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新型水化硅酸镁水泥及镁基水泥的性能研究

近年来，在国家大力倡导“可持续发展”的绿色环境下，水泥工业作为“高污染，高排放，高消耗”的产业，势必要改善传统的生产模式，向着“低耗能，低污染，低排放”的方向迈进。在新型低碳经济的引导下，我国建材科学工作者们也在积极寻求新型建材替代传统建材，镁

基水泥由于其耗能少，碳排放量低等环保特性逐渐受到人们的关注和青睐。

自然界中丰富的镁质资源为镁水泥的发展提供了有利条件，镁元素是地壳中含量较多的第八大元素，约占地壳质量的2.3%，主要存在于菱镁矿、白云石和硅酸盐矿物中。此外，海水中也存在丰富的镁质资源，平均浓度为1300ppm。2003年，澳大利亚科学家Harrison以普通硅酸盐水泥，氧化镁和粉煤灰为原料研发了镁水泥并申请专利，这种水泥在硬化过程中会吸收CO2，为镁基水泥的发展打开了新途径。据国外媒体报道，英国“Novacem”公司发明了一种镁硅酸盐水泥，每吨水泥会吸收0.1t的CO2，而普通标准水泥会释放0.4t的CO2。这种镁硅酸盐水泥受到环保人士的热烈欢迎。文章就新型水化硅酸镁

水泥的制备，低碱度，碳负性特点加以说明，并对传统的镁质胶凝材料及改性作简要综述

新型水化硅酸镁水泥

水化硅酸镁水泥是近几年新发展起来的一种新型水硬性水泥，以硅灰与轻烧氧化镁为原料，遇水后水化生成水化硅酸镁凝胶，简写M-S-H，由于其耗能少，污染低，碳负性，碱度低等生态型特点而受到环保组织的欢迎。

原材料

硅灰

硅灰（Silicafume）是铁合金在冶炼硅铁和工业硅（金属硅）时，矿热电炉内产生出大量挥发性很强的气体，气体排放后与空气迅速氧

化冷凝沉淀而成的工业副产品，主要成分是SiO2，呈极细的玻璃球

状，作为混凝土的特效掺合料，能明显改善混凝土的性能。

轻烧氧化镁

轻烧氧化镁亦称苛性苦土，活性镁砂。是一种由天然菱镁矿石、水镁石和由海水或卤水中提取的氢氧化镁Mg（OH）2，经700～1000℃温度下煅烧所得，当煅烧温度超过1400℃时，所得煅烧产品的结晶度较高，比表面积较小，活性较低，称为重烧氧化镁，在耐火材料中应用广泛。经研究证明，菱镁矿在当煅烧烧温度为700℃、煅烧时间1h时活性氧化镁的含量最高，但是在这个温度下菱镁矿分解率过低，综合考虑菱镁矿分解率和氧化镁的活度值，焙烧温度为750℃、保温1h制备的氧化镁最为恰当。

水化硅酸镁水泥反应机理

经研究证实，水化硅酸镁水泥水化反应过程大体分为三个阶段：

轻烧氧化镁与硅灰遇水，表面开始溶解放热（1h）。

反应初期，氧化镁水反应主生成氢氧化镁，提供早期强度

（0-3d）；主要水化反应基础为Mg2++2OH-→Mg（OH）2，氢氧化镁的溶解度非常低，在18℃时，溶解度仅为0.009g/L，氢氧化镁饱和溶液的ph值为10.5。在显微镜下观察，氢氧化镁晶体为层状结构，其形状取决于其所在的形成空间.

随着反应龄期的增长，氢氧化镁与硅灰反应开始生成M-S-

H凝胶。主要水化反应为：aMg2++bSiO42-+cH2O→MaSbHc

如果在CO2（5-10%）存在的条件的下，氢氧化镁与CO2反应生成一系列的水化碳酸镁：

Mg（OH）2+CO2+2H2O→MgCO3·3H2O5Mg（OH）2+4CO2+H2O→Mg5（CO3）4（OH）2·5H2O

5Mg（OH）2+4CO2→Mg5（CO3）4（OH）2·4H2O，这些水化碳酸镁处于亚稳定状态，在生成过程中，形成了大量致密交叉网状结构，其形态因空间而异，且具有良好的胶凝特性。

低碱度

水化硅酸镁凝胶（M-S-H）是低碱度的胶凝体系，李兆恒，韦江雄等用压榨的方法研究发现，14天后的PH值已达到基本稳定的状态

（ph=9.5-12.5），影响M-S-H凝胶生成的主要因素有：原材料的种类及比例，碱环境，温度等，大量研究表明，M-S-H凝胶的生成与Mg/SiO2的比例有关，大多数的实验将Mg/SiO2≈0.75-1.5，BREM，

*****发现凝胶中Mg/Si的比例在0.66-1。JinFei通过实验认为M-S-H凝胶中Mg/SiO2≈1，而氧化镁与硅灰质量比为1时，所得制品的强度也最高。有实验对水化硅酸镁水泥的低碱度进行了深度探讨，发

现水化完全后，即氢氧化镁与硅灰全部反应生成水化硅酸镁水泥，系统PH值可降低10以下，可以有效地封装金属核废料。

碳负性

目前，水泥行业的碳排放量已经占到人类生产活动制造的CO2总量的5%。由英国帝国理工学院ChrisRCheeseman教授团队研究开发的一种新型碳负型水化硅酸镁水泥“Novacem”，水泥碳排放只有-0.1，也就是说，核算之