高成型壓力下水菱鎂石材料的制備工藝研究

＊李聽 田野 梁新民

（1.四川文化藝術(shù)學(xué)院 四川 621000 2.廣東省佛山地質(zhì)局 廣東 528000 3.中國恩菲工程技術(shù)有限公司 北京 100038）

隧道火災(zāi)的主要危害在于對隧道本身結(jié)構(gòu)的損壞和其引起的人員傷亡。目前，常用的隧道防火板面臨著施工難度、材料成型難度大和體積密度大的問題[1]。而水菱鎂石受熱后在100～750℃的范圍內(nèi)，會依次脫去結(jié)晶水、結(jié)構(gòu)水和二氧化碳，在此過程中會吸收大量的熱，因此，水菱鎂石可做為一種防火材料[2]。水菱鎂石板材的制備，在國外已有先驅(qū)研究，Roque等人[3-4]研究CO2和含Mg2+水溶液在高pH條件下，反應(yīng)可以形成三水碳酸鎂，利用三水碳酸鎂向堿式碳酸鎂的相轉(zhuǎn)變，將其作為結(jié)合相替代其它氣硬性膠凝材料或水硬性膠凝材料，李敏智[5]發(fā)現(xiàn)將輕燒MgO轉(zhuǎn)化為MgCO3·3H2O晶體，然后再壓制成型，可通過熱養(yǎng)護(hù)來使試樣內(nèi)部的MgCO3·3H2O晶體轉(zhuǎn)化為水菱鎂石。國內(nèi)有將菱鎂礦作為原材料制得氯氧鎂水泥防火板，但板材存在強(qiáng)度低、易彎曲變形、返鹵泛霜等問題[6]，本文主要研究如何制備具有抗壓強(qiáng)度較好的水菱鎂石板材，探索高壓力成型下三水碳酸鎂粉體向水菱鎂石板材轉(zhuǎn)變的最佳條件和水菱鎂石材料的最佳制備工藝，為后續(xù)研究提供參考。

1.試驗(yàn)方法

以三水碳酸鎂為原料，加入不同比例的水?dāng)嚢杈鶆蚝?，倒入模具中，使用壓機(jī)壓制成型，成型為φ20×20mm圓柱形樣品，樣品經(jīng)過濕熱養(yǎng)護(hù)后再干燥處理，并用電子分析天平對樣品測質(zhì)量，用精密游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測量圓柱形樣品的高、直徑，以此計(jì)算出圓柱形樣品的體積密度，并對樣品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

2.試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

(1)保壓時(shí)間對樣品性能的影響

在三水碳酸鎂粉末中加入0.2倍的水?dāng)嚢杈鶆颍湃胫睆綖?0mm的圓柱形模具中壓制成型，壓力值分別為30MPa、90MPa和150MPa，壓機(jī)速度控制為1kN/s，達(dá)到要求壓力值后，壓機(jī)停止工作，不進(jìn)行保壓，然后從模具中取出樣品，如圖1（a）。樣品密封后放入養(yǎng)護(hù)箱中在100℃環(huán)境下濕熱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分為1h、2h、3h、4h，養(yǎng)護(hù)后拆掉密封薄膜，放入在鼓風(fēng)干燥箱中烘干。

研究發(fā)現(xiàn)，樣品烘干后其上下兩面有鼓起的現(xiàn)象，且個(gè)別樣品表面有皸裂，用手掰開后，觀察到其內(nèi)部在垂直于成型壓力的方向上有分層的現(xiàn)象，如圖1（b）所示。

分析其原因，由于在壓制成型的過程中，壓力加速度過快，并且在達(dá)到要求壓力值后瞬間卸力，三水碳酸鎂原處于粉末狀態(tài)，其間隙中存在有大量的空氣，當(dāng)壓力傳輸給原料時(shí)，粉狀的三水碳酸鎂未及時(shí)將氣體完全排除，壓力就立即消失，導(dǎo)致氣體向中部聚集頂撐樣品，故樣品內(nèi)部在垂直于成型壓力的方向上有分層的現(xiàn)象。但以較小的加速度控制壓機(jī)，并且在達(dá)到要求壓力值后保壓120s，經(jīng)濕熱養(yǎng)護(hù)和烘干后，未發(fā)現(xiàn)樣品具有上述分層現(xiàn)象。所以，保壓時(shí)間會影響材料的密實(shí)度，保壓時(shí)間越短，其密實(shí)度越差。

(2)密封包裹養(yǎng)護(hù)方式對樣品性能的影響

將按照上述方法制備的φ20×20mm圓柱形樣品，分別經(jīng)30MPa、90MPa和150MPa的壓力壓制成型，達(dá)到要求壓力值后，保壓120s，使用保鮮膜密封包裹后，分別在70℃養(yǎng)護(hù)6h、12h、18h，以及100℃下養(yǎng)護(hù)1h、2h、3h，隨后放入在鼓風(fēng)干燥箱中烘干后，測試其抗壓強(qiáng)度與體積密度。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的延長100℃下養(yǎng)護(hù)得到的樣品體積密度都在降低，說明時(shí)間的延長是有利于三水碳酸鎂的轉(zhuǎn)變。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)三水碳酸鎂完全轉(zhuǎn)變?yōu)樗怄V石后，在150MPa壓力下成型的樣品濕熱養(yǎng)護(hù)后其理論體積密度應(yīng)為1000kg/m3；在90MPa壓力下成型的樣品濕熱養(yǎng)護(hù)后其理論體積密度應(yīng)為900kg/m3；在30MPa壓力下成型的樣品濕熱養(yǎng)護(hù)后其理論體積密度應(yīng)為800kg/m3。比較三水碳酸鎂濕熱養(yǎng)護(hù)后樣品的實(shí)測體積密度與設(shè)計(jì)密度的正偏差，見圖3?？梢园l(fā)現(xiàn)70℃濕熱養(yǎng)護(hù)樣品的干燥體積密度明顯高于100℃的樣品，表明100℃下濕熱養(yǎng)護(hù)的產(chǎn)物更接近于水菱鎂石。

