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1、漳州师范学院漳州师范学院 毕业论文毕业论文 氯氧镁水泥复合材料 Magnesium Oxychloride Cement Composite materials 姓 名： 陈 浩 系 别： 化学与环境科学系 专 业： 应用化学 年 级： 08 级 指导教师： 郑子山 （教授） 2011 年 11 月 28 日 I 摘摘 要要 本课题旨在通过研究植物纤维对水泥复合材料性能的影响，探讨纤维对水 泥复合材料增强的机理，以求获得植物纤维掺量与水泥复合材料性能之间的关 系，使纤维在水泥工程中能得到更广泛的应用。 关键词：MgO；MgCl2；水泥复合材料；植物纤维；性能 Abstract This stu
2、dy aims to make explorations for the mechanism of the intensive cement composite materials which filled with plant fibers, through the research of plant fibers impacting on cement composite material properties, in order to obtain the relationship between cement composite material performances and pl
3、ant fiber content, so that plant fiber in cement engineering practice can be applied more widely Key words: MgO；MgCl2；cement composite；plant fiber；performance 目 录 中英文摘要 I 1氯氧镁水泥复合材料的发展现状1 1.1 引言1 1.2 氯氧镁水泥的形成机理 1 1.3氯氧镁水泥复合材料的制备方法2 2 实验部分 3 2.1 原料和仪器 3 2.2 样品制备 4 2.3 样品测试 4 3 结果与讨论 5 3.1 不同的液固比对样品强度
4、的影响5 3.2 不同的氯化镁溶液对样品强度的影响 6 3.3 不同的植物纤维掺量对样品强度的影响8 3.4 掺加石膏粉对样品强度的影响 9 4 总结10 参考文献 11 致谢13 1 1 氯氧镁水泥复合材料的发展现状 1.1 引 言 氯氧镁水泥又称索瑞尔(Sorel)水泥或菱镁水泥，是Sorel于1867年发明的。 与其他水泥不同，此水泥是一种MgCl2-NaOH-H2O体系组成的镁质胶凝材料，其 主要成分为碱式氯化镁，可以用通式Mgx(OH)ClnH2O 表示1。 氯氧镁水泥具有一系列显著的优点：(1)凝结硬化快且具有很好的机械强度。 5080 MPa的抗压强度是很常见的，通过加入改性剂最
5、高抗压强度可达200MPa 以上；(2)弱碱性和低腐蚀性。氯氧镁水泥浆体滤液的pH值在8.159.15之间, 比硅酸盐水泥的碱度低很多，一般只对金属有腐蚀作用；(3)粘结性好。与一些 有机或无机骨料如锯木屑、木粉、矿石粉末和砂石等有很强的粘结力；(4)耐磨 性好。优于硫铝酸盐水泥、矾土水泥和硅酸盐水泥,有文献表明它是普通硅酸盐 水泥耐磨性的3倍；(5)阻燃性优良。MgO、MgCl2都是不可燃的,且制品水化物中 大量结晶水都能阻止点燃；(6)抗盐卤能力强。通过添加改性剂可以使氯氧镁水 泥抵抗各种浓度的卤水,因此,它可用作轻质墙体材料和装饰板材,防水堵漏材料,防 火涂层材料,或直接制成防火材料,房
