菱镁胶凝材料的优缺点都很突出,优点:第一它是一种气硬性胶凝材料,即其终凝后在空气中即能继续凝结硬化;第二在常温(20℃~35℃)条件下制品强度增长快,抗折、抗压强度高。第三弱碱性、低腐蚀性。菱镁水泥浆体滤液的pH值在8.5~9.5之间,这样就可以使用价格适中的中碱玻璃纤维作为增强材料,也可以掺入一些植物纤维(刨花、锯粉、稻壳粉、秸秆粉等)来改善胶凝材料的性能;第四对有机和无机材料或纤维具有较好的胶结性。
但是,菱镁胶凝材料的缺点也很明显,第一是较弱的耐水性能。普通的菱镁水泥制品在水中浸泡7天,其强度降低70~80%;第二易吸潮返卤。在潮湿的环境下(地下室)或处于多雨季节,制品表面出现变湿或大水珠;第三夏季凝结时间过快,反应放热集中,不仅影响生产操作,而且还容易造成产品翘曲变形。第四冬季低温(0~10℃)下制品强度低,脱模时间长,大大降低了生产效率,增加了生产成本。正是这些缺点妨碍了菱镁材料的大范围应用,阻碍了行业的发展。
近年来,随着菱镁制品品种的增多和功能的扩展,市场对产品质量的要求也越来越高。菱镁制品不仅应用于室内的通风管道、玻镁平板、装饰板、轻质隔墙板等,还应用于室外的检查井盖、屋面保温板、蔬菜大棚架、工艺制品、花盆;有3mm~10mm厚的薄壁大幅面产品,也有厚达80mm的承重产品,更有长达十几米的受力细长构件,这些产品的应用已经超出当时菱镁制品作为节约代用材料的范畴。因此,通过掺加菱镁改性剂,克服和改善菱镁产品现存的弊病是菱镁行业发展的迫切需要。
山东省建筑科学研究院立项进行了“菱镁胶凝材料改性剂”课题的试验研究,通过系统的试验工作,达到了预期目标,经生产和工程应用,取得了良好的效果,技术经济指标显著。该项目已于2000年通过了山东省科技厅技术鉴定,并获山东省科技进步三等奖和山东省建筑业技术创新一等奖。2003年在国家标准化委员会立项,由该院作为主要起草单位,其他几家单位参加编写完成了《菱镁胶凝材料改性剂》行业标准,现已颁布实施,标准号为WB/T1023-2005。
笔者认为,菱镁改性剂的作用机理如下:
改善菱镁产品的表面性能。通过外加改性剂的方式,可大大提高菱镁制品的表面质量,使其不吸潮返卤。笔者采取的技术方案:一是改变制品的表面性能,使其亲水性降低,憎水性提高,并将游离的MgCl2屏蔽起来;二是外掺的改性剂具有很强的减水功能,可在保证料浆流动性、和易性不变的前提下,降低料浆中的卤水用量,亦即是降低了游离MgCl2的含量;料浆水灰比的降低也减少了制品的毛细通道,这也同时提高了制品的耐水性;三是加入了一些无机活性填料中的活性SiO2能与体系中过剩的Mg2+反应,生成抗水性较强的MgSiO3胶凝结晶化合物。
抗吸潮返卤方面,在国内,尤其是长江以南地区,并未从根本上得以解决,大部分还是使用较原始的工艺———浸水去卤来生产玻镁平板、通风管道、隔墙板等镁质产品。采用浸水去卤工艺,不仅增加了劳动强度,降低了生产效率,而且未养护好的制品浸泡到水里,会破坏其结晶产物,降低强度,还会污染、破坏环境。中国菱镁行业协会在中菱镁协字2006年第20号文《菱镁产业结构调整指导目录》中,已明确地将水浸泡处理的菱镁装饰(防火)板与墙体材料列为淘汰类的产品。对此笔者采取改变制品的表面性能,将游离的MgCl2封闭,与提高改性剂的减水率,降低MgCl2用量相结合的方法,从根本上减少强吸潮剂———游离MgCl2的存在数量,将制品中水溶性氯离子含量降低约1.5%~2%,可以做到在30℃~40℃,相对湿度90%的环境中,制品长期不吸潮返卤,在长江以南地区得到大量的应用。
