新型水化硅酸镁水泥及镁基水泥的性能研究
时间：2021-01-09 20:04:24 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：我国镁资源丰富，但镁质产品的应用并不广泛，文章综述了新型水化硅酸镁水泥和传统的镁质胶凝材料的研究及应用现状。重点介绍了新型水化硅酸镁水泥的制备和水化机理，并对低碱度、碳负性的环保特点作了简要说明。对其他镁质胶凝材料包括氯氧镁、硫氧镁及磷氧镁水泥的性能、应用及其改进方法进行了简要总结，并对以后的发展方向进行了初步探讨。
关键词：水化硅酸镁水泥；碳负性；镁质胶凝材料；改性
近年来，在国家大力倡导“可持续发展”的绿色环境下，水泥工业作为“高污染，高排放，高消耗”的产业，势必要改善传统的生产模式，向着“低耗能，低污染，低排放”的方向迈进。在新型低碳经济的引导下，我国建材科学工作者们也在积极寻求新型建材替代传统建材，镁基水泥由于其耗能少，碳排放量低等环保特性逐渐受到人们的关注和青睐。
自然界中丰富的镁质资源为镁水泥的发展提供了有利条件，镁元素是地壳中含量较多的第八大元素，约占地壳质量的2.3%，主要存在于菱镁矿、白云石和硅酸盐矿物中。此外，海水中也存在丰富的镁质资源，平均浓度为1300ppm。2003年，澳大利亚科学家Harrison以普通硅酸盐水泥，氧化镁和粉煤灰为原料研发了镁水泥并申请专利，这种水泥在硬化过程中会吸收CO2，为镁基水泥的发展打开了新途径。据国外媒体报道，英国“Novacem”公司发明了一种镁硅酸盐水泥，每吨水泥会吸收0.1t的CO2，而普通标准水泥会释放0.4t的CO2。这种镁硅酸盐水泥受到环保人士的热烈欢迎。文章就新型水化硅酸镁水泥的制备，低碱度，碳负性特点加以说明，并对传统的镁质胶凝材料及改性作简要综述
1 新型水化硅酸镁水泥
水化硅酸镁水泥是近几年新发展起来的一种新型水硬性水泥，以硅灰与轻烧氧化镁为原料，遇水后水化生成水化硅酸镁凝胶，简写M-S-H，由于其耗能少，污染低，碳负性，碱度低等生态型特点而受到环保组织的欢迎。
1.1 原材料
1.1.1 硅灰
硅灰（Silica fume）是铁合金在冶炼硅铁和工业硅（金属硅）时，矿热电炉内产生出大量挥发性很强的气体，气体排放后与空气迅速氧化冷凝沉淀而成的工业副产品，主要成分是SiO2，呈极细的玻璃球状，作为混凝土的特效掺合料，能明显改善混凝土的性能。
1.1.2 轻烧氧化镁
轻烧氧化镁亦称苛性苦土，活性镁砂。是一种由天然菱镁矿石、水镁石和由海水或卤水中提取的氢氧化镁Mg（OH）2，经700～1000℃温度下煅烧所得，当煅烧温度超过1400℃时，所得煅烧产品的结晶度较高，比表面积较小，活性较低，称为重烧氧化镁，在耐火材料中应用广泛。经研究证明，菱镁矿在当煅烧烧温度为700℃、煅烧时间1h时活性氧化镁的含量最高，但是在这个温度下菱镁矿分解率过低，综合考虑菱镁矿分解率和氧化镁的活度值，焙烧温度为750℃、保温1h制备的氧化镁最为恰当。
1.2 水化硅酸镁水泥反应机理
经研究证实，水化硅酸镁水泥水化反应过程大体分为三个阶段：
（1）轻烧氧化镁与硅灰遇水，表面开始溶解放热（<1h）。
（2）反应初期，氧化镁水反应主生成氢氧化镁，提供早期强度（0-3d）；主要水化反应基础为Mg2++2OH-→Mg（OH）2，氢氧化镁的溶解度非常低，在18℃时，溶解度仅为0.009g/L，氢氧化镁饱和溶液的ph值为10.5。在显微镜下观察，氢氧化镁晶体为层状结构，其形状取决于其所在的形成空间.
（3）随着反应龄期的增长，氢氧化镁与硅灰反应开始生成M-S-H凝胶。主要水化反应为：
aMg2++bSiO42-+cH2O→MaSbHc
如果在CO2（5-10%）存在的条件的下，氢氧化镁与CO2反应生成一系列的水化碳酸镁：
Mg（OH）2+CO2+2H2O→MgCO3·3H2O
5Mg（OH）2+4CO2+H2O→Mg5（CO3）4（OH）2·5H2O
5Mg（OH）2+4CO2→Mg5（CO3）4（OH）2·4H2O，这些水化碳酸镁处于亚稳定状态，在生成过程中，形成了大量致密交叉网状结构，其形态因空间而异，且具有良好的胶凝特性。
1.3 低碱度
水化硅酸镁凝胶（M-S-H）是低碱度的胶凝体系，李兆恒，韦江雄等用压榨的方法研究发现，14天后的PH值已达到基本稳定的状态（ph=9.5-12.5），影响M-S-H凝胶生成的主要因素有：原材料的种类及比例，碱环境，温度等，大量研究表明，M-S-H凝胶的生成与Mg/SiO2的比例有关，大多数的实验将Mg/SiO2≈0.75-1.5，BREM，GLASSER发现凝胶中Mg/Si的比例在0.66-1。Jin Fei通过实验认为M-S-H凝胶中Mg/SiO2≈1，而氧化镁与硅灰质量比为1时，所得制品的强度也最高。有实验对水化硅酸镁水泥的低碱度进行了深度探讨，发现水化完全后，即氢氧化镁与硅灰全部反应生成水化硅酸镁水泥，系统PH值可降低10以下，可以有效地封装金属核废料。
1.4 碳负性
目前，水泥行业的碳排放量已经占到人类生产活动制造的CO2总量的5%。由英国帝国理工学院Chris R Cheeseman教授团队研究开发的一种新型碳负型水化硅酸镁水泥“Novacem”，水泥碳排放只有-0.1，也就是说，核算之后这种水泥不但不排放二氧化碳，每吨还能吸收0.1吨的二氧化碳，碳减排的效益十分可观。Novacem公司的改变仅仅是替换原料，用镁硅酸盐取代常用的碳酸钙或石灰岩。该技术在煅烧水泥熟料的过程中，把温度从传统的1500℃降低到了600℃，大大减少了能源的消耗。相比传统的水化硅酸镁水泥，耗能少，污染物排放量低，有害气体污染指数小，煅烧过程中不会产生SO2，NO2等有毒气体。
