楊靜雯，馬 榮，李 娟，楊 玲，賈寒冰，屈建軍，2，3，孟 晨，2，3

（1.寧夏大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基地，寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學(xué) 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021）

粉煤灰是發(fā)電廠燃燒煤產(chǎn)生的固體顆粒，是固體廢物的一種。當(dāng)粉煤灰中的碳顆粒沒(méi)有完全燃燒時(shí)，粉煤灰就會(huì)呈現(xiàn)為灰黑色[1]，大量粉煤灰的積累破壞了地表土地資源，同時(shí)，粉煤灰擴(kuò)散到空氣中，造成二次粉塵和空氣污染，將會(huì)對(duì)人體造成傷害。近些年，為了減輕粉煤灰堆積帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，提出了諸多粉煤灰的再利用方法，例如基于粉煤灰的土壤改良技術(shù)，化肥制作技術(shù)等；利用粉煤灰做摻料制作水泥、板材等建筑材料；利用粉煤灰制作保溫材料，合成沸石，提取稀有金屬等[2]。其中，利用粉煤灰制備氯氧鎂水泥（MOC）復(fù)合材料是近些年的新技術(shù)，得到了廣泛應(yīng)用。

氯氧鎂水泥主要由一定濃度的氯化鎂溶液和輕燒氧化鎂組成，與普通水泥相比，氯氧鎂水泥具有高強(qiáng)度、高耐磨、耐高溫、低溫等優(yōu)勢(shì)[3]。但與之相比，氯氧鎂水泥的耐水性（長(zhǎng)期與水接觸，可以保持性能不發(fā)生改變的能力）較差，在潮濕環(huán)境里會(huì)出現(xiàn)返鹵泛霜等現(xiàn)象，與水作用后其硬化體強(qiáng)度大幅度下降[4]。有研究表明，含有粉煤灰的氯氧鎂水泥可以提高其在硫酸鹽環(huán)境中的耐水性。即使在氯化鎂水泥中加入40%的粉煤灰，硫酸鹽浸漬后的氯氧鎂水泥強(qiáng)度也很低，是普通硅酸鹽水泥的1.5倍[5]。本文總結(jié)了氯氧鎂水泥摻加粉煤灰制作膠凝材料的相關(guān)研究和粉煤灰添加制備氯氧鎂水泥的改性效果，并綜述摻加粉煤灰對(duì)氯氧鎂水泥的水化性能的影響及對(duì)氯氧鎂水泥的物理力學(xué)特征的影響，以期為今后粉煤灰制備氯氧鎂水泥復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展及相關(guān)研究提供參考。

1 摻和粉煤灰對(duì)氯氧鎂水泥水化性能的影響

氯氧鎂水泥是一種不同于普通水泥的新型水泥。具有氣硬性，耐高溫，抗鹽鹵腐蝕，空氣穩(wěn)定性等性質(zhì)，有機(jī)和無(wú)機(jī)材料膠結(jié)性強(qiáng)，易于維護(hù)[6]。由于其體系的耐水性較差，而且氧化鎂水泥在硬化之后的功能不穩(wěn)定，它的能量消散迅速，易于吸收水分，返回鹵素和熱量。由于外部水滲透和氧化鎂中的水化行為，水的存在和分布是一個(gè)關(guān)鍵因素，所以很容易引起質(zhì)量損失和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低[7]。

混合礦物可能會(huì)改善氧化鎂水泥的不足之處，比如耐水性差和強(qiáng)度快速損失[7]。粉煤灰中含有豐富的活性物質(zhì)，比如SiO2和Al2O3不僅可以改善鎂質(zhì)水泥較差的耐水性，而且可以提高其體積穩(wěn)定性[8]。通過(guò)內(nèi)摻法摻入不同礦物、向氯氧鎂水泥中加入粉煤灰可以降低氯氧鎂水泥的水化熱，提高成品體積的穩(wěn)定性[9]。氧化鎂水泥的耐水性很弱，其固化體在水中可能逐漸失去強(qiáng)度，功率損失程度可達(dá)60%～80%。粉煤灰可以降低氧化鎂水泥的水化熱，提高氧化鎂水泥的耐水性。摻加粉煤灰后，氯氧鎂水泥制品的耐水性有明顯提高。當(dāng)占比達(dá)到20%時(shí)，其壓縮軟化系數(shù)提高12.5%。隨著粉煤灰占比的增加，氧化鎂水泥樣品的膨脹率隨著天數(shù)的增加呈線性降低，氧化鎂的實(shí)際含量相對(duì)減少。

