水化硅酸鎂脫水相再水化特性

李兆恒,周仁琦,馬玉瑋

(1. 廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.廣東省水利新材料與結構工程技術研究中心，廣州 510635；3.中國電建集團海南電力設計研究院有限公司，海口 571100；4.廣州大學，廣州 511400)

1 概述

1953年Cole[1]對被破壞的混凝土海墻進行研究時，發現了水化硅酸鎂(4MgO·SiO2·8.5H2O)的存在，外貌為白色沉積物，并通過硫酸鹽和水泥砂漿中氫氧化鎂的作用間接證明了其形成。鎂質膠凝材料具有輕質、耐火和抗沖擊等優異性能，在裝飾、節能和環保方面得到了大量應用[2-4]。但由于存在鋼筋銹蝕、強度不穩定和凝結硬化快等問題，使其在建材行業發展緩慢[5]。水化硅酸鎂(MgO-SiO2-H2O)體系在高溫和高壓下的主要反應產物為滑石和蛇紋石[6]，滑石通常呈板狀或纖維狀[7]，蛇紋石呈纖維狀[8]。MgO-SiO2-H2O凝膠通常呈絮狀，結晶度較差，硅氧四面體呈層狀結構。常溫下將MgO、硅灰和水混合，反應產物主要為氫氧化鎂(Mg(OH)2)和M-S-H凝膠[9-10]。現有研究主要集中于硅酸鎂系膠凝材料的性能、M-S-H組成和結構的表征，對M-S-H脫水相再水化過程及再生機制的研究尚未見報道。通過查閱相關資料發現，硅酸鈣水泥脫水相經過再水化可制備再生性膠凝材料，而M-S-H和C-S-H在組成與結構上比較類似，因此，推測水化硅酸鎂脫水相經過再水化也可制備再生性膠凝材料，并通過前期探索性試驗證實M-S-H 具備脫水相再水化的能力。本研究將從膠凝材料可持續發展的角度出發，利用脫水相再水化原理，研究M-S-H膠凝體系的脫水過程及再水化產物的組成、結構、放熱特性和力學性能等，對推動鎂質膠凝材料向可循環利用的方向發展具有重要意義。

傳統硅酸鹽水泥脫水相再水化過程已有許多研究，Alonso[11]和孫榮光[12]對水泥漿體脫水相再水化過程進行研究，發現再水化產物與初始水化產物相似。高瓊英和王志宏[13]對水化硅酸鈣(C-S-H)膠凝體系煅燒后的水化特性進行了研究，發現其脫水相再水化具有膠凝性，且膠凝性隨著C/S升高，先增大后減小。張彬[14]對600℃煅燒后再水化的硬化水泥漿體進行分析，發現氧化鈣(CaO)對應的特征峰消失，出現C-S-H凝膠特征峰。潘國耀和俞淑梅[15-17]對400℃煅燒水化硅酸鈣脫水相的再水化特性進行了研究，發現C-S-H脫水相需水量大、硬化后強度低，隨著煅燒溫度的升高，初期放熱較快，硬化后強度也有所提高。水中和[18-19]等研究發現，煅燒溫度對脫水相孔隙率有較大影響，當脫水相在550℃～600℃煅燒時，孔隙率小，力學性能好，硬化漿體28 d 強度可以達到15 MPa。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

試驗所用的輕燒氧化鎂購買自MAF Magnesite BV荷蘭公司，外觀為白色粉末，由天然菱鎂礦石經700℃～1 000℃溫度下煅燒而得，主要化學成分為85.09% MgO，6.47% SiO2和6.45% CaO。硅灰 (SF)購買自埃肯英國公司，外觀為灰色粉末，耐火度>1 600℃，主要化學成分為96.63% SiO2，1.39%K2O和0.70% CaO，化學性質穩定，即不溶于水也不和水反應。MgO和SF的化學組成見表1。

表1 MgO和SF的化學組成

2.2 方法

將不同配比輕燒MgO、SF和水混合，制備了MgO0.5-SF0.5漿體，配比設計見表2，將制備好MgO/SF漿體裝進聚乙烯密封袋密封，并置于標準養護箱(25±1℃)養護至不同齡期取樣。

