文/馮鵬 樊世隆 楊浩 龔正國

快硬磷酸鎂水泥組成成分對抗壓強度的影響

文/馮鵬 樊世隆 楊浩 龔正國

本文以磷酸鎂水泥材料的28d抗壓強度為考核指標(biāo)，采用正交試驗設(shè)計法進行實驗。并采用極差分析法和方差分析軟件分析了磷酸鎂水泥材料的各組成成分對抗壓強度的影響。結(jié)果表明，NH4H2PO4/MgO的質(zhì)量比對28d磷酸鎂水泥抗壓強度的影響最大。

正交試驗設(shè)計；磷酸鎂水泥；抗壓強度

引言

磷酸鎂水泥（magnesium phosphate cement， MPC）是一種具有快凝快硬性能的氣硬性膠凝材料。它出現(xiàn)于19世紀(jì)晚期，最初用于醫(yī)學(xué)，現(xiàn)已在歐美等國大量應(yīng)用于生物材料，工程修補，耐火材料等領(lǐng)域[1][2]。與普通硅酸鹽水泥相比，磷酸鎂水泥具有獨特的性能，其主要優(yōu)點為：（1）凝結(jié)時間短，初凝時間可控制在10分鐘到半小時；（2）早期強度高，其1h抗壓強度可達到35～45MPa；（3）水化反應(yīng)釋放大量熱量，適于低溫施工；（4）有較強耐磨性[2][3]。

汪宏濤[4][5]等人的研究結(jié)果表明，當(dāng)磷酸二氫鉀與氧化鎂的質(zhì)量比為 1∶4 時，磷酸鎂水泥修補材料強度取得最大值，且隨著緩凝劑摻量逐漸增大，該修補材料強度逐漸降低。高小建[6]認(rèn)為10%的緩凝劑可使磷酸鎂水泥的凝結(jié)時間控制在15分鐘左右，適合于現(xiàn)場快速修補工程。

磷酸鎂水泥通常由重?zé)趸V，磷酸鹽和緩凝劑組成。本文采用正交試驗法研究其組成成分對磷酸鎂水泥28d抗壓強度的影響。

1.試驗材料與方法

1.1 試驗材料

所用磷酸鎂水泥由重?zé)趸V（MgO）、緩凝劑硼砂（Na2B4O7·10H2O）、磷酸二氫銨（NH4H2PO4）、磷酸二氫鉀（KH2PO4）組成。

（1）重?zé)趸V由遼寧營口興達冶金爐料經(jīng)銷處提供。由輕質(zhì)氧化鎂在1600℃溫度下煅燒4小時制得，密度3420 kg/m3，工業(yè)級，純度＞95.0%，主要成分見表1。

表1 重?zé)趸V組成

（2）硼砂、磷酸二氫銨、磷酸二氫鉀由天津北辰華科儀建筑材料銷售中心提供，工業(yè)級，純度＞95.0%。

1.2 試驗方法

1.2.1 正交試驗法

正交試驗設(shè)計是利用規(guī)格化的正交表，有計劃、有目的地安排試驗方案并通過簡單的運算分析試驗結(jié)果，得出最優(yōu)結(jié)果的一種科學(xué)方法[7]。正交試驗法利用正交表的“均衡分散性”與“整齊可比性”的特點，既減少試驗數(shù)量，又可使研究者較準(zhǔn)確地得出各因素對材料性能影響程度。

表2 因素水平表

表3 L16(45)試驗方案與試驗結(jié)果

1.2.2 機械性能試驗

機械性能試驗參考國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671～1999），根據(jù)試驗設(shè)計方案所示各成分比例制備磷酸鎂水泥，加水?dāng)嚢韬笾苽?0mm×40mm×40mm尺寸的試件16組，每組6個，將磷酸鎂水泥試件放入20±3℃，相對濕度50±10%的養(yǎng)護室中空氣養(yǎng)護，1天后拆模。使用濟南時代試金儀器有限公司的YAW～300C型壓力試驗機測定各試件28天齡期的抗壓強度，并取平均值。加載速度2.5kN/s。

表4 試驗結(jié)果的極差分析

2.試驗結(jié)果與討論

采用正交分析法，將MgO比表面積，NH4H2PO4，KH2PO4和硼砂作為因素，各取四水平確定各組成成分所占的比例。其因素水平表如表2所示。

根據(jù)因素水平表，選擇L16（45）的正交表。其磷酸鎂水泥材料的試驗方案和試驗結(jié)果如表3。水膠比為0.1。為了減少試驗干擾因素，本試驗未摻入ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。試驗結(jié)果如表3所示。

從16組結(jié)果直觀來看，第3、7組的28d抗壓強度分別達到70.9MPa和75.6MPa，是強度最高的兩組試件。采用極差分析和方差分析兩種方法分析試驗結(jié)果，其極差分析如表4及圖1。

圖1 快硬磷酸鎂水泥試件

由極差分析結(jié)果可知：

（1）從抗壓強度的極差R值來看，C＞B＞A＞D，即影響抗壓強度的主要因素為NH4H2PO4與重?zé)趸V的質(zhì)量比，從各因素與28d抗壓強度的關(guān)系趨勢圖上也可以得出不同NH4H2PO4與重?zé)趸V質(zhì)量比的磷酸鎂水泥波動幅度最大。采用正交設(shè)計助手軟件得出的方差分析表如表5所示。

表5 方差分析

由方差分析結(jié)果可知，各因素影響抗壓強度的主次順序為C＞B＞A＞D，此結(jié)果與極差分析的結(jié)果一致。各因素的F比均小于F0.9（3，12），即各因素對強度影響不顯著。

3.結(jié)論

基于以上試驗結(jié)果，可得出以下試驗結(jié)論：

（1）以28d抗壓強度為判斷指標(biāo)，各因素影響抗壓強度的主次順序為NH4H2PO4摻量，硼砂摻量，重?zé)趸V比表面積，KH2PO4摻量。

（2）磷酸鎂水泥是一種高強水泥，若磷酸鎂水泥砂漿的配比合適，在空氣養(yǎng)護下其28d抗壓強度可達70MPa以上。

（作者單位：武警后勤學(xué)院）

[1]Gemma Mestres， Maria～Pau Ginebra. Novel magnesium phosphate cements with high early strength and antibacterial properties [J]. Acta Biomaterialia. 2011（7）：1853～1861.

[2]范詩建，杜驍，陳兵. 磷酸鎂水泥在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用研究[J]. 新型建筑材料，2015（1）：1～4.

[3]汪宏濤，錢覺時，王建國. 磷酸鎂水泥的研究進展[J]. 材料導(dǎo)報，2005（12）：46～47.

[4]汪宏濤.曹巨輝.軍事工程用磷酸鎂水泥材料研究[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報. 2005（1）：5～7.

[5]齊召慶，汪宏濤，丁建華等. MgO細(xì)度對磷酸鎂水泥性能的影響[J]. 后勤工程學(xué)院學(xué)報，2014（6）：50～54.

[6]高小建，楊英姿，鄧紅衛(wèi)等. 災(zāi)后混凝土工程快速修補材料的研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版），2010（2）：40～45.

[7]田勝元，蕭曰嶸.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：中國建筑工業(yè)出版社，2005：97～109.

武警后勤學(xué)院研究生科研創(chuàng)新課題（WHXKCX201511），武警后勤學(xué)院基礎(chǔ)研究項目：CMA生物質(zhì)灰對搶險救災(zāi)用磷酸鹽水泥基修補材料的影響試驗研究（WHJ201504）。