6、屋建筑或工业厂房的地面材料以及木屑板 和胶合板的胶粘剂等。2 - 4 氯氧镁水泥虽然具有一系列显著的优点，但是其耐水性差、返卤、翘曲较 严重,无法广泛使用。利用不同种类的外加剂可以在很大程度上改善镁水泥石的 强度、变形性、抗水性、耐久性等重要工程力学性能, 拓宽其应用领域。天然 植物纤维对水泥有阻凝或缓凝作用而且镁水泥由于其碱性较低对植物纤维腐蚀 较小，所以将植物纤维与水泥胶凝材料相结合制备水泥基植物纤维复合材料是 一种解决氯氧镁水泥耐水性差、易返卤等缺陷的有效途径。 本试验主要研究了植物纤维对镁水泥水化以及力学强度的影响，为更好的 开发镁水泥基植物纤维复合材料提供理论基础。 1.2氯氧镁水泥
7、的形成机理 各国学者对氯氧镁水泥水化机理方面的研究作了大量的工作，研究表明： 活性氧化镁、氯化镁和水在常温下的水化反应的产物中，其相组成为3Mg(OH) 2MgCl28H2O和5Mg(OH)2MgCl28H2O的强度较高。5 从事镁水泥研究的学者公认的镁水泥硬化反应过程有以下3个: (1) 5MgO + MgCl2 + 13H2O = 5Mg(OH)2 MgCl28H2O (518 相) 2 (2) MgO + H2O = Mg(OH) 2 (3) 3MgO + MgCl2 + 11H2O = 3Mg(OH)2MgCl28H2O (318 相) 6 我国的夏树屏等人在前人的氯氧化镁络离子聚合而
8、成的结论基础上,通过平 衡相图、结晶动力学、热效应、固化过程中物相的组成和电子显徽镜图像的综 合研究,对镁水泥形成初期,中期和后期的形成机制进行了系统的研究,认为在形 成初期MgO与MgCl2水溶液接触,MgO先水化成Mg(OH)2，Mg(OH)2溶于水中，在 Mg2+， Cl-，H2O分子存在下，加速Mg(OH)2解离为Mg2+和OH-，同时溶液形成浓度 梯度的非平衡状态，分别生成518相和318相结晶, 通过溶解络合方式, 经扩散、蒸发和结晶的综合物理化学作用后,形成针状交错网络结构。7 现在一般可以认为，氯氧镁水泥水化初期存在着一个凝胶阶段，随后水化 相在凝胶表面析晶。氯氧镁水泥晶相的形
9、成过程分为以下三个阶段: (1) 中和 过程(neutralizing)。MgO溶解于溶液中, 被MgCl2溶液中的H+中和, 这个过程 增加了Mg2 + 和OH-离子的浓度；(2) 水化过程(hydrolyzing)。Mg2 + 和OH-溶度 的增加促进了Mg2 +离子的水化桥连反应, 形成了多核Mgx(OH)y(H2O)z2x - 2y；(3) 晶化过程(crystalliz2ing)。这些多核聚合物和Cl-离子、H2O分子相互 吸附,形成交联的无定型凝胶,这些凝胶最终转化成晶型的晶相,网架状结构中的 孔隙不断被晶型产物填充密实,强度不断增加。 1.3 氯氧镁水泥复合材料的制备方法 （1）
10、纤维先掺法：是将纤维与基体材料先干混合均匀，然后再加水混和均 匀。 图1为水泥基复合材料的纤维先掺法 （2）纤维后掺法，将基体材料加水混合均匀后再加入纤维混合均匀，是通 常较多采用的工艺，本实验采取后掺法。 3 图 2 为水泥基复合材料的纤维后掺法 2 实验部分 2.1 原料和仪器 2.1.1 原料： MgO AR （汕头市西陇化工厂有限公司） MgCl26H2O AR （汕头市西陇化工厂有限公司） 橡胶纤维 天然橡胶纤维 石膏粉 工业用石膏粉 水 自来水 2.1.2 主要仪器： 1、托盘天平（上海精科天平） 2、DF-101 集热式恒温加热磁力搅拌器（郑州长城工贸有限公司） 3、弹簧测力计
11、（广州市威衡电子有限公司） 4、水泥抗折性能测试装置（实验室自造） 2.2 样品制备 2.2.1 氯氧镁水泥浆液的配制 室温下，用托盘天平称取一定量的MgO和MgCl26H2O，量取适量的水。 4 首先将MgCl26H2O溶于水中使之形成有一定浓度的MgCl2水溶液，再加入已 称量过的镁粉，然后搅拌均匀得氯氧镁水泥浆液。 2.2.2 掺加填料与纤维 用托盘天平称取适量的石膏粉，橡胶纤维掺入氯氧镁水泥浆液，在500ml的 烧杯中慢速搅拌约1min，形成混合物浆液。 2.2.3 制备样品模型 将混合物浆液倒入成型空心槽的试模中制造成型试样，制取形状为 12mm12mm80mm的条形试样。 2.2.