提高制品的耐水性能。在菱镁胶凝材料中掺入改性剂,可以改变硬化相的结晶外貌,使518相变得更细小、更致密。通过电镜分析知道,未改性的菱镁水泥体主要是一些针杆状结晶,在此网状结构中存在大量热力学不稳定的结晶接触点,遇水易发生水解。而改性后的结构就以短棒状或板块状晶体为主,使耐水性提高;加入的高分子聚合物能在络合物周围产生高聚物并包覆Mg(OH)2结晶体,形成良好的防水保护层,同时堵塞结晶体中的毛细通道,从而使制品的耐水性得到提高。
提高制品的力学性能。主要途径是:一是在体系中掺入增韧剂,增强系统中有机物和无机物之间的亲和力,起到分子桥的作用,从而使制品具有良好的抗冲击性和韧性;二是加入消泡剂,可有效地减少料浆中的气泡,从而提高制品的密实度,提高强度和耐水性,并能改善制品的表面质量。
改善料浆拌和物的性能,降低制品的变形率。加入缓凝剂,可延长料浆的初凝时间90min以上,提高了料浆的和易性,有利于制品的成型操作,尤其是在夏季的高温季节,缓凝剂的作用就更为显著,它可以使反应升温速度降低,使反应更充分,减少结晶应力和热膨胀应力,减少了制品体积膨胀变形的可能。
提高制品的早期强度,缩短脱模时间,提高生产效率。每年进入冬季后,黄河以北的北方地区气温已降到0℃及以下,南方除两广、云、琼外,大部分地区的气温也在3℃~8℃,国内大部分企业已停产。而冬季仍在进行生产的菱镁制品企业基本上都是采取了加温措施,像北方地区在冬季用锅炉给车间取暖加热,而南方地区专门建造了养护房(暖房),目的都是为了提高环境温度,这样做,对生产起到了一定效果,但加大了生产成本,而且据统计,在10℃~15℃时,脱模时间为48小时。
冬季低温(0~10℃)天气条件下,加入早强促凝剂,可将制品的早期(1d)强度和后期(28d)强度比普通试块分别提高60%以上和20%以上,凝结时间缩短50%以上,大大地提高了生产效率。自2004年研制成功以来,已在国内的二十多个省市得到应用,大大缩短了凝结时间,提高了生产效率。
山东省建筑科学研究院研制开发的早强促凝剂(M.Ⅲ-0)作用机理如下:早强促凝剂本身对早期强度贡献甚微,但对早强功能具有催化剂的作用;早强促凝剂对化学反应平衡移动产生影响,能有效地促进MgO的溶解和电离,从而加速反应的进行;根据有关资料,Mg2+-M.Ⅲ-0螯合物的离解常数(K不稳)值在10-8~10-9,该反应的平衡移动主要由Mg2+和M.Ⅲ-0的浓度决定。体系中不应有较高浓度的Mg2+-M.Ⅲ-0存在,这样控制早强剂的浓度就可达到Mg2+最大限度的可提供性,从而促使早期MgO的水解和离解的增加,促进了518产物的形成。
菱镁制品是一种优、缺点都很突出的无机材料,生产中,除了要严格控制原材料质量、严格生产配方和生产工艺外,还必须通过外加改性剂的方式来改变其存在的弊病,以满足生产和工程的需要,这三者缺一不可。
通过外加改性剂,可以改善制品的表面性能,提高抗吸潮返卤的能力;可以调节料浆的凝结时间,控制反应速度,有效地解决制品的变形问题;可以改变结晶相的外貌,提高制品的耐水性。
使用菱镁胶凝材料改性剂,可将菱镁胶凝材料的初凝时间延长90min以上,料浆流动性提高10%~15%,浸水28d软化系数达0.90以上,在相对湿度90%以上的环境中制品表面不吸潮返卤。
低温早强促凝剂可将制品1d的强度提高60%以上,脱模时间缩短50%以上,不仅提高了生产效率,而且节约了能源,降低了生产成本,保护了生态环境,实现了冬季不加温进行正常生产这一重大技术突破,填补了国内空白。