表2 漿體配比(凈漿取樣)

1) 將養護至28 d

和90 d的試樣進行研磨、過篩(300目)，隨后在不同溫度下進行煅燒(200℃、500℃、700℃和900℃)，升溫速率為10℃/min，達到設定溫度Tc后保溫2 h，待試樣冷卻至室溫再將其取出，最后將脫水相研磨、過篩(100目)，并裝入聚乙烯密封袋保存。M-S-H體系鍛燒過程示意見圖1。

圖1 M-S-H體系鍛燒過程示意

將脫水相按W/C=0.6制成漿體，裝袋后在標準養護箱中養護至一定齡期(7 d、28 d和90 d)，在對其進行相關測試。

采用荷蘭帕納科公司生產的Axios Max Pw 4 400型波長色散X射線熒光光譜分析儀分析原材料MgO和SF的化學成分(XRF，X Ray Fluorescence)。主要技術指標：端窗銠靶X光管：4 kW，精確度為：0.05%，分析元素范圍：O8～U92。

采用BruKer公司生產的D8 ADVANCEM-S-H型X射線衍射儀測定M-S-H體系脫水相及再水化試樣的礦物組成(XRD，X-Ray Diffractomer)。測試參數：Cu靶，陶瓷X光管：3 kW，工作電壓50 kV，測量角度偏差：≤±0.01°。

采用德國Netzsch公司生產的STA 449C型熱同步分析儀測定熱重曲線。測試參數：溫度范圍：室溫～1 500℃，溫度精度：±1℃，量熱精度：±1℃。

采用德國蔡司Zeiss公司生產的LEO1530VP型掃描電子顯微鏡(SEM)，觀察試樣的微觀形貌。主要技術指標：分辨率為：20 kV/1.0 nm，放大倍數：20 x～900 000 kx，連續可調。加速電壓：0.1～30 kV。

采用瑞典Thermometeic AB公司生產的TAM Air 等溫量熱儀測試M-S-H脫水相的水化放熱。測試參數：恒溫槽穩定性：±0.02℃，精度：±20 μW，偏差：±10 μW，誤差小于：±23 μW。

采用島津儀器(蘇州)有限公司AG-IC 50 kN型電子萬能試驗機，測試20 mm×20 mm×20 mm試塊的7 d、28 d和90 d強度。測試參數：載荷測量范圍為0～50 kN；傳感器精度標準值為±0.5%；下壓速度為3 mm/min。

3 結果與討論

3.1 不同煅燒溫度對硅酸鎂脫水相組成的影響

圖2顯示了MgO0.5-SF0.5體系及其脫水相的XRD圖譜。養護28 d的M-S-H體系出現MgO、Mg(OH)2及M-S-H凝膠的對應峰，200℃煅燒2 h后Mg(OH)2和M-S-H凝膠對應峰的峰強減小，峰寬增大，出現少許硅酸鎂結晶相的特征峰隨著煅燒溫度的升高，MgO和硅酸鎂結晶相對應峰的逐漸峰強增大，M-S-H凝膠對應峰的峰強減小；在500℃、700℃煅燒2 h后，Mg(OH)2對應峰消失、MgO對應峰強增大，表明通過煅燒處理水化前的成分得到恢復；900℃煅燒2 h后，生成頑輝石(MgSiO3)和鎂橄欖石(Mg2SiO4)對應峰的峰強增加明顯。

