齊浩霖，關 巖，畢萬利，李 穎，李國棟，孫美碩

(1.遼寧科技大學高溫材料與鎂資源工程學院，鞍山 114051；2.中國科學院青海鹽湖研究所，西寧 810008)

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硼砂對磷酸鎂水泥抗壓強度的影響研究

齊浩霖1，關 巖1，畢萬利1，李 穎2，李國棟1，孫美碩1

(1.遼寧科技大學高溫材料與鎂資源工程學院，鞍山 114051；2.中國科學院青海鹽湖研究所，西寧 810008)

研究了磷酸二氫鉀與重燒氧化鎂的質(zhì)量比(P/M)、水膠比對磷酸鎂水泥(MPC)硬化性能的影響，并探討了硼砂對磷酸鎂水泥性能的影響。測試了磷酸鎂水泥的抗壓強度，并利用XRD和SEM分析了磷酸鎂水泥的水化產(chǎn)物的物相組成和微觀形貌。結果表明，磷酸鎂水泥的抗壓強度隨P/M質(zhì)量比的增加先增大后減小，當P/M=1∶3時達到最大值，此時產(chǎn)生的水化產(chǎn)物為結晶度很好的板狀晶體；隨著水膠比的增大，磷酸鎂水泥的抗壓強度先增大后減小，當其在0.12～0.14時達到最大值；隨著硼砂摻量的增加，磷酸鎂水泥各齡期的抗壓強度先增大后減小，且隨著齡期的增長抗壓強度逐漸增大；加入硼砂后，磷酸鎂水泥晶體呈現(xiàn)出裂紋和缺陷。

磷酸鎂水泥； 硼砂； 抗壓強度

1 引 言

磷酸鎂水泥(MPC)是由重燒氧化鎂粉，可溶性的酸性磷酸鹽，緩凝劑和水按一定比列混合，通過酸堿化學反應及物理作用生成的以磷酸鹽為粘結相的具有高度結晶結構的材料。它兼具水泥和陶瓷材料的性能，具有快速凝結，早期強度高，以及優(yōu)良的粘結性，抗凍性和耐磨性能等特點，特別適應于機場跑道，橋梁和軍事工程的緊急搶修[1-4]。但由于在施工過程中對磷酸鎂水泥的凝結時間有較高要求，所以通過在實際應用方面加入緩凝劑來推遲水泥的凝結時間[5-8]。

筆者研究了P/M質(zhì)量比和水膠比(水與磷酸二氫鉀和氧化鎂的質(zhì)量比)對磷酸鎂水泥抗壓強度的影響，并確定了最佳配比，在此基礎上，以十水硼酸鈉為緩凝劑，通過改變其摻量研究其在磷酸鎂水泥中的作用機理，探究其性能和微觀結構的關系，確定硼砂的合理摻入量，具有一定的工程實踐意義。

2 試 驗

2.1 原材料與儀器

(1)重燒氧化鎂(MgO)

重燒氧化鎂是菱鎂礦在1800 ℃煅燒時，氧化鎂形成的方鎂石致密塊體，稱重燒鎂(又稱燒結鎂砂)。主要性能指標見表1。

表1 重燒氧化鎂的性能指標

(2)磷酸二氫鉀：上海滬試分析純(AR)；

(3)硼砂：上海滬試分析純(AR)；

(4)水：自來水；

(5)壓力機：沈陽紫薇WDW-20kN電子萬能試驗機；

(6)X射線衍射儀(XRD)：荷蘭帕納科XPertPowerX射線衍射儀，電壓35kV，電流50mA，Cu靶Kα輻射，波長λ=0.154056，掃描范圍10°～90°；

(7)掃描電子顯微鏡(SEM)：XDC-10A-T310型。

2.2 試驗方法

依據(jù)磷酸二氫鉀與氧化鎂質(zhì)量比分別為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4和1∶5，水膠比分別為0.10、0.12、0.14、0.16和0.22，硼砂加入量分別為氧化鎂質(zhì)量的5%、7%、9%、11%和13%，依次倒入攪拌容器內(nèi)，攪拌30s，緩慢加水，再攪拌150s，快速倒入40mm×40mm×40mm的六聯(lián)模具中，自然養(yǎng)護1h后脫模，分別測定3h、1d、3d和7d的抗壓強度。

圖1 P/M質(zhì)量比對磷酸鎂水泥抗壓強度的影響Fig.1 Influence of P/M ratio on MPC compressive strength

