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低品位菱镁矿与白云石制备MgO膨胀剂及其膨胀性能的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

在建筑材料领域,MgO膨胀剂凭借其独特的性能优势,如能有效补偿混凝土收缩、提升结构耐久性等,在各类工程建设中发挥着关键作用。传统制备MgO膨胀剂多依赖高品位菱镁矿,然而,菱镁矿作为一种重要的战略性矿产资源,全球储量有限,且在我国分布不均。近年来,我国菱镁矿主要产区辽宁省加强了对矿山的管控,开采量维持现状甚至有所减少,这使得高品位菱镁矿供应愈发紧张。与此同时,大量低品位菱镁矿因杂质含量高、品质不稳定等问题被弃用,不仅造成资源浪费,还引发环境污染等一系列问题。因此,开发低品位菱镁矿制备MgO膨胀剂的技术,既能拓宽资源利用途径,又能减少废弃物排放,实现资源的高效利用与环境保护的双赢。

白云石作为一种富含钙镁的矿物,常与菱镁矿伴生。将白云石引入低品位菱镁矿制备MgO膨胀剂的体系中,不仅能为反应提供额外的CaO,参与固相反应,优化膨胀剂的矿物组成和微观结构,还可能通过合理的工艺调控,协同提升MgO膨胀剂的膨胀性能,使其更好地满足不同工程需求。通过深入研究低品位菱镁矿和白云石制备MgO膨胀剂的工艺、结构与性能关系,对于丰富膨胀剂制备理论,推动建筑材料领域的技术创新,具有重要的理论与实际应用价值。

1.2国内外研究现状

国外在利用低品位矿物制备功能材料方面起步较早,部分研究聚焦于通过复杂的选矿提纯工艺,降低低品位菱镁矿杂质含量后用于制备MgO产品,但在直接利用低品位菱镁矿和白云石制备MgO膨胀剂及其膨胀性能研究方面,相对较少且不够系统。

国内对MgO膨胀剂的研究较为深入,在利用低品位菱镁矿制备MgO膨胀剂上已取得一定成果。有学者研究了不同煅烧温度、保温时间等制度对低品位菱镁矿制备MgO膨胀剂的影响,发现延长煅烧时间利于矿物分解和固相反应,特定温度下制备的膨胀剂砂浆试件膨胀率有显著差异。也有学者探讨了低品位菱镁矿中杂质成分如滑石、石英等对制备工艺及膨胀剂性能的影响机制,提出了一些改善性能的方法。不过,目前研究仍存在一些不足,如对低品位菱镁矿和白云石复合体系在制备过程中的化学反应机理、微观结构演变与膨胀性能之间的内在联系,尚未完全明晰;不同产地低品位菱镁矿与白云石组合制备MgO膨胀剂的普适性工艺和性能调控规律研究不够充分,这限制了该技术的大规模工业化应用。

1.3研究内容与方法

本研究旨在系统地探究基于低品位菱镁矿和白云石制备MgO膨胀剂及其膨胀性,具体内容如下:首先,对不同产地的低品位菱镁矿和白云石进行成分、结构分析,明确其化学组成、矿物相分布以及杂质种类与含量,为后续工艺设计提供基础数据。其次,开展制备工艺研究,考察煅烧温度、升温速率、保温时间、原料配比等因素对MgO膨胀剂制备过程的影响,通过正交试验等方法优化制备工艺参数,确定最佳制备工艺条件。再者,对制备得到的MgO膨胀剂进行全面的性能测试,包括活性、粒度分布、微观形貌等物理性能,以及在水泥净浆、砂浆和混凝土中的膨胀性能,分析膨胀剂掺量、养护条件等因素对膨胀性能的影响规律。最后,借助XRD、SEM、TEM等现代分析测试手段,深入研究MgO膨胀剂在制备和水化过程中的矿物组成变化、微观结构演变,揭示其膨胀机理。

在研究方法上,采用实验研究与理论分析相结合的方式。实验方面,进行原料预处理、高温煅烧实验、性能测试实验等,严格控制实验条件,确保数据的准确性和可靠性。理论分析则通过对实验数据的整理、归纳与分析,结合相关材料科学理论,建立工艺-结构-性能之间的内在联系,为制备高性能MgO膨胀剂提供理论支撑。同时,运用Origin、MestReNova等软件对数据进行处理和可视化分析,直观展示研究结果,提高研究的科学性和说服力。

二、原材料特性分析

2.1低品位菱镁矿特性

低品位菱镁矿的化学组成较为复杂,其主要成分为碳酸镁(MgCO_3),但与高品位菱镁矿相比,杂质含量明显偏高。常见杂质包括二氧化硅(SiO_2)、三氧化二铁(Fe_2O_3)、三氧化二铝(Al_2O_3)以及少量的氧化钙(CaO)等。以取自辽宁海城和山东莱州的低品位菱镁矿为例,海城低品位菱镁矿中MgO含量约为42%-43%,SiO_2含量在4%-5%左右,Fe_2O_3含量为0.3%-0.5%;莱州低品位菱镁矿MgO含量大致处于38%-39%区间,SiO_2含量高达12%-18%,Al_2O_3含量也相对较高,在2%-5%范围波动。这些杂质的存在不仅降低了菱镁矿中有效镁的含量,还会对后续制备MgO膨胀剂的工艺及产品性能产生显著影响。

从矿物结构来看,菱镁矿属于三方晶系,具有方解石型结构,其晶体常呈菱

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