12、4 自然固化成样品 将制备好的，尺寸为 12mm12mm80mm 条形试样，成型后以报纸覆盖表 面，以防止水分蒸发，静置一昼夜自然固化成样品。 2.3 性能测试 2.3.1 样品抗折强度的测定方法： 样品在静置一昼夜自然固化后，用水泥抗折性能测试装置测量样品的抗折 强度。抗折强度按下式计算： = P / F 式中，抗折强度，Mpa；P破坏 强度，N；F试样受力面积，mm2。 2.3.2具体测定步骤： 测试样品的条形试样的抗折强度试验采用的是三点加载简支梁。先将试样 插入抗折试验装置的支梁上，使加荷辊与两个支承辊保持等距，普通试样的成 型面应与受力方向垂直（接触面积为 60 mm2），如图所示：
13、 图 3 为水泥抗折性能测试装置 5 逐渐地加大试样成型面的受力直至样品从受力位置断裂，利用弹簧测力计 测试受力的大小，记录样品所承受力。 3 结果与讨论 3.1不同的液固比对样品强度的影响 液固比是指拌制水泥浆、砂浆和混凝土混合料时，原材料中水与固体原料 的质量比（W/C），氯氧镁水泥的液固比一般在0.40.6之间。 计算液固比应考虑氯化镁溶液中带入的水分，实际加水量为总需水量减去 氯化镁溶液带入的水(以后试验部分实际需水量均按此计算)。 本试验固定植物纤维的掺加量为1.5 g/L，氧化镁用量为25g，氯化镁用量 为 12.4g（=1.24 g.cm -3），石膏粉用量为10g, 为保持料浆
14、稠度一致, 每个 编号其它材料配方均相同，采用不同的液固比进行试验取样，成型尺寸为 12mm12mm80mm的条形试样，自然固化24h后测样品的强度，如表1所示。 表 1 不同的液固比样品的抗折强度 编 号 液固 比 水 (mL） 氯氧镁水泥 （氧化镁+氯化镁+石膏粉+纤维 /g） 抗折强度 (Mpa） 10.38 18.6 49 2.04 20.39 19.1 49 2.11 30.40 19.6 49 2.24 40.41 20.1 49 2.34 50.42 20.6 49 2.48 60.43 21.1 49 2.36 70.44 21.6 49 2.17 80.45 22.1 49
15、2.09 90.46 22.5 49 1.92 6 0.380.400.420.440.46 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 抗折强度/MPa 液固比 图4 不同液固比样品的抗折强度折线图 综合表1、图4可以看出：随着液固比的增大，氯氧镁水泥复合材料的流动度 不断增大，水泥复合材料容易成型。当水泥复合材料的液固比超过一定程度时， 由于高液固比带来的过多水分，将提高水泥复合材料内部的孔隙率，降低水泥复 合材料的强度；如果氯氧镁水泥复合材料的液固比过小，导致水泥复合材料的粘 度大，不易将其搅拌均匀，结果水泥复合材料成型困难，试件不致密，最终降低 了氯氧镁水泥复合材料的强度。
16、8 在本试验条件下，确定氯氧镁水泥复合材料的液固比为042，在此液固比 下，样品试样的抗折强度达到最高值，并且在此液固比下，氯氧镁水泥复合材料 试样的流动度适中，可以满足需要。因此，氯氧镁水泥复合材料的液固比确定为 042。 3.2不同的氯化镁溶液对样品强度的影响 为保证样品成型时氯氧镁水泥浆具有一定的流动性与可塑性，必须保证一定 的液固比，即保证一定的液相用量。由于氧化镁与水的反应速度慢，制品强度低， 因此，常采用氯化镁溶液作为氧化镁的调和剂。9 氯化镁溶液的溶度对样品成型状况有着重要作用, 氯化镁溶液的比重一般应 选在1.20 1.26 g.cm -3。10 7 本试验固定活性氧化镁的用量
17、为25g，氯化镁溶液的比重选在1.18 1.28 g.cm -3。为保持料浆稠度一致，每个编号氯化镁溶液重水的用量(体积)都取 10mL，其它材料配方均相同，成型尺寸为12mm12mm80mm条形试样，自然固 化24h后测样品的强度，结果如表2所示。 表2 不同的氯化镁溶液样品的抗折强度 编 号 (MgCl2)/ g.cm -3MgO/MgCl2 抗折强度/Mpa 1 1.182.121.79 2 1.22.082.11 3 1.222.052.35 4 1.242.022.48 5 1.261.982.22 6 1.281.952.03 1.181.201.221.241.261.28 1.