圖3 三水碳酸鎂濕熱養(yǎng)護(hù)樣品的實(shí)測體積密度與設(shè)計(jì)密度的正偏差

(3)鎖模與否對樣品性能的影響

①不鎖模養(yǎng)護(hù)

在養(yǎng)護(hù)過程中不進(jìn)行鎖模，得出三水碳酸鎂濕熱養(yǎng)護(hù)樣品抗壓強(qiáng)度與體積密度的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 三水碳酸鎂濕熱養(yǎng)護(hù)樣品的抗壓強(qiáng)度與體積密度的關(guān)系

圖5 三水碳酸鎂濕熱養(yǎng)護(hù)樣品的抗壓強(qiáng)度

從圖4可以看出在100℃下養(yǎng)護(hù)可以得到具有較大抗壓強(qiáng)度的樣品，這與三水碳酸鎂澆筑樣品濕熱養(yǎng)護(hù)后的強(qiáng)度相反，并且70℃養(yǎng)護(hù)得到的樣品體積密度較大。根據(jù)上述的最優(yōu)試驗(yàn)條件，將30MPa、90MPa和150MPa壓力成型的樣品，在100℃下濕熱養(yǎng)護(hù)1h、2h、3h，每個(gè)試驗(yàn)條件下制備三個(gè)樣品，烘干后，測試其抗壓強(qiáng)度與體積密度的一系列數(shù)據(jù)。相同試驗(yàn)條件下，每組的三個(gè)樣品測得的體積密度相差不大，說明三個(gè)樣品反應(yīng)程度相同。

隨著濕熱養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，樣品的最終體積密度逐漸降低，越來越接近理論體積密度，但還未達(dá)到理論體積密度，表明想要三水碳酸鎂完全轉(zhuǎn)變?yōu)樗怄V石，3h的濕熱養(yǎng)護(hù)時(shí)間還不夠，需要延長時(shí)間。

相同的三個(gè)樣品，測得的抗壓強(qiáng)度相差較大，尤其是成型壓力為150MPa的樣品，表明濕熱養(yǎng)護(hù)后的樣品其內(nèi)部必然有細(xì)小的不規(guī)則裂隙。理論密度大的樣品在濕熱養(yǎng)護(hù)的過程中有較大的體積膨脹，如圖6，體積的膨脹與裂隙的產(chǎn)生有關(guān)系。

圖6 NQ濕熱養(yǎng)護(hù)樣品濕熱養(yǎng)護(hù)過程中最大體積變化率

②鎖模養(yǎng)護(hù)

為阻止樣品濕熱養(yǎng)護(hù)過程中膨脹，需要將樣品限制在φ20×20mm圓柱形空間內(nèi)進(jìn)行濕熱，設(shè)計(jì)模具，如圖7所示。

圖7 鎖模模具

三水碳酸鎂粉末中加入0.2倍的水?dāng)嚢杈鶆?，放入圖7的模具中經(jīng)150MPa的壓力壓制成型，達(dá)到要求壓力值后，保壓120s，使用密封薄膜包裹模具，然后將模具放入100℃烘箱中，分別濕熱養(yǎng)護(hù)1h、2h、3h。烘干后測試樣品抗壓強(qiáng)度，如圖8所示。

圖8 NQ養(yǎng)護(hù)樣品抗壓強(qiáng)度

從圖8可以看出，強(qiáng)度值已經(jīng)處于誤差范圍以內(nèi)，說明在鎖模的條件下對樣品進(jìn)行濕熱養(yǎng)護(hù)的方法可以避免樣品的開裂，得到一個(gè)穩(wěn)定的抗壓強(qiáng)度值。在未鎖模的條件下養(yǎng)護(hù)樣品，樣品強(qiáng)度不穩(wěn)定的原因?yàn)椋涸跐駸岘h(huán)境下，松散的三水碳酸鎂在轉(zhuǎn)變?yōu)樗怄V石材料的過程中會有H2O和CO2的釋放，高溫下H2O和CO2會將樣品撐裂，影響材料的強(qiáng)度。

3.結(jié)論

通過對高成型壓力下水菱鎂石材料的制備過程中的工藝條件和手段的研究，發(fā)現(xiàn)工藝過程中的保壓時(shí)間和養(yǎng)護(hù)方式均會對材料的抗壓強(qiáng)度造成極大的影響，并得到以下結(jié)論：

（1）成型過程中，壓機(jī)的加荷速度為0.5kN/s，當(dāng)壓力達(dá)到目標(biāo)數(shù)值后保壓120s，否則會影響材料的密實(shí)度。

（2）濕熱養(yǎng)護(hù)過程中濕度也對樣品的穩(wěn)定性有影響，水量過多樣品會脹裂樣品，水分過少則樣品難以成型。研究結(jié)果表明，水膠比為0.2是最佳配比，可以較好的成型，當(dāng)水膠比大于0.2時(shí)，壓制成型的過程中會有漿液擠出；當(dāng)水膠比小于0.2時(shí)，材料很難壓制成型，易發(fā)生塌散。

（3）濕熱養(yǎng)護(hù)過程中會有CO2和H2O的釋放，應(yīng)把成型后的樣品進(jìn)行鎖模操作后使用密封膜包裹模具，放入烘箱中養(yǎng)護(hù)，達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間后拆模，并在60℃的干燥箱內(nèi)干燥24h。以此避免樣品在濕熱養(yǎng)護(hù)的過程中裂開。