范水軍　王中良　劉凱

（1.蘇州科利源施工技術(shù)研究所有限公司　江蘇　蘇州　215004　2.蘇州混凝土水泥制品研究院檢測中心　江蘇　蘇州　215004　3.中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)蘇州有限公司　江蘇　蘇州　215008）

磷酸鎂水泥在高濕度和不同水體下的性能評價(jià)

范水軍1王中良2劉凱3

（1.蘇州科利源施工技術(shù)研究所有限公司江蘇蘇州2150042.蘇州混凝土水泥制品研究院檢測中心江蘇蘇州2150043.中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)蘇州有限公司江蘇蘇州215008）

磷酸鎂水泥（MPC）是一種新型綠色膠凝材料，兼具化學(xué)結(jié)合陶瓷和水泥的屬性。本文以重?zé)齅gO、KH2PO4和硼砂為主要原料制備膠凝材料，研究了漿體在5種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性。結(jié)果表明，干燥條件（RH=60％）最適宜MPC材料的結(jié)構(gòu)發(fā)展；高濕度或水會造成材料力學(xué)性能下降，明顯改變脹縮規(guī)律，而且酸和堿對材料還具有侵蝕作用。最后，鑒于不同水體對材料宏觀性能的影響，本文對材料的應(yīng)用提出了進(jìn)一步的改善措施。

磷酸鎂水泥；養(yǎng)護(hù)環(huán)境；高濕度；水體；耐久性

磷酸鎂水泥（MPC）是一種新型快硬、早強(qiáng)的膠凝材料，具有粘結(jié)強(qiáng)度高、抗鹽凍能力強(qiáng)、耐磨性能優(yōu)異等一系列優(yōu)點(diǎn)[1]。早在20世紀(jì)70、80年代，歐美發(fā)達(dá)國家就已將MPC用于土建修補(bǔ)工程中，如道路、橋梁、工業(yè)廠房和機(jī)場等[2]。

近年來，MPC已經(jīng)引起國內(nèi)眾多科研人員的持續(xù)關(guān)注。楊全兵等人[2]對MPC的水化產(chǎn)物、硼砂的緩凝機(jī)理和水化機(jī)理進(jìn)行了研究[3]；姜洪義[4～5]等著重從凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度、與舊混凝土的粘結(jié)性能、水化動力學(xué)等方面探討了其影響因素。丁鑄等人[6]以MgO含量較低的鎂砂和粉煤灰為主要原料成功制備出凝結(jié)快、早期強(qiáng)度高的磷硅酸鹽水泥。李鵬曉等人[7]發(fā)現(xiàn)M/P比對MPC耐水性有重要影響，并討論了強(qiáng)度倒縮機(jī)理。陳兵等人[8]發(fā)現(xiàn)MPC具有優(yōu)異的耐化學(xué)侵蝕性能，在浸漬于NaCl和Na2SO4溶液后，材料表面無脫落，28d強(qiáng)度損失率低于10％。

本文將研究5種養(yǎng)護(hù)條件下MPC材料的耐久性，其中以干燥條件養(yǎng)護(hù)的試樣與另外4組試樣進(jìn)行對比，以便對材料在高濕度和不同水體下宏觀性能進(jìn)行評價(jià)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

死燒MgO：濟(jì)南魯東耐火材料公司，氧化鎂含量96.8％，比表面積354.5m2/kg；

磷酸二氫鉀：工業(yè)級，KH2PO4含量98％，常州市川磷化工有限公司；

硼砂：分析純。

1.2試驗(yàn)方法

氧化鎂（M）和磷酸二氫鉀（P）按照M：P摩爾比按8：1進(jìn)行配料，硼砂用量占膠凝材料總摻量的12wt％。另外，水灰比固定為0.09。

研究養(yǎng)護(hù)條件對水泥耐久性的影響時(shí)，采用兩種不同的評價(jià)方法：力學(xué)性能和線膨脹率。試件成型后1h脫模，在干燥條件（20±3℃、相對濕度55±5％）下養(yǎng)護(hù)3h后轉(zhuǎn)移至不同的養(yǎng)護(hù)環(huán)境繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28d，測定1d、3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度和1d、3d、7d、14d、28d試件長度。

