氯氧镁水泥基复合保温砂浆耐水性能研究

温福胜，刘福胜，封凌竹，武义馨

（山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018）

氯氧镁水泥基复合保温砂浆耐水性能研究

温福胜，刘福胜，封凌竹，武义馨

（山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018）

采用正交试验方法研究了焦磷酸钠、硫酸亚铁、有机酸、硅灰4种不同外加剂及其掺量对氯氧镁水泥基复合保温砂浆耐水性能的影响。结果表明：外加剂的掺入能够明显改善氯氧镁水泥基复合保温砂浆的耐水性能，4种外加剂的最优掺量分别为：焦磷酸钠1%、硫酸亚铁0.7%、有机酸2.0%、硅灰7.5%，基于最优掺量所制备试件的3 d、28 d、浸水28 d、浸水90 d抗压强度分别为9.91、15.27、10.13、8.40 MPa，抗压强度软化系数达到0.66，质量损失率为5.54%，抗压强度衰减速率为-0.57%。

氯氧镁水泥；复合保温砂浆；正交试验；外加剂；耐水性能

氯氧镁水泥是由氯化镁溶液调和轻烧镁粉制成的气硬性胶凝材料,具有早强、高强、快凝、耐磨、耐腐蚀、防火、粘结力强等优点[1]。但镁水泥材料在使用过程中普遍会出现吸潮返卤、耐水性差等不良现象，严重影响产品质量，制约了镁水泥行业的发展。因此，改善镁水泥及其制品的耐水性能对于镁水泥及其复合材料的进一步推广应用具有重要意义。

目前，改善镁水泥及其制品耐水性能最有效的方法是掺加外加剂，可有效改善其孔结构，提高密实度，减小孔隙率[2]。常用的外加剂主要有：磷酸及其可溶性盐类、铁盐、铜盐、铝盐、有机酸、高分子聚合物以及复合改性剂等。外加剂对镁水泥的改性机理是改变其内部水化产物的结晶形貌或是形成胶状絮凝物堵塞毛细通道[3-4]。

以镁质水泥为胶结材料，以玻化微珠、小麦秸秆为保温轻集料，以粉煤灰为主要掺合料，可配制出保温隔热性能良好的新型保温砂浆[5]，但其在潮湿环境下使用时仍然存在吸潮返卤、强度损失大的缺陷，耐水性能有待进一步改善。

本试验选取磷酸钠、硫酸亚铁、有机酸、硅灰等4种外加剂，选取合适的掺量设计正交试验，通过测试试件的抗压强度、抗折强度、软化系数等指标，探讨外加剂对氯氧镁水泥基复合保温砂浆强度和耐水性能的影响，并得出其最佳掺量，以改善材料耐水性不足的缺陷，为其进一步推广提供依据。

1 试验

1.1 原材料

（1）轻烧镁粉：MgO含量85%，其中活性MgO含量60%～ 65%，比表面积21710 cm2/mL，济南金泉化工有限公司生产。

（2）卤片：MgCl2·6H2O含量96%，天津市塘沽金轮盐化有限公司生产。

（3）小麦秸秆：小麦秸秆自然风干后经秸秆粉碎机粉碎处理，粉碎后粒径为2～3 mm。

（4）玻化微珠：粒径0.1～2.5 mm，堆积密度60～200 kg/m3，导热系数0.032～0.045 W/（m·K），青岛凤翔化工有限公司生产。

（5）粉煤灰：电厂Ⅱ级粉煤灰，细度21.5%，需水量比98%，烧失量6%。

（6）硅灰：粒径小于1 μm的颗粒占80%以上，平均粒径在0.1～0.3 μm，比表面积20～28 m2/g，活性指数≥85%，需水量比≤125%。

（7）焦磷酸钠（Na4P2O7·10H2O），分析纯，天津市光复精细化工研究所；硫酸亚铁（FeSO4·7H2O），分析纯，天津市北辰方正试剂厂；有机酸（C4H4O4），分析纯，徐州索通生物科技有限公司；无水乙醇（C2H5OH），分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司。

