水化硫铝酸镁晶体结构的探寻
摘 要：本文根据质量宁恒定律，分析镁质硫酸盐水泥反应底物和反应产物的组成和比例关系，并运用从现象到本质、从宏观到微观的推导方法对水化硫铝酸镁晶体结构进行探寻。
关键词：质量守恒定律；反应底物；反应产物；定向效应；质量作用定律
为了准确地掌握镁质硫酸盐水泥的物理力学性能和化学稳定性能的形成机理，有必要对组成材料的原子、分子排列方式、结合状况等微观结构进行探寻，尤其是对水化硫铝酸镁晶体结构的探寻。本研究团队认为，镁质硫酸盐水泥是新的镁质水泥，按照与硫铝酸盐水泥的类比方法，反应生成物的主要组成应该是水化硅酸镁和水化硫铝酸镁。由于水化硫铝酸镁在文献中没有记载，也没有收进在德国建立的无机晶体结构数据库(The Lnorganic Crystal Structural Database)。所以，水化硫铝酸镁晶体结构的探寻，只能运用从现象到本质、从宏观到微观的推导方法进行。
1 材料的组成
根据质量守恒定律，参与反应的各组分材料元素的重量(数量)在反应前后是不变的。反应产物的组成和比例是由参与反应底物的组成和比例决定的。因此，要探寻镁质硫酸盐水泥的水化产物的组成，必须先分析参与反应底物的材料和比例。
镁质硫酸盐水泥的反应机理，不同于氯氧镁水泥、硫氧镁水泥。镁质硫酸盐水泥是在提高铝聚合度的前提下，利用氧化镁作为碱性激发剂、硫酸镁和其它硫酸盐作为硫酸盐激发剂，共同作用于火山灰质材料，使火山灰质材料中键合力极弱的硅氧四面体、铝氧四面体具有较高的活性，并在活性剂、促进剂的作用下，生成水化硅酸镁和水化硫铝酸镁。这样，镁质硫酸盐水泥的组分材料主要有三种：轻烧氧化镁、复合硫酸盐、混合火山灰。外加剂包括磷酸、活性剂、促进剂等，所占的比例很少。
为了满足反应机理的需要，我公司经过数年的潜心探索和成千上百次试验，优选出镁质硫酸盐水泥按照定向效应形成较高物理力学性能和化学稳定性能的主要反应底物的组成和比例如下：
SO3主要是以MgSO4的形式出现的，从中可以看出MgSO4／Al2O3<1，证明镁质硫酸盐水泥的组成材料比例是以生成单硫型水化硫铝酸镁为主要晶体结构。
2 从XRD图探寻
通过对材料进行X射线衍射，作出衍射图(图1)，并根据标准图谱分析，就可以获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息。但是，由于镁质硫酸盐水泥是我公司率先研制的，水化反应产物是个未知化合物。这样，XRD进行物相分析就存在同组元素具有相似的性质和晶体结构，造成在同位置出现衍射峰，从而不能确定物相的真实组成。由于水化硫铝酸镁没有进入无机晶体结构数据库，在相关手册标准图谱中无法查到，而与此相似的硫氧镁水泥5MgO・MgSO4・8H2O(5・1・8相)却在标准图谱中存在。因此，很容易把水化硫铝酸镁看成是硫氧镁水泥的5・1・8相。
根据镁质硫酸盐水泥参与反应底物的克分子数有：
克分子数这样安排，有利于反应定向进行，因为质量作用定律揭示，化学反应的速率是和参与反应的有效质量(克分子浓度)成比例的．而磷酸只有活性MgO重量的1.5％左右，生成AlPO4只能用去很少的Al2O3，因为H3PO4的当量数只有Al2O3当量数的2％左右，其余98％左右当量数的Al2O3除一部分在常温下与SiO2生成莫来石(3Al2O3・2SiO2)外，根据质量守恒定律(物质不灭定律)，大部分只能与MgO、MgSO4生成单硫型水化硫铝酸镁。
由于硫氧镁水泥5・1・8相与单硫型水化硫铝酸镁具有相似的衍射峰；又由于MgO比CaO的化学亲和力强，与Al2O3、MgSO4配位数要大。由此可推导出单硫型水化硫铝酸镁具有如下的晶体结构：
这一结论还可以通过归谬法从现象到本质予以证明：
如果镁质硫酸盐水泥的主要结晶相是硫氧镁水泥5・1・8相，那么受热分解后强度下降是不可逆的。而镁质硫酸盐水泥受热失去结晶水强度下降后，只要回水处理，结晶水就将恢复，强度又将回升，这种性质只有水化硫铝酸镁才存在。
如果镁质硫酸盐水泥的主要结晶相是硫氧镁水泥5・1・8相，那么就存在抗水性差的弊端，即使进行了改性，提高了软化系数，但还是改变不了不耐水的本质。而镁质硫酸盐水泥在水中强度是上升的，这种性质只有水化硫铝酸镁才存在。
从XRD图分析可以看出：1.没有游离态硫酸镁，因而从微观上解释了镁质硫酸盐水泥不会与金属发生电化学锈蚀的原因；2.水化硅酸镁是以Mg3(Si2O5)(OH)4的形态存在，这和纤维蛇纹石(温石棉)的结构相同，因而从微观上解释了镁质硫酸盐水泥随时间的推移抗折强度大幅度提高的原因。
所以，水化硫铝酸镁的晶体结构这一物相的组成，还需要进行定性分析和定量分析，例如光谱分析，才能确定。
3 从SEM图探寻
镁质硫酸盐水泥SEM图(图2)和硫铝酸盐水泥SEM图(图3)十分相似，如果能找到快硬硫铝酸盐水泥SEM图，那就更容易从形貌上运用分析与综合、归纳与演绎以及类比方法深入探寻。
镁质硫酸盐水泥SEM图中没有在常温下形成的叶片状硫氧镁水泥3MgO・MgSO4・11H2O相，有的只是针、棒状晶体和凝胶状水化产物相互叠加、相互穿插，这就更能从形貌上证明镁质硫酸盐水泥不是硫氧镁水泥。
4 结语
科学是不断进步的，人们的认识也在不断提高。水化硫铝酸镁晶体结构的探寻并没有结束，还必须继续对物相进行定性和定量分析才会有新的发现。我公司毕竟是个企业，缺乏检测手段(设备)和专业技术人才，期盼有关专家鼎力相助。正如拉瓦锡指正普利斯特里发现的不是“燃素”而是氧气、亚美利加指正哥伦布发现的不是“印度”而是新大陆一样，很希望有关专家能成为拉瓦锡、亚美利加式的人物，为我国的菱镁事业的发展做出更大的贡献。