力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB17671-1999），凈漿試樣在2cm×2cm×2cm模具中成型。

線膨脹率為試件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期相對于初始長度的負(fù)（收縮）或正（膨脹）變化。采用1cm×1cm×6cm的凈漿試模，成型、養(yǎng)護(hù)制度與抗壓強(qiáng)度測試方法相同。試件成型3h后進(jìn)行首次測量且以此結(jié)果為初始長度，尺寸變化率按式（1）進(jìn)行計(jì)算，用百分?jǐn)?shù)表示并精確至0.01％：

式中：L0-為試件成型后在干燥空氣中養(yǎng)護(hù)3h的初始長度；Lt-為試件在不同環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期時(shí)所測得的長度。

2　結(jié)果與討論

在不同養(yǎng)護(hù)制度下，磷酸鎂水泥基材料會體現(xiàn)不同的力學(xué)行為。MPC兼具化學(xué)結(jié)合陶瓷和氣硬性膠凝材料的屬性[1]。眾所周知，陶瓷與氣硬性膠凝材料在接觸水體時(shí)，耐久性能表現(xiàn)大相徑庭。陶瓷耐酸、堿侵蝕性能優(yōu)異，氣硬性膠凝材料在水侵蝕時(shí)結(jié)構(gòu)極易潰散。磷酸鎂水泥性質(zhì)區(qū)別于兩者，其耐久性在不同的環(huán)境介質(zhì)作用下也會有所不同。

采用5種不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境：干燥環(huán)境（RH=60％）、潮濕空氣（RH=95％）、水養(yǎng)護(hù)、酸性介質(zhì)（0.02mol/L HCl溶液）和堿性介質(zhì)（0.02mol/L KOH溶液），對比研究在不同養(yǎng)護(hù)條件下MPC凈漿的力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性。其中，干燥條件養(yǎng)護(hù)的試樣用于實(shí)驗(yàn)對比，以便評價(jià)材料的具體性能。

2.1力學(xué)性能

圖1為MPC試件在不同養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。由圖可知，5種養(yǎng)護(hù)制度下MPC凈漿抗壓強(qiáng)度大小順序?yàn)椋焊稍镳B(yǎng)護(hù)>潮濕環(huán)境>水養(yǎng)護(hù)>堿或酸溶液。在潮濕環(huán)境下，MPC試件在水化早期易吸收空氣中水分，這對水化有促進(jìn)作用，早期強(qiáng)度有所發(fā)展，但后期強(qiáng)度略低于干燥環(huán)境下的；材料養(yǎng)護(hù)于水中時(shí)，部分磷酸鹽組分因溶解而流失，早期、后期強(qiáng)度漲幅明顯受到了負(fù)面影響；試塊養(yǎng)護(hù)于酸性水體時(shí)，早期的酸性條件有利于氧化鎂的溶解，28d抗壓強(qiáng)度卻大幅倒縮；堿性條件同樣會引起MPC的強(qiáng)度倒縮。除了早期的力學(xué)性能有較大差別之外，0.02mol/L的酸液或堿液均不利于材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定發(fā)展。

圖1　磷酸鎂水泥試件在不同養(yǎng)護(hù)制度下的抗壓強(qiáng)度

2.2體積穩(wěn)定性

圖2顯示了MPC試件在不同養(yǎng)護(hù)條件下的線膨脹率。在干燥養(yǎng)護(hù)條件下，MPC試件隨齡期增長呈收縮狀態(tài)，收縮值隨齡期逐步增大，但收縮趨勢趨于緩和；在潮濕環(huán)境中，試件總體呈微收縮態(tài)，在成型前3d內(nèi)收縮率表現(xiàn)為增大，3d以后收縮值逐步減小。在另外3種養(yǎng)護(hù)制度下，MPC凈漿均呈膨脹性。水養(yǎng)護(hù)時(shí)，MPC呈微膨脹性，膨脹值隨齡期逐步提高；養(yǎng)護(hù)于0.02mol/L HCl溶液時(shí)，材料同樣呈微膨脹性，膨脹率接近水養(yǎng)護(hù)的情況；而在KOH溶液中，材料先微收縮，養(yǎng)護(hù)14d以后，材料開始呈微膨脹性，這可能是因?yàn)镺H-離子的入侵消耗了材料內(nèi)部的部分H+，MPC水化程度受影響，但隨著齡期的發(fā)展，大量磷酸鹽產(chǎn)物吸水腫脹使得材料由為收縮態(tài)轉(zhuǎn)為微膨脹性。

