水热条件下含镁水合硅酸钙的形成机制、调控及其在高温绝热材料中的应用

Calcium minerals are usually coexisting or accompanying with magnesium minerals. The utilization of calcium resources is inevitably affected by magnesium. Mg2+ can participate in the reactions in CaO-SiO2-H2O system at room temperature, and form a compound which consists of magnesium silicate hydrate and calcium silicate hydrate. According to the preliminary study of the applicant, adding a certain amount of Mg2+ temperature under hydrothermal conditions can change the composition, structure and formation process of calcium silicate hydrate, which improves the packing density of the crystal structure, the high-temperature thermal stability and heat insulation properties of calcium silicate hydrate. This study aims to systematically investigate the effects of Mg2+ on the chemical composition, crystal structure parameters and the formation process of calcium silicate hydrate under hydrothermal conditions. The evolution of chemical composition and crystal structure of Mg-containing calcium silicate hydrate will be analyzed, and the solid solution, displacement and existence state of Mg2+ will be characterized. In this way, the formation mechanism of Mg-containing calcium silicate hydrate could be clarified and the evolution of its composition-structure-property could be quantified. Spherical Mg-containing calcium silicate hydrate could be prepared by dynamic hydrothermal synthesis method, and the performance could be improved by optimizing the composition and structure of Mg-containing calcium silicate hydrate. Furthermore, the high-temperature insulation materials would be prepared based on Mg-containing calcium silicate hydrate. The results would provide theoretical guidance and technical support for the application of magnesium rich resources in building materials and high-temperature insulation materials.

钙镁质矿物通常共生或伴生，在利用钙质资源时不可避免受到镁的影响。现有研究表明常温下CaO-SiO2-H2O体系中的杂质Mg2+可以参与反应，形成硅酸镁与硅酸钙的混合产物，而申请人在前期研究中发现高温水热条件下适量的Mg2+改变了水合硅酸钙的组成、结构及反应进程，其晶体结构的紧密程度得到提高，高温热稳定性和绝热性能也得到改善。以此为基础，本研究拟对水热条件下Mg2+对水合硅酸钙化学组成、晶体结构以及形成过程的影响开展系统研究，分析含镁水合硅酸钙的化学组成变化范围，解析其晶体结构，表征镁的吸附、固溶、置换等行为以及最终的存在状态，以期阐明水热条件下含镁水合硅酸钙的形成机制，并掌握其组成、结构与性能的演变规律；采用动态水热合成方法，并通过对含镁水合硅酸钙组成、结构的优化，获得性能优异的球粒状含镁水合硅酸钙，进而制备高温绝热材料，为富镁资源在建筑材料和高温绝热材料中的应用提供理论指导和技术支撑。

前期研究工作表明，在水热条件下，一定的Mg2+可进入到水合硅酸钙的结构中，形成水合硅酸钙镁。基于此，本研究对水合硅酸钙镁的晶体结构及形成过程进行探讨；同时，表征了水合硅酸钙镁的物相组成、热稳定性、显微形貌，并结合Peak Fit、Diamond、Maud结构精修等分析软件，阐明了Mg2+对水合硅酸钙镁晶体结构的作用机制；通过研究不同反应时间以及不同Mg(OH)2掺量下，硬硅钙石和镁-硬硅钙石形成过程中物相的演变规律，揭示了水合硅酸钙镁的形成过程。最后，采用动态水热合成了球粒状的水合硅酸钙镁，并经压制成型，制备了水合硅酸钙镁保温板。.合成的含镁硬硅钙石中，Mg2+偏向在硬硅钙石(202)晶面“富集”出现重叠峰，对硬硅钙石晶格参数影响较小，(001)和(202)晶面间距减小约0.03Å，(200)的晶面间距减小0.26Å。Mg2+的固溶增加了硬硅钙石的结晶度，使其向β-硅灰石的转变存在低温和高温两个阶段，显微形貌呈细长化发展。不论是SF还是石英粉作为硅源，少量Mg2+能稳定托勃莫来石，并使托勃莫来石向硬硅钙石转化的时间延长一倍，转化过程还伴随着剩余的Mg2+进入硬硅钙石，形成镁-硬硅钙石。水合硅酸钙镁形成过程中，经历了C-S-H(Ⅰ)→托勃莫来石→硬硅钙石的过程。当掺入Mg(OH)2后，与托勃莫来石结合形成镁-托勃莫来石，稳定托勃莫来石，阻碍硬硅钙石形成；通过离子交换通道进入硬硅钙石，形成镁-硬硅钙石，促进硬硅钙石结晶；通过硬硅钙石Q3缺失通道进入，降低硬硅钙石结晶度，形成结晶度较低的镁-硬硅钙石。水热合成镁-硬硅钙石时，采用250r/min的搅拌速率，水固比为40，二次粒子成球较好，粒径在40-60μm。.本课题研究的科学意义在于：掌握了水热条件下水合硅酸钙镁晶体结构、化学组成及微观性质等基础数据，为实现富镁矿物在绝热保温材料、油井工程和地质等领域的应用奠定理论基础；阐明了水合硅酸钙镁形成过程和形成机制，为优化调控其组成与结构，提升其高温绝热性能、力学性能提供技术支撑。