（8）水：自来水。

1.2 试验仪器设备

（1）JJ-5型行星式水泥胶砂搅拌机，河北科析仪器设备有限公司。

（2）Y90S-4型三相异步电动搅拌机，河北桂硕机电设备制造有限公司。

（3）手动砂浆稠度仪：沉入深度0～14.5 cm，沉入体积0～229.3 cm3，天津建筑仪器厂。

（5）BC-300S型电脑恒应力抗压抗折试验机：最大荷载10 000 N，精度等级为一级，北京恒应力科技有限公司。

（6）TCS电子衡器：最大称量100 kg，精度5 g，永康市香海衡器厂。

（7）JA21002电子天平：最大称量2100 g，精度0.01 g，上海精科天平仪器厂。

1.3 试件制作

本试验中抗压试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，抗折试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。试件制作过程：先将卤片溶于水中形成MgCl2水溶液；将称量好的轻烧镁粉、玻化微珠、小麦秸秆、粉煤灰、硅灰等依次加入搅拌机中搅拌均匀，然后倒入MgCl2水溶液继续搅拌均匀，搅拌过程中，将称量好的焦磷酸钠、硫酸亚铁和有机酸倒入水中充分搅拌，使其完全溶解形成水溶液，倒入搅拌机中搅拌均匀后，将拌合物取出装模，在自然条件下养护24 h后脱模，继续在自然条件下养护至相应龄期后，取出部分试件进行强度测试，另一部分试件放入水中浸泡至相应龄期，再进行强度测试。

1.4 正交试验方法

试验共分10组，基准组Z0为不掺外加剂的空白试样，其余9组Z1～Z9为试验组，采用4因素3水平正交试验方法。保温砂浆的基本配合比为：n（MgO）∶n（MgCl2）=7～9，秸秆掺量5%～15%，玻化微珠掺量15%～25%，m（粉煤灰）∶m（轻烧镁粉）=1∶1。正交试验因素水平见表1，正交试验设计见表2。

表1 正交试验因素水平

表2 正交试验设计

1.5 测试方法

山东中农各业务区域销售人员连日来顶烈日、冒高温，积极走访市场，了解市场需求；公司先后召开2次专题会议，探讨秋季肥市场行情，结合市场需求情况，确定采购方案，并及时联系上游厂家，提前锁定优势货源。

（1）标准稠度需卤水量[6]参照JGJ 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》中的稠度试验方法测试砂浆拌合物的砂浆的稠度，砂浆拌合物稠度达到45～55 mm时，此时所用卤水量为标准稠度需卤水量。

（2）抗压和抗折强度参照JGJ 70—2009和GB 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试。

（3）软化系数[7]测试方法：成型试件6块，在自然条件下养护28 d，取出3块测试其抗压强度或抗折强度R0，同时将剩余3块放入水中浸泡，试件间距20 mm，水面至少超过试件10 mm，浸泡28 d后，取出试件擦干表面，立即测试其抗压强度或抗折强度Rw，Rw与R0的比值即为其软化系数K。

（5）质量损失率[7]测试方法：将试件养护28 d后，称取其浸水之前的质量W0，然后将试件放入水中浸泡28 d，取出试件放入烘箱中，在80℃烘干至恒重并称取质量Ww，按照式（1）计算试件的质量损失率。

（6）强度衰减速率[7]测试方法：将试件在空气中养护28 d后，放入水中浸泡7 d和28 d后分别测试强度Rw7和Rw28，按式（2）计算强度衰减速率Kr。

2 试验结果与分析

2.1 不同外加剂及其掺量对砂浆标准稠度需卤水量的影响

在试验过程中发现，砂浆对水的敏感度很高，另因为规范中对稠度有要求（沉入量45～55 mm），因此将砂浆达到标准稠度时所用的卤水量作为指标进行记录。图1为不同外加剂及其掺量对砂浆标准稠度需卤水量的影响。

图1 不同外加剂及其掺量对砂浆标准稠度需卤水量的影响

由图1可以看出，各试验组（Z1～Z9）试件的标准稠度需卤水量均明显低于基准组（Z0），基准组Z0的标准稠度需卤水量为263.5 mL，Z9组的标准稠度需卤水量最少，比基准组降低了14%。分析其原因，外加剂中的硅灰作为密实剂，填充了部分砂浆骨料间的空隙，同时外加剂的加入使得砂浆中生成一定量的难溶于水的凝胶体，堵塞了砂浆中的毛细孔道，改善了内部的孔结构，减小了孔隙率，从而降低了标准稠度需卤水量。