圖2 MgO0.5—SF0.5經各個溫度煅燒的XRD圖譜示意

圖3為MgO0.5—SF0.5脫水相的熱分析曲線。可以發現DSC曲線存在2個吸熱谷和1個放熱峰，第1個吸熱谷在50℃～200℃之間(△M1)，對應M-S-H體系物理吸附水的脫去，主要是由M-S-H凝膠物理吸附水的脫去產生；第2個吸熱谷在400℃左右，對應Mg(OH)2的吸熱脫羥，隨著煅燒溫度升高，該吸熱谷減弱，500℃煅燒后該吸熱谷消失，表明Mg(OH)2已全部分解，與XRD的結果相一致；放熱峰在800℃～900℃之間，對應M-S-H凝膠的重結晶，生成MgSiO3和Mg2SiO4。當煅燒溫度從200℃升高到700℃時，M-S-H凝膠重結晶對應的放熱峰增強，表明M-S-H凝膠含量增加。DTG曲線存在3個吸熱谷，前2個吸熱谷與DSC曲線相同，第3個吸熱谷在600℃～750℃之間，對應MgCO3的吸熱分解失重。DSC/DTG曲線中，經900℃煅燒的試樣沒有明顯的吸熱谷和放熱峰，表明脫水相活性較低。△M2(200℃～1 000℃)對應M-S-H體系化學結合水脫去。

a DSC曲線

b DTG曲線圖3 MgO0.5—SF0.5脫水相的熱分析曲線示意

3.2 M-S-H脫水相的脫水過程

M-S-H脫水相的煅燒溫度會對產物的含水量和化學性質產生影響。溫度升到100℃左右體系開始脫去物理吸附水，此時的反應產物主要為未解離的硅灰顆粒、Mg(OH)2結晶體及M-S-H凝膠，200℃左右化學結合水開始脫去。400℃左右Mg(OH)2吸熱脫羥。500℃左右M-S-H凝膠減少，Mg(OH)2已經檢測不到，出現硅酸鎂結晶相。650℃左右MgCO3分解，釋放CO2。溫度達到700℃時，M-S-H凝膠基本轉化為鎂橄欖石、Mg2Si2O6和M-S-H脫水相[20-22]。900℃左右M-S-H凝膠已經檢測不到，此時反應產物活性較低，結構孔隙較多，抗壓強度低。

3.3 不同煅燒溫度對硅酸鎂脫水相反應熱的影響

圖4為MgO0.5—SF0.5脫水相再水化的早期放熱示意。由圖可知，MgO0.5—SF0.5脫水相再水化的水化放熱圖存在2個放熱峰(見圖4a)，第1個在0.5 h左右，對應粉體潤濕放熱和MgO水化放熱，500℃和700℃煅燒脫水相出現第1個明顯放熱峰，表明脫羥基再生得到的MgO具有較好活性，而在900℃煅燒脫水相反應活性較低。第2個在25 h左右，對應Mg(OH)2與SiO2反應生成M-S-H凝膠。隨著脫水相制備溫度升高，水化累計放熱先增加后減小，其中經過700℃煅燒的脫水相放出熱量最多(見圖4b)，原因是隨著煅燒溫度的升高，生成的中間相(能水化反應的產物)數量先增加后減小。

a 放熱速率

b 累計熱圖4 不同溫度制備MgO0.5—SF0.5脫水相的再水化放熱圖譜示意

3.4 不同煅燒溫度對硅酸鎂脫水相再水化產物力學性能的影響

圖5為不同煅燒溫度制備MgO0.5—SF0.5脫水相的再水化試樣抗壓強度示意，隨著養護齡期的增加，試樣的抗壓強度逐漸增大。隨著煅燒溫度的升高，試樣的抗壓強度先增大后減小，養護90 d時抗壓強度分別為7.2 MPa、13.1 MPa、14.9 MPa和3.1 MPa。原因是當脫水相煅燒溫度較低時(200℃)，存在許多未脫水的水化產物，導致再水化后新生成M-S-H凝膠的量較少；隨著脫水溫度的進一步提升(500℃和700℃)，初期水化產物進一步脫水，再水化后新生成M-S-H凝膠的量增加；當煅燒溫度達到900℃，許多脫水產物已經失去活性，因此制備M-S-H脫水相適宜的煅燒溫度為700℃，與再水化放熱結果相對應。