圖2　磷酸鎂水泥試件在不同養(yǎng)護(hù)制度下的膨脹率

由此可知，干燥環(huán)境是磷酸鎂水泥最適宜的養(yǎng)護(hù)條件，潮濕環(huán)境和水體性質(zhì)對MPC的力學(xué)性能有負(fù)面影響，材料的體積穩(wěn)定性變差。磷酸鎂水泥具備一定的短期耐酸、堿侵蝕性能，但不宜長期接觸酸或堿等腐蝕介質(zhì)。

2.3改善措施

文獻(xiàn)顯示[7]，原料配比對MPC耐水性的影響較大，磷酸鹽含量對MPC耐水性影響顯著。控制磷酸鎂水泥中的磷酸鹽含量是關(guān)鍵之一，因此，可以從以下幾方面改善磷酸鎂水泥在高濕度環(huán)境和水體中使用性能：

（1）礦渣、粉煤灰等摻合料。摻合料的分散性可以顯著降低材料中磷酸鹽用量，并且摻合料自身能夠參與水化，豐富材料的微觀結(jié)構(gòu)。

（2）有機(jī)聚合物。聚合物乳液和膠粉已被廣泛用于生產(chǎn)剛性防水材料，它們可以優(yōu)化材料孔結(jié)構(gòu)，提高材料的密實(shí)度。

（3）柔性防水卷材。改性瀝青防水卷材等可以有效阻斷MPC材料與外界侵蝕介質(zhì)的接觸作用，且具有優(yōu)良的界面粘結(jié)效果，能夠顯著提高材料的耐水性。

（4）養(yǎng)護(hù)制度。成型后，MPC材料在干燥環(huán)境下養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長，漿體水化程度越高，越有利于提高材料的抗侵蝕能力。

3　結(jié)論

養(yǎng)護(hù)條件對磷酸鎂水泥的耐久性有重要影響。干燥環(huán)境是磷酸鎂水泥最適宜的養(yǎng)護(hù)條件，潮濕空氣或水養(yǎng)護(hù)會影響MPC的力學(xué)性能發(fā)展和體積穩(wěn)定性；而接觸酸性或堿性水體時(shí)，磷酸鎂水泥的強(qiáng)度在7d后即開始倒縮。

[1]劉凱，李東旭.磷酸鎂水泥的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2011，25 （7）：97～100.

[2]Jazairi B E.Rapid repair of concrete pavings[J].Concrete，1982，16（9）：12～ 15.

[3]Yang Q，Wu X.Factors influencing properties of phosphate cement-based binder for rapid repair of concrete[J].Cement and Concrete Research，1999，29：389～396.

[4]姜洪義，張聯(lián)盟.磷酸鎂水泥的研究[J].武理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23（1）：32～34.

[5]姜洪義，周環(huán)，楊慧.磷酸鎂水泥水化機(jī)理研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（9）：25～28.

[6]丁鑄，邢鋒，李宗津.高早強(qiáng)磷硅酸鹽水泥修復(fù)性能的研究[J].工業(yè)建筑，2008，38（9）：77～81.

[7]李東旭，李鵬曉，馮春花.磷酸鎂水泥耐水性的研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2009，12（5）：505～510.

[8]陳兵，雒亞莉，王菁.磷酸鎂水泥性能試驗(yàn)研究[J].水泥，2010（7）：14～ 18.

TQ172.1

A

1673-0038（2015）27-0143-02

2015-6-21

范水軍（1986-），男，漢族，江蘇蘇州人，助理工程師，大學(xué)本科。