18、7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 抗折强度/MPa 氯化镁溶液比重/gcm-3 图5 不同氯化镁溶液样品的抗折强度折线图 综合表2，图5可很清楚看出，在配比及原材料不变的情况下，卤水比重变化 实质上是MgO/MgCl2摩尔比变化的反映：在一定的范围内，随着摩尔比减小，强 度逐渐增高。MgO/MgCl2的摩尔比也不是越小越好，有一个最佳值，超过这个最 佳值以后，对样品的强度反而有不利的影响。 8 在本试验条件下，确定氯化镁溶液的比重为1.24 g.cm -3。在此比重下，样 品试样的抗折强度达到最佳，并且在此比重下，氯氧镁水泥浆具有具有较好的 可塑性与耐水性。若
19、MgCl2溶液的浓度过低，将导致体系中原料反应不完全，制 品强度下降；若MgCl2溶液的浓度过高，制品表面上的水化相5Mg(OH) 2MgCl28 H2O就会分解出MgCl2而产生游离氯化镁，使返卤现象变得更严重, 最终导致制品结构的破坏。11 因此，确定氯化镁溶度液的比重为1.24 g.cm -3。 3.3不同的植物纤维掺量对样品强度的影响 天然植物纤维复合材料是以天然植物纤维作增强材料，以树脂或水泥作基 体的一种复合材料。传统的纤维增强复合材料是由聚丙烯纤维、玻璃纤维、芳 香族聚酰胺纤维或碳纤维等化学纤维组成的，它们一般都存在着耗能大、造价 高、易污染环境等问题。与化学纤维相比，各种天然植
20、物纤维具有价廉、可回 收、可降解、可再生等优点，并具有一般纤维的强度和刚度，且比重较小，比 强度、比刚度均较高，以天然植物纤维为增强基的复合材料同样具有优良的性 能。12 普通的硅酸盐水泥由于碱性较高，对植物纤维有很强的腐蚀作用，其溶出物 对水泥有阻凝和缓凝的负面影响，而氯氧镁水泥（后简称镁水泥）碱性相对于 硅酸盐水泥较低，保持在10左右，对植物纤维腐蚀较小，因此将植物纤维与镁 水泥结合起来制备镁水泥基植物纤维复合材料，具有很大的开发空间。本试验 主要研究了不同的植物纤维掺量对镁水泥力学强度的影响。13 本试验固定氧化镁用量为25g，氯化镁用量为12.4g（=1.24 g.cm -3）， 石膏
21、粉用量为10g，采用不同的植物纤维掺加量进行试验取样，每个编号其它材 料配方均相同，成型尺寸为12mm12mm80mm的条形试样，自然固化24h后测 样品的强度，结果如表3所示。 表3 不同植物纤维掺量样品的抗折强度 植物纤维掺量 / g.L -1抗折强度 / Mpa 0 2.10 0.5 2.25 1.0 2.26 9 1.5 2.48 2.0 2.32 0.00.51.01.52.0 2.05 2.10 2.15 2.20 2.25 2.30 2.35 2.40 2.45 2.50 2.55 抗折强度/MPa 植物纤维掺量/gL-1 图6 不同植物纤维掺量样品的抗折强度折线图 综合表3、图
22、6可很清楚看出：在本试验中，若不掺加植物纤维，样品的抗 折强度比较弱；掺加 0.5 g.L -1的植物纤维时，强度略有上升；当纤维的含量 由0.5 g.L -1 增长到lg.L -1时，样品的抗折强度有所增加，但增加趋势较小； 当纤维的含量由lg.L -1继续增长到1.5g.L -1 时，样品的抗折强度增加趋势明 显，当纤维的含量由1.5 g.L -1继续增长到2.0g.L -1时抗折强度却有少许下降。 因此本试验选择植物纤维的掺加量为1.5g.L -1。 3.4添掺加石膏粉对样品强度的影响 在镁水泥材料配制过程中，为了改善其某些性能，有时要加入一定量的活 性混合材，或者用活性混合材作为外加剂