2.2 不同外加剂及其掺量对砂浆强度的影响

不同外加剂及其掺量对砂浆自然养护抗压强度的影响见图2，对砂浆浸水养护抗压强度的影响见图3。

图2 不同外加剂及其掺量对自然养护砂浆抗压强度的影响

图3 不同外加剂及其掺量对浸水养护砂浆抗压强度的影响

由图2可以看出，在自然养护条件下，基准组（Z0）试件3、7、28 d龄期时的抗压强度分别为2.91、3.32、3.82 MPa；掺入外加剂后，各组试件抗压强度要明显高于基准组，除Z3组外，其余各试验组试件3 d抗压强度均提高了50%以上。3 d抗压强度最高的2组为Z5和Z7，分别达到8.95和9.91 MPa，分别为Z0组试件的3.08倍和3.41倍；除Z1组外，其余各组试件7 d抗压强度较其自身3 d强度均有明显提高，其中Z5、Z7、Z9组试件7 d强度分别达到12.55、13.05、12.36 MPa，分别为Z0组试件的3.78倍、3.93倍、3.72倍；Z7和Z8组试件的28 d抗压强度最高，分别达到15.27和15.17 MPa，约为Z0组的4倍。

由图3可以看出，在浸水养护条件下，浸水7 d后试件抗压强度都会迅速下降，原因可能是保温砂浆在水中浸泡过后，其内部各类水化产物发生不同程度的水解，导致其内部结构变得疏松多孔；试件在水中浸泡过后，其强度在浸水7 d时下降幅度最大，之后强度仍会逐级下降，但下降趋势趋于缓和；基准组（Z0）试件浸水7、28、60、90 d后的抗压强度分别为2.63、1.92、1.68、1.29MPa，Z1～Z9组试件浸水后不同龄期抗压强度均超过基准组的2倍，其中强度表现最好的是Z7组，浸水7 d抗压强度达到10.96MPa，是基准组的4.2倍，浸水90 d时强度仍能达到8.40MPa，为基准组试件浸水90d强度的6.5倍。

不同外加剂及其掺量对砂浆自然养护抗折强度的影响见图4，对砂浆浸水养护抗折强度的影响见图5。

由图4和图5可以看出，不同外加剂及其掺量对砂浆抗折强度的影响规律与抗压强度大致相同，值得注意的是，掺入外加剂后，在自然养护条件下，各试验组试件的抗折强度的增长幅度较其抗压强度更为明显，浸水7 d时试件的抗折强度会急剧下降。

图4 不同外加剂及其掺量对自然养护砂浆抗折强度的影响

图5 不同外加剂及其掺量对浸水时期砂浆抗折强度的影响

2.3 不同外加剂及其掺量对砂浆软化系数的影响

由于氯氧镁水泥硬化体浸水后的直接表现就是强度随下降。在水中保持强度不降低的能力可以直接评价其耐水性。不同外加剂及其掺量对砂浆软化系数的影响见图6。

图6 不同外加剂及其掺量对砂浆软化系数的影响

由图6可以看出，掺入外加剂后，砂浆的耐水性能得到了一定程度的改善，抗压强度软化系数均得到不同程度的提高，其中Z7组的抗压强度软化系数最高为0.66，相比基准组的软化系数提高了32%；各试验组抗折强度软化系数在基准组水平上下浮动，但变化幅度不大，抗折强度软化系数最高为Z2组的0.53。

2.4 不同外加剂及其掺量对砂浆质量损失率的影响

由于硬化体水化产物水解后形成的离子从试件中溶出使其质量减少，孔隙率增加，强度下降。因此，可以用浸水后试件的质量损失率来表征材料的耐水性。不同外加剂及其掺量对砂浆质量损失率的影响见图7。

图7 不同外加剂及其掺量对砂浆质量损失率的影响

由图7可以看出，基准组试件的质量损失率为6.75%，掺入外加剂后，各试验组试件的质量损失率均有不同程度的降低，Z2、Z3、Z8、Z9组试件的质量损失率略低于基准组但降低幅度并不明显；其余各组试件的质量损失率明显低于基准组，其中Z1和Z4质量损失率最低，分别为5.28%和5.22%。

