互穿插，這就更能從形貌上證明鎂質硫酸鹽水泥不是硫氧鎂水泥。
4 結語
科學是不斷進步的，人們的認識也在不斷提高。水化硫鋁酸鎂晶體結構的探尋并沒有結束，還必須繼續對物相進行定性和定量分析才會有新的發現。我公司畢竟是個企業，缺乏檢測手段(設備)和專業技術人才，期盼有關專家鼎力相助。正如拉瓦錫指正普利斯特里發現的不是“燃素”而是氧氣、亞美利加指正哥倫布發現的不是“印度”而是新大陸一樣，很希望有關專家能成為拉瓦錫、亞美利加式的人物，為我國的菱鎂事業的發展做出更大的貢獻。