23、载体，与外加剂同时掺到镁水泥中。 目前在镁水泥中使用的活性混合材主要有硅灰、粉石膏粉等15。 不同的外加剂对水泥土强度有着不同的影响。掺合石膏粉可以提高氯氧镁 水泥基材料的体积稳定性。硅酸盐水泥潮湿膨胀主要是由于水蒸气凝结使毛细 孔中弯月面减小，表面张力降低，引起湿胀、水化产物的结晶压力和吸水湿胀 变形等。氯氧镁水泥潮湿膨胀的主要原因在于水化物中过剩的MgO吸水生成水镁 石。掺合石膏粉可以提高氯氧镁水泥基材料的体积稳定性 16。 10 本次试验采用石膏作为掺加剂(掺入量为10g)，试验固定植物纤维的掺加量 为1.5 g/L，氧化镁用量为25g，氯化镁用量为12.4g（=1.24 g.cm -3
24、），为保 持料浆稠度一致，每个编号其它材料配方均相同，采用不同的液固比进行试验 取样，成型尺寸为12mm12mm80mm的条形试样，自然固化后观察样品的的 体积变形情况，记录样品的稳定性，并与空白试验作比较，试验结果见表4。 表4 不同石膏粉掺量样品的稳定性 样品稳定性 液固比不 加 石 膏 粉掺 加 石 膏 粉 0.40 不稳定较稳定 0.42 不稳定很稳定 0.44 不稳定较稳定 由表4可以很清楚的看出，在本试验条件下，掺加石膏粉可以提高氯氧镁水 泥基复合材料的稳定性。 石膏粉的主要成分是无定形的，颗粒极细，掺入镁水泥后，对溶液中OH- 、Cl-等离子有很强的吸附能力，降低了MgO周围离子
25、浓度，减少了镁水泥硬化 结构中的内应力，减少了结晶接触点数量，从而提高了硬化结构的稳定性15。 少了镁水泥硬化结构中的内应力, 减少了结晶接触点数量, 从而提高了硬化结构的稳定性。 4 总结 1、在本试验条件下，其它配方都相同的情况下，氯氧镁水泥复合材料的 液固比为042，样品的抗折性能效果好； 2、在本试验条件下，其它配方都相同的情况下，氯化镁溶液的比重为 1.24 g.cm -3样品的抗折性能效果好； 3、在本试验条件下，其它配方都相同的情况下，植物纤维的掺加量为1.5 g.L -1，样品的抗折性能效果好； 4、在本试验条件下，其它配方都相同的情况下，掺加石膏粉可以提高氯 氧镁水泥基复合材
26、料的稳定性。 11 参考文献： 1 CMazuranic,H Billinski,BMatkovic. Reaction products in the system MgCl2-NaOH-H2OJ. J Am Ceram Soc,1982(65):523. 2 吴金焱,朱书全.氯氧镁水泥及其制品的研发进展J.中国非金属矿工业导刊,2006, (1):15- 18. 3 曹永敏,常维峰,王翔,等.镁质产品及改性技术的研究与发展J :玻璃钢/复合材料, 2004,(9): 46-48. 4 童义平. 氯氧镁改性与抗盐卤性能研究J .海湖盐与化工,2004,33(6):20-22. 5 王英姿,邱
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