3 結果與討論

3.1 P/M質(zhì)量比對磷酸鎂水泥性能的影響

3.1.1 P/M質(zhì)量比對抗壓強度的影響

將磷酸二氫鉀與氧化鎂質(zhì)量比確定為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4和1∶5，水膠比為0.22，將粉料混合均勻后倒入攪拌容器內(nèi)，攪拌30s，緩慢加水，再攪拌150s，快速倒入40mm×40mm×40mm的六聯(lián)模具中，置于空氣中自然養(yǎng)護1h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護到相應齡期，分別測定3h、1d和7d的抗壓強度。實驗結果如圖1所示。

從圖1可見，隨著P/M質(zhì)量比的增大，磷酸鎂水泥的抗壓強度先增大后減小。當P/M質(zhì)量比為1∶3時，磷酸鎂水泥的抗壓強度最高。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是，P/M主要影響磷酸鎂水泥漿體中水化產(chǎn)物的含量。一般認為，磷酸鎂水泥的水化產(chǎn)物為MgNH4PO4·6H2O，按此配比時P/M為1∶0.3。由此可知，在水泥漿體中有大量的氧化鎂未參與反應而充當骨架起支撐作用。磷酸二氫氨質(zhì)量一定時，生成的水化產(chǎn)物一定，如果氧化鎂含量過高澤水化產(chǎn)物難以膠結而使強度降低。因此P/M大于1∶3時強度降低[10]。

3.1.2 P/M質(zhì)量比對礦相及微觀結構的影響

選取7d的磷酸鎂水泥試樣，分別進行微觀測試，XRD圖譜如圖2所示,SEM圖譜如圖3所示。

由圖2可以看出，突出明顯的峰是氧化鎂的衍射峰，但水化產(chǎn)物衍射峰不明顯。隨著P/M減小，氧化鎂含量逐漸增加，其衍射峰也逐漸加強，水化產(chǎn)物衍射峰逐漸減弱。

圖3a是P/M=1∶3的磷酸鎂水泥電鏡圖片，從圖可以看出有大量短柱狀晶體產(chǎn)生，這說明其在常溫條件下會促使磷酸鎂水泥生成穩(wěn)定的磷酸鎂化合物，保證鎂質(zhì)材料具有優(yōu)良特性，且晶體結晶相發(fā)育比較完全且堆積緊密。圖3b是P/M=1∶2的磷酸鎂水泥電鏡圖片，從圖中可以看出晶體有大量空隙，因此強度較低。

圖2 不同P/M質(zhì)量比的磷酸鎂水泥XRD衍射圖譜Fig.2 XRD patterns of MPC with different P/M ratio

圖3 不同P/M質(zhì)量比的磷酸鎂水泥SEM圖片(a)P/M=1∶3;(b)P/M=1∶2Fig.3 SEM images of MPC with different P/M ratio

圖4 不同水膠比的磷酸鎂水泥抗壓強度變化規(guī)律Fig.4 Rule of MPC compressive strength changes with water-cement ratio

圖5 不同硼砂加入量對磷酸鎂水泥抗壓強度的影響Fig.5 Influence of borax dosage on MPC compressive strength

3.2 水膠比對磷酸鎂水泥性能的影響

依據(jù)上述實驗，將磷酸二氫鉀與氧化鎂質(zhì)量比確定為1∶3，水膠比為0.10、0.12、0.14、0.16。分別測定3h、1d和3d的抗壓強度，結果如圖4所示。

由圖4可見，隨著水膠比的增加，磷酸鎂水泥的抗壓強度大體上呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當水膠比在0.12～0.14之間時達到最大值。水膠比對磷酸鎂水泥石早期強度影響不大，對后期強度影響較明顯。水膠比為0.10時，3h的抗壓強度約為23MPa，在水化1d時，水膠比為0.12時的抗壓強最高32MPa，3d的抗壓強度值最高，為30MPa。

3.3 硼砂摻量對磷酸鎂水泥性能的影響

3.3.1 硼砂摻量對磷酸鎂水泥抗壓強度的影響

依據(jù)上述實驗，將磷酸二氫鉀與氧化鎂質(zhì)量比確定為1∶3，硼砂加入量分別為氧化鎂質(zhì)量的7%、9%、11%和13%，水膠比為0.12，分別測定3h、1d、3d、7d的抗壓強度，結果如圖5所示。

由圖5可知，隨著硼砂摻量的增加，磷酸鎂水泥的抗壓強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當其摻量為11%時抗壓強度達到最大值，當硼砂摻量大于11%時，磷酸鎂水泥的抗壓強度急劇降低；隨著齡期的延長，硬化體抗壓強度逐漸增大。