由此可以看出，粉煤灰的加入不但不會(huì)影響氧化鎂水泥的性能，反而會(huì)提高氧化鎂水泥的耐水性和抗水性。雖然在礦物混合物對(duì)氯化鎂水泥在典型水環(huán)境中的阻力和持久性的影響極端條件下，粉煤灰制備氯化鎂水泥耐水性、水化硬硫酸鹽浸泡的MOC在摻入率達(dá)到40%后顯著降低，但其強(qiáng)度仍比普通硅酸鹽水泥高1.5倍。目前，研究主要集中化特征有待深入研究。

2 摻和粉煤灰對(duì)氯氧鎂水泥水化產(chǎn)物和機(jī)理的影響

氯氧鎂水泥的原材料的組成為輕燒氧化鎂粉、氯化鎂和水。在1932-1949年，學(xué)者們先后確定了3Mg－MgO（P318）和5MgMgO（P518）這兩種氯氧化鎂的精確組成，MOC中的主要強(qiáng)度相是P318和P518。受配料比影響，MOC的水化產(chǎn)物主要是P518，外加少量鎂。之后，他們又在2012年解析出了2MgMgO和2MgMgO的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)MgO-Mg-O體系中氧化鎂的活性較高或鎂的濃度較低時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生鎂單質(zhì)，隨著該體系中MgO活性、濃度及溫帶的不同，Mg-O八面體分子鏈的大小、連接方式均有很大的差異，目前已有文獻(xiàn)記載了MgO的活性、3組分配比和水化溫度對(duì)水化產(chǎn)物的影響[10]。鎂水泥水化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量（水化熱），為了應(yīng)對(duì)溫度應(yīng)力，需要提升極限拉伸值，另外還需采取相關(guān)溫控措施，用粉煤灰或者其他物質(zhì)來(lái)代替部分水泥，這樣做不僅可以滿足設(shè)計(jì)要求，而且能進(jìn)行溫度控制，來(lái)降低內(nèi)部溫度[10]。

早期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，加入粉煤灰延長(zhǎng)氯氧鎂水泥固結(jié)時(shí)間的方法，第一能夠明顯改善鎂水泥樣品的耐水性，第二能提高樣品的體積穩(wěn)定性，第三因?yàn)闃悠返膹?qiáng)度較小，所以有利于強(qiáng)化后期強(qiáng)度[11]。在MOC中摻入粉煤灰，518結(jié)晶相在粉煤灰粒子周圍或者表面聚集，518結(jié)晶相數(shù)量減少，基體的孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，氯氧鎂水泥的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度都將降低[6]。

鎂水泥體積變大的原因有2個(gè)：（1）水化反應(yīng)是體積擴(kuò)大的過(guò)程;（2）反應(yīng)過(guò)程中由于熱量改變了形狀。加入粉煤灰對(duì)改善鎂水泥的穩(wěn)定性有很大幫助，有2個(gè)原因：（1）隨著粉煤灰量的不斷增加，實(shí)驗(yàn)中氧化鎂的量相對(duì)降低，因而水化產(chǎn)物會(huì)減少，體積變化也明顯減小，粉煤灰穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠充當(dāng)惰性骨架；（2）粉煤灰加入后，可以遲緩均化，分散原本過(guò)于集中的水化反應(yīng)，降低了反應(yīng)熱，來(lái)降低樣品的熱變形[12]。

目前對(duì)粉煤灰摻和后影響氯氧鎂水泥性質(zhì)的機(jī)理研究主要集中在不同量粉煤灰摻和后晶體結(jié)構(gòu)與體積變化方面，今后需要關(guān)注的是在不同環(huán)境下?lián)胶筒煌椒勖夯铱蓪?duì)氯氧鎂水泥晶體結(jié)構(gòu)、電鏡圖像、體積變化等造成影響，以期進(jìn)一步說(shuō)明粉煤灰對(duì)氯氧鎂水泥的影響機(jī)理。

3 摻和粉煤灰對(duì)氯氧鎂水泥物理力學(xué)性能的影響

與普通硅酸鹽水泥相比，MOC具有硬化快、耐腐蝕性高、綠色環(huán)保、低堿度、低導(dǎo)熱系數(shù)等一系列優(yōu)點(diǎn)[3，13-15]。但是氯氧鎂水泥也存在吸濕、耐水性差、變形和返鹵等缺點(diǎn)，限制了該材料在土木工程中的應(yīng)用。摻加粉煤灰的氯氧鎂水泥后，其物理力學(xué)性能會(huì)與原本的性能有較大的差別[9，16-17]。

