为解决由于MgO引起的后期体积安定性不良的问题,拓展含镁资源在建材工业中的应用,本研究在前期工作的基础上,认识到制约CaO-MgO-SiO2-H2O体系中MgO与SiO2反应速度和程度的关键是MgO向反应介质中的溶解及其中Mg2+浓度,进而提出调控MgO的溶解速度和数量,加速MgO与SiO2的反应动力学过程,促进MgO反应生成具有一定胶凝性水化硅酸镁或水化硅酸钙镁的思路。围绕CaO-MgO-SiO2-H2O体系中MgO、CaO与SiO2的反应,开展反应介质中离子平衡及调控、反应机理及过程控制,反应产物的组成、结构,以及硬化浆体力学性能、长期体积变形性能和耐久性能等方面的研究,以期阐明CaO-MgO-SiO2-H2O体系中CaO、MgO和SiO2的反应机制和掌握调控反应的方法,为解决MgO导致的后期膨胀,开发新型胶凝材料和建筑材料奠定理论与技术基础,促进大量废弃的富镁资源在建材生产中的应用。
MgO-SiO2-H2O system;reaction kinetics;hydrated silicate magenisium;cementitious material;
建材行业中大量使用石灰石等钙质资源,但现有的研究认为与钙共存的镁会影响钙质资源的应用,造成大量高镁的矿石未能得到使用而废弃,既浪费资源,又污染环境。为促进建材行业中富镁资源的利用,本项目围绕MgO-SiO2-H2O体系的反应展开研究,包括MgO-SiO2-H2O胶凝体系中溶解平衡机制及调控、反应产物种类与性质、反应热力学及动力学、以及在建材行业中应用等方面研究。研究揭示了水化硅酸镁(M-S-H)凝胶和Mg(OH)2的生成机制和竞争关系,通过调控MgO反应速率和M-S-H凝胶生成速率,开发了性能良好的硅酸镁质胶凝材料以及保温隔热性能优异的硅酸钙镁质复合保温板。 (1) 基于MgO-SiO2-H2O胶凝体系反应热力学,建立了MgO-SiO2-H2O胶凝体系反应模型,并阐明了MgO-SiO2-H2O胶凝体系反应机理。MgO-SiO2-H2O胶凝体系的反应包括MgO的溶解、 SF的解离、Mg(OH)2的生成以及M-S-H凝胶的生成。MgO的溶解为MgO-SiO2-H2O胶凝体系反应的起始点,其溶解生成Mg2+和OH-,当两者在反应溶液中达到一定浓度时会达到Mg(OH)2的饱和溶度积常数,生成Mg(OH)2。 (2) 揭示了MgO-SiO2-H2O胶凝体系反应动力学过程,推导了反应动力学方程,掌握了MgO-SiO2-H2O胶凝体系反应进程的调控措施。MgO-SiO2-H2O胶凝体系早期以溶液中的离子反应为主,后期以固相产物生长为主。MgO-SiO2-H2O胶凝体系反应动力学方程为α=1-e^(-k*t),促进M-S-H凝胶生成的调控措施主要有降低MgO活性、水灰比以及养护温度,加入SHMP和合成的M-S-H凝胶。 (3) 制备了MgO掺量高达50%的镁质胶凝材料和导热系数低至0.0595 W/(m·K)的硅酸钙镁复合保温板。制备的镁质胶凝材料的孔多分布于10nm以下,MgO掺量为50%时制备的浆体3、7、28、90d抗压强度分别为18.4、40.6、64.7、75.6MPa;制备的硅酸钙镁复合保温板表观密度为230 kg/m3,导热系数为0.0595W/(m·K)。本研究为开发硅酸钙镁复合材料奠定理论基础,同时为拓宽建材行业所用含镁钙质原料的范围提供理论指导和技术支撑,将大量废弃的低品位石灰石资源重新应用于建材行业,具有极其重大的生态、经济和社会效益。