2.5 不同外加剂及其掺量对砂浆强度衰减速率的影响

氯氧镁水泥硬化体在水中强度衰减与其在水中浸泡的时间有关，其强度随时间按指数规律变化。软化系数与时间的关系遵循K=Rw/R0=e-Krt，其中Kr为强度随时间的衰减速率，它的数量越小，表明强度在水中的保留率越大，反之则越小。Kr与浸水时间无关，它是材料的本征性能。图8为不同外加剂及其掺量对砂浆强度衰减速率的影响。

图8 不同外加剂及其掺量对砂浆强度衰减速率的影响

由图8可以看出，对于抗压强度衰减速率，基准组抗压强度衰减速率为-2.25%，加入外加剂后，各试验组抗压强度衰减速率均明显小于基准组，其中Z8组最小，达到-0.40%，相比于基准组提高了82%；对于抗折强度衰减速率，除Z3组外，其余各组衰减速率相比于基准组均有不同程度的降低，其中，最小达到-0.05%（Z7组），相比于基准组提高了96%。

2.6 外加剂的最优掺量

采用多指标极差分析的方法，通过对正交试验结果中的28 d抗压强度、抗压强度软化系数、质量损失率以及抗压强度衰减速率等4个指标进行极差分析，确定单独考虑各指标时不同外加剂影响大小的主次顺序以及最优掺量水平，最后综合平衡确定各外加剂的最优掺量。

正交试验结果见表3，极差分析结果见表4。

表3 正交试验结果

表4 极差分析

由表4可以看出：

（1）对于因素A，其对28 d抗压强度的影响大小排在第1位，水平取A3；其对抗压强度软化系数的影响大小也排在第1位，水平取A1；但取A3时，28 d强度是取A1时的近2倍，抗压强度软化系数比取A1时提高了8%，抗压强度衰减速率比取A1时提高了40%，而质量损失率比取A1时略有增加，故因素A水平选A3。

（2）对于因素B，其对质量损失率和抗压强度衰减速率的影响排在第1位，对28 d抗压强度影响排在第2位，对抗压强度软化系数的影响排在第3位（为次要因素），水平取B1或B2；取B2时，质量损失率与取B1时接近，但其余3项指标均优于取B1时的指标，故因素B水平选B2。

（3）对于因素C，其对抗压强度软化系数的影响大小排在第2位，水平取C3，对其它3项指标均为次要因素，故因素C水平选C3。

（4）对于因素D，其对4项指标均为次要因素，从长期性能考虑，因素D水平选D2。

由此确定4种外加剂掺量最优组合为A3B2C3D2，即焦磷酸钠、硫酸亚铁、有机酸、硅灰的掺量分别为1.0%、0.7%、2.0%、7.5%。

2.7 最优配比试验

根据最优组合A3B2C3D2制作试件并测试其性能，试件3 d抗压强度为9.91 MPa，28 d抗压强度为15.27 MPa，浸水28 d抗压强度为10.13 MPa，浸水90 d抗压强度为8.40 MPa，抗压强度软化系数为0.66，质量损失率为5.54%，抗压强度衰减速率为-0.57%，各项性能均较基准组试样有明显提高。

3 结论

（1）正交试验结果表明，外加剂的掺入能有效减少氯氧镁水泥基复合保温砂浆的标准稠度需卤水量，可以有效提高氯氧镁水泥基复合保温砂浆的强度及耐水性能；抗压强度软化系数由基准组的0.50提高到0.66。

（2）由极差分析结果可以得出，4种外加剂的最优组合为A3B2C3D2，即焦磷酸钠1.0%、硫酸亚铁0.7%、有机酸2.0%、硅灰7.5%，根据最优组合制作的试件各项性能均明显优于基准组。

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

WEN Fusheng，LIU Fusheng，FENG 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，FeSO4·7H2O，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

山东省农业重大应用技术创新项目（SDNYCX1531963）

2016-03-03；

2016-03-30

温福胜，男，1991年生，山东烟台人，硕士研究生。