圖5 不同煅燒溫度制備MgO0.5—SF0.5脫水相的再水化試樣抗壓強度示意

3.5 脫水相制備溫度對硅酸鎂再水化體系產物的影響

圖6為MgO0.5—SF0.5膠凝體系經不同溫度煅燒后再水化試樣的XRD圖譜。經不同溫度煅燒(200℃、500℃、700℃和900℃)的MgO0.5-SF0.5膠凝體系再水化后，水化7 d的水化產物主要為MgO、Mg(OH)2、M-S-H凝膠、MgSiO3和Mg2SiO4，隨著齡期的增長，最初未水化產物及脫水相繼續水化，Mg(OH)2、M-S-H凝膠對應峰強增大，MgO、MgSiO3和Mg2SiO4特征峰的峰強減小。此外，同一齡期試樣隨著脫水相制備溫度的升高，再水化試樣MgO、MgSiO3和Mg2SiO4對應峰的峰強增大。與MgO/SF漿體的XRD圖對比，發現脫水相再水化后產物得到恢復。

a 200℃

b 500℃

c 700℃

d 900℃圖6 不同煅燒溫度脫水相及其再水化試樣的XRD圖譜示意

3.6 脫水相制備溫度對硅酸鎂再水化體系微觀結構的影響

圖7為W/C=0.6的MgO0.5—SF0.5脫水相再水化試樣養護28 d的顯微結構。可發現再水化試樣孔隙較少，表面平整，原因是脫水相再水化后產生大量的M-S-H凝膠覆蓋在其他顆粒表面。經200℃煅燒脫水相的再水化試樣表面存在許多體積較大的顆粒，原因是煅燒溫度較低，許多水化試樣未脫水。500℃煅燒脫水相的再水化試樣表面存在大塊白色團聚體，為Mg(OH)2結晶體，M-S-H凝膠含量增加，孔隙減少。700℃煅燒脫水相的再水化試樣表面Mg(OH)2結晶體減少，M-S-H凝膠含量進一步增加。

b 500℃

c 700℃

3.7 M-S-H脫水相再水化過程

M-S-H脫水相的再水化能力與煅燒溫度有關，經過煅燒的M-S-H體系發生了物理和化學變化，最明顯的就是產物含水量的變化，煅燒結束的脫水相中通常包含：起初未水化的MgO、未脫水的水化產物和部分脫水的產物，脫水相再水化將發生聚合反應，產物得到恢復[8]。隨著制備脫水相溫度的升高，脫水相表面積增大，再水化釋放的熱量先增大再減小，其中煅燒溫度為700℃的脫水相放出熱量最多。

4 結語

1) 不同溫度制備的M-S-H體系脫水相所含成分不同。煅燒溫度低時(200℃)，體系主要成分為MgO、Mg(OH)2及M-S-H凝膠，隨著煅燒溫度的升高，試樣水分蒸發，產物發生轉變，Mg(OH)2和M-S-H凝膠含量減少，MgO、MgSiO3和Mg2SiO4含量增加。

2) M-S-H體系脫水相的制備溫度會影響其水化放熱。隨著制備脫水相溫度的升高，水化放熱圖譜存在2個放熱峰：第1個放熱峰對應粉體潤濕熱和MgO水化放熱；第2個對應MgO與SiO2反應生成M-S-H凝膠。水化累計放熱先增加后減小，經過700℃煅燒的脫水相放出的熱量最多，與抗壓強度的結果相對應。

3) 不同煅燒溫度的M-S-H體系脫水相，水化后可得到不同成分的再水化試樣。隨著脫水相制備溫度的升高(200℃～700℃)，再水化試樣中MgO和M-S-H凝膠和硅酸鎂結晶相含量增加，孔隙減少，結構逐漸致密。升高至900℃后，MgSiO3和Mg2SiO4的含量明顯增加，M-S-H凝膠含量減少。

4) 不同溫度煅燒M-S-H體系脫水相的再水化試樣具有不同的力學性能。隨著脫水相煅燒溫度升高(200℃～900℃)，再水化試樣的抗壓強度先增加后減小，其中經過700℃煅燒脫水相再水化試樣的抗壓強度最大，7 d、28 d和90 d的強度分別為9.1 MPa、13.4 MPa和14.9 MPa；當煅燒溫度達到900℃時，大部分脫水產物失去活性，再水化后產生的M-S-H凝膠較少，試樣強度較低。