（1）粉煤灰對(duì)MOC耐壓性能和耐剪切強(qiáng)度的影響如圖1和圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)，由于粉煤灰綜合利用摻雜量的提高，氯氧鎂水泥制品的耐壓性能和抗剪強(qiáng)度均下降。

圖1 粉煤灰的摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 粉煤灰的摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

（2）當(dāng)粉煤灰的摻入量變大時(shí)，MOC的耐水性明顯提高，如圖3所示。和沒(méi)有摻粉煤灰水泥的空白試樣比較，當(dāng)粉煤灰綜合利用摻量是20%的時(shí)候，MOC的壓縮軟化系數(shù)提高到了12.5%

圖3 粉煤灰摻量對(duì)軟化系數(shù)的影響

（3）如圖4所示[5，12]，隨粉煤灰摻量的增加，試樣28d的自由膨脹率呈線性，向下降低的趨向。相反的，和原來(lái)沒(méi)有加入粉煤灰的試樣相對(duì)比，加入粉煤灰20%與30%的試樣，氯氧鎂混凝土的膨脹度分別由原來(lái)的0.34%減少到了0.15%與0.095%，膨脹減縮度則分別為56%和72%。

圖4 粉煤灰摻量對(duì)體積穩(wěn)定性的影響

此外，粉煤灰的加入會(huì)改變氯化鎂水泥原有的基本孔隙結(jié)構(gòu)。伴隨著粉煤灰摻入量的變大，MOC的總孔隙率也會(huì)隨之變大。當(dāng)粉煤灰的量占到總量的40%時(shí)，MOC的總孔隙率也變大到144.36%。其中，孔徑小于20 nm為無(wú)害，20～50 nm為少害，50～200 nm為有害，200 nm以上為多害。添加粉煤灰后，小于50 nm有害孔和大于50 nm有害孔增多?？梢?jiàn)，粉煤灰的加入會(huì)增加氯氧鎂水泥混凝土的孔隙率。由此能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉煤灰綜合利用的量為總量的20%時(shí)，可以增加MOC的28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。當(dāng)摻水用量超過(guò)20%時(shí)，就會(huì)很明顯地對(duì)氯氧鎂混凝土的抗折、耐壓性能形成危害使其機(jī)械性能下降，且如果摻入量越大，降低幅度就越大。當(dāng)MOC浸入水中時(shí)，強(qiáng)度也會(huì)變低。添加20%的粉煤灰可以減緩強(qiáng)度降低的速度。雖然前期研究發(fā)現(xiàn)了28d中粉煤灰摻量對(duì)氯氧鎂水泥不同階段強(qiáng)度的影響，但粉煤灰摻量對(duì)不同環(huán)境下制品強(qiáng)度（空氣濕度、溫度等）的影響并未得到重視，這限制了實(shí)際應(yīng)用中不同環(huán)境下氯氧鎂水泥最優(yōu)配比的確定。

4 結(jié)論

（1）粉煤灰的加入會(huì)改變氯鎂水泥原有的基本孔隙結(jié)構(gòu)，且粉煤灰的加入會(huì)使氯氧鎂水泥混凝土的孔隙率增大。

（2）粉煤灰不僅可以改善氯氧鎂水泥耐水性差的弱點(diǎn)，而且可以改善其體積穩(wěn)定性。

（3）加入粉煤灰后，提高了氯氧鎂水泥的抗水性與抗壓軟化系數(shù)。

（4）隨著粉煤灰摻量的增加，氯氧鎂水泥制品的強(qiáng)度逐漸降低。隨著粉煤灰摻量的增加，試樣28d自由膨脹率呈線性下降。

5 展望

目前，對(duì)于粉煤灰制備的氯氧鎂水泥復(fù)合材料的部分性能以及粉煤灰的摻入對(duì)氯氧鎂水泥復(fù)合材料的影響已有了基本了解。為進(jìn)一步充實(shí)粉煤灰的摻入對(duì)氯氧鎂水泥復(fù)合材料的影響，需要對(duì)以下2個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入研究：

（1）摻入不同粒徑的粉煤灰時(shí)，是否會(huì)對(duì)氯氧鎂水泥的物理力學(xué)性質(zhì)及水化性質(zhì)造成影響？

（2）不同環(huán)境下不同粒徑粉煤灰摻入后，是否會(huì)導(dǎo)致氯氧鎂水泥凝結(jié)速度、耐水性及水化硬化發(fā)生改變？