3.3.2 硼砂對磷酸鎂水泥影響的機理分析

按P/M質(zhì)量比為1∶3，水膠比為0.12，硼砂摻量為9%配制磷酸鎂水泥，測試其28d水化產(chǎn)物，XRD圖譜如圖6所示，SEM如圖7所示。

圖6 磷酸鎂水泥衍射圖譜Fig.6 XRD patterns of MPC

圖7 磷酸鎂水泥SEM圖片(a)未摻硼砂;(b)摻硼砂后Fig.7 SEM images of MPC

由圖6分析可知，磷酸鎂水泥水化產(chǎn)物主要是六水磷酸鎂鉀，同時還有未完全反應的氧化鎂剩余，硼砂的特征峰說明硬化體中仍存在其結晶體。從SEM圖7可以看出，摻加硼砂后試樣的水化產(chǎn)物仍為棱柱狀晶體，但晶體有很多裂縫和缺陷，這是磷酸鎂水泥強度降低的主要原因。

3.3.3 硼砂對磷酸鎂水泥水化過程的影響

研究表明[11-14]，硼對磷酸鎂水泥體系有調(diào)節(jié)pH值和降溫作用。

楊建明[15]等認為，溶解在溶液中的硼砂不僅僅在MgO表面形成保護膜以阻止其與磷酸二氫鉀的接觸，同時它還起到降低體系的溫度，進而減弱磷酸鎂水化反應速度，起到延長凝結時間的作用．而未溶解的部分硼砂由于其與膠凝材料間的結合性比較差，就會殘余在試件中，成為影響磷酸鎂水泥整體強度最薄弱的環(huán)節(jié)。當硼砂摻量過少時，由于早期水化速率過快，晶體產(chǎn)生的缺陷越多，晶體間的接觸點就越多，也就不易達到熱力學平衡狀態(tài)，而這種狀態(tài)下的接觸點就會通過水化過程中的再結晶來達到平衡，這就會破壞已形成的硬化體，使磷酸鎂硬化體的力學性能受到破環(huán)和影響。若硼砂摻量過高時，由于水化過程減慢，晶體的缺陷減少了，因此也就不需要破壞原有的硬化體結構，其水泥漿體的結構就會得到完善和優(yōu)化。

4 結 論

(1)磷酸鎂水泥的抗壓強度隨P/M質(zhì)量比的增加先增大后減小，當P/M=1∶3時達到最大值；

(2)當P/M=1∶3時磷酸二氫鉀與氧化鎂恰好反應完全，此時產(chǎn)生的水化產(chǎn)物為結晶度很好的板狀晶體；

(3)隨著水膠比的增大，磷酸鎂水泥的抗壓強度先增大后減小，當其在0.12～0.14時達到最大值；

(4)隨著硼砂摻量的增加，磷酸鎂水泥各齡期的抗壓強度先增大后減小，且隨著齡期的增長抗壓強度逐漸增大；

(5)加入硼砂后，磷酸鎂水泥晶體呈現(xiàn)出裂紋和缺陷，導致強度降低。

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Effect of Borax on Compressive Strength ofMagnesium Phosphate Cement

QI Hao-lin1,GUAN Yan1,BI Wan-li1,LI Ying2,LI Guo-dong1,SUN Mei-shuo1

(1.SchoolofHighTemperatureMaterialandMagnesiumResourcesEngineering,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning,Anshan114051,China;2.QinghaiInstituteofSaltLakes,ChineseAcademyofSciences,Xining810008,China)

Studiedtheinfluencesofthemassratioofpotassiumdihydrogenphosphatetodeadburnedmagnesia(P/M)andwater-cementratioonmagnesiumphosphatecement(MPC)hardeningproperties,andboraxonMPCpropertiesinfluencewasstudied.TestedthecompressivestrengthofMPC,X-raydiffraction(XRD)andscanningelectronmicroscope(SEM)wereemployedtoanalysisthephasecompositionandmicrostructureofMPChydrationproducts.Resultsshowthat,thecompressivestrengthofMPCchangedwithP/Mfirstandthendecrease,whenitsvalueat1∶3whichreachedmaximum,andMPChydrationproductsareplatecrystalswithgoodcrystallinitydegree.Withthewater-cementratioincreasing,MPCcompressivestrengthfirstandthendecrease,andreachedmaximumbetween0.12and0.14.withthedosageofboraxincreasing,MPCcompressivestrengthateverycuringtimefirstandthendecrease,andincreasewithcuringtime.Whenboraxadded,thecrystalofMPCappearcracksanddefects.

magnesiumphosphatecement;borax;compressivestrength

青海省自然科學基金青年項目(2015-ZJ-949Q)；遼寧科技大學2015年創(chuàng)新教學改革項目(CXCY-2015-04)

齊浩霖(1993-)，男，碩士研究生.主要從事新型鎂制建筑材料方面的研究.

關 巖，副教授，碩導.

TU

A

1001-1625(2016)12-4252-04