原料摩尔比对改性硫氧镁基胶凝材料宏观性能的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0735

摘要/Abstract

摘要：

为探究氧硫比和水硫比对改性硫氧镁基胶凝材料宏观性能的影响及机理，通过X射线荧光分析（XRF）、水化热分析、X射线衍射分析（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等手段，研究原料氧硫比M=n（α-MgO）∶n（MgSO₄）和水硫比H=n（H₂O）∶n（MgSO₄）对改性硫氧镁基胶凝材料水化产物、力学性能、耐水性等性能的影响规律。结果表明：固定水硫比为20∶1、氧硫比为11∶1时，硫氧镁基胶凝材料的力学性能最优；固定氧硫比为8∶1，当水硫比为18∶1时，硫氧镁基胶凝材料的力学性能最优。随着氧硫比的增加，水化反应产生5·1·7相晶体的质量分数在80%以上，针棒状5·1·7相晶体交织成网状结构，和体系中未反应的MgO一同填充样品孔隙，使样品结构更加密实，改善了体系的力学性能，氧硫比为11∶1的硫氧镁基胶凝材料相较于氧硫比为7∶1的硫氧镁基胶凝材料28 d抗折强度提升51.1%，28 d抗压强度提升34.8%；水硫比的增加会导致体系中原本起到填充作用的MgO水化生成Mg（OH）₂，产生体积膨胀，导致硫氧镁基胶凝材料力学性能降低。

关键词: 改性硫氧镁基胶凝材料, 轻烧氧化镁, 5·1·7相晶体, 氧硫比, 水硫比

Abstract:

To investigate the effects of the oxygen-sulfur ratio and water-sulfur ratio on the macro-properties and mechanisms of modified magnesium oxysulfate cementitious， the influence patterns of the raw material oxygen-sulfur ratio （M=n（α-MgO）∶n（MgSO₄）） and water-sulfur ratio （H=n（H₂O）∶n（MgSO₄）） on the hydration products， mechanical properties， and water resistance of MOS were studied through XRF， hydration heat analysis， XRD， and SEM. The results indicate that： with the water-sulfur ratio fixed at 20∶1 and the oxygen-sulfur ratio fixed at 11∶1， the magnesium oxysulfate cementitious exhibits optimal mechanical properties； with the oxygen-sulfur ratio fixed at 8∶1 and the water-sulfur ratio fixed at 18∶1， the mechanical properties of magnesium oxysulfate cementitious are optimized. An increase in oxygen-sulfur ratio promotes the formation of over 80% by mass of the 5·1·7 phase， where needle-like 5·1·7 crystals interweave into a network structure. These crystals， along with unreacted MgO in the system， fill the pores in the sample， resulting in a denser structure and improved mechanical properties. Compared to the magnesium oxysulfate cementitious with an oxygen-sulfur ratio of 7∶1， the 28 d flexural strength and 28 d compressive strength of the cementitious with an oxygen-sulfur ratio of 11∶1 increase by 51.1% and 34.8%， respectively. Conversely， an increase in water-sulfur ratio leads to the hydration of MgO （which originally acts as a filler） into Mg（OH）?， causing volumetric expansion and a reduction in mechanical performance of magnesium oxysulfate cementitious.

Key words: modified magnesium oxysulfate cementitious, light-burned magnesia, 5·1·7 phase crystal, oxygen-sulfur ratio, water-sulfur ratio

中图分类号:

TU526

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图/表 13

表1 原材料的化学组成

Table 1 Chemical composition of raw materials

Material	Mass fraction/%
Material	MgO	SiO₂	CaO	Al₂O₃	Fe₂O₃	Other	α-MgO	Loss on ignition
MgO	87.51	6.71	3.70	0.74	0.70	0.64	62.80	6.75
T/CECS 10397—2024	≥50.00		f-CaO≤5.00				≥30.00	≤25.00

图1 MgO的XRD谱

Fig.1 XRD pattern of MgO

图2 MgO的粒径分布

Fig.2 Particle size distribution of MgO

表2 不同氧硫比和水硫比硫氧镁基胶凝材料的配合比

Table 2 Mix proportion of modified magnesium oxysulfate cementitious with different oxygen-sulfur ratios and water-sulfur ratios

Sample	Content/g
Sample	MgO	MgSO₄·7H₂O	H₂O	Citric acid	Standard sand
M8H19	450.0	217.2	190.8	2.25	1 350
M8H18	450.0	217.2	174.9	2.25	1 350
M8H17	450.0	217.2	159.0	2.25	1 350
M11H20	450.0	158.0	150.3	2.25	1 350
M10H20	450.0	173.8	165.3	2.25	1 350
M9H20	450.0	193.1	183.7	2.25	1 350
M8H20	450.0	217.2	206.7	2.25	1 350
M7H20	450.0	248.3	236.2	2.25	1 350

图3 不同原料摩尔比对硫氧镁基胶凝材料流动性的影响

Fig.3 Effect of raw material molar ratios on fluidity of magnesium oxysulfate cementitious

图4 不同原料摩尔比硫氧镁基胶凝材料的力学性能

Fig.4 Mechanical properties of magnesium oxysulfate cementitious with different raw material molar ratios

图5 不同原料摩尔比硫氧镁基胶凝材料的耐水性

Fig.5 Water resistance of magnesium oxysulfate cementitious with different raw material molar ratios

图6 不同氧硫比硫氧镁基胶凝材料净浆的SEM照片

Fig.6 SEM images of magnesium oxysulfate cementitious paste with different oxygen-sulfur ratios

图7 不同水硫比硫氧镁基胶凝材料净浆的SEM照片

Fig.7 SEM images of magnesium oxysulfate cementitious paste with different water-sulfur ratios

图8 不同原料摩尔比硫氧镁基胶凝材料净浆的XRD谱

Fig.8 XRD patterns of magnesium oxysulfate cementitious paste with different raw material molar ratios

表3 不同水硫比硫氧镁基胶凝材料净浆半定量分析

Table 3 Semi-quantitative analysis of magnesium oxysulfate cementitious paste with different water-sulfur ratios

Sample	Mass fraction/%					R_wp/%
Sample	5·1·7 phase	Mg（OH）₂	MgO	SiO₂	MgCO₃	R_wp/%
M8H17	93.9	0	4.7	1.0	0.4	7.26
M8H18	91.8	0.7	4.8	1.0	1.7	5.13
M8H19	90.8	2.8	2.4	1.8	2.2	8.85
M8H20	89.9	4.9	2.4	0.8	2.0	5.86

表4 不同氧硫比硫氧镁基胶凝材料净浆半定量分析

Table 4 Semi-quantitative analysis of magnesium oxysulfate cementitious paste with different oxygen-sulfur ratios

Sample	Mass fraction/%					R_wp/%
Sample	5·1·7 phase	Mg（OH）₂	MgO	SiO₂	MgCO₃	R_wp/%
M7H20	97.2	0	1.0	0.4	1.4	8.92
M8H20	89.9	4.9	2.4	0.8	2.0	5.86
M9H20	86.8	5.6	4.8	1.2	1.6	7.18
M10H20	85.8	6.3	6.1	0.8	1.0	6.16
M11H20	81.5	7.1	8.7	1.2	1.5	5.44

图9 不同原料摩尔比硫氧镁基胶凝材料净浆的水化热

Fig.9 Hydration heat of magnesium oxysulfate cementitious paste with different raw material molar ratios

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