易 峰

(西藏職業(yè)技術學院建筑工程學院，西藏 拉薩 850000)

粉煤灰改性磷酸鎂水泥的研究進展

易 峰

(西藏職業(yè)技術學院建筑工程學院，西藏 拉薩 850000)

在綜合國內(nèi)外大量研究資料的基礎上，介紹了粉煤灰改性磷酸鎂水泥的改性機理，綜述了粉煤灰對磷酸鎂水泥工作性能、力學性能、粘結性能、耐水性能和耐久性的影響的研究進展,為粉煤灰改性磷酸鎂水泥的研究提供相關依據(jù)。

磷酸鎂水泥，粉煤灰，改性機理，研究進展

1 概述

磷酸鎂水泥(Magnesium Phosphate Cement，MPC)是一種新型的、環(huán)境友好型無機膠凝材料。MPC一般由鎂砂(重燒氧化鎂)、可溶性磷酸鹽、礦物摻和料、緩凝劑和水按照一定的比例混合在一起，進行攪拌后利用磷酸鹽與鎂砂迅速發(fā)生酸堿中和反應，生成具有較強黏度的無機膠凝材料[1]。因此，MPC又被稱為化學結合陶瓷。MPC最先原材料中的磷酸鹽為NH4H2PO4，因反應后會生成胺氣對人體有害，因而目前MPC的研究、應用等采用的磷酸鹽多為KH2PO4。MPC目前公認的水化反應過程為KH2PO4溶于水后生成的磷酸根與MgO在酸性溶液中電離出的Mg2+及水發(fā)生反應，生成稱為鳥糞石的MgKPO4·6H2O(MKP)。已有的研究表明，MPC具有快凝早強、耐磨和體積穩(wěn)定、干縮小等特性，并且對硅酸鹽水泥混凝土具有很好的粘結性，可作為路面快速修補材料、有害反射物固化和用作FRP加固結構用無機膠等[2]。但眾多研究也指出MPC存在以下缺點：1)成本高，價格為普通水泥的3倍以上；2)凝結速度較快，不利于施工；3)耐水性差、耐酸堿腐蝕性差。為改善MPC的這些性能，通常通過摻入有機或無機摻和料、優(yōu)化配比或提高磷酸鹽細度等方式進行，而其中摻入粉煤灰(Fly Ash，F(xiàn)A)是最為常用、最為有效的方法之一[3,4]。

2 改性機理

通常認為，粉煤灰在普通硅酸鹽水泥混凝土中具有三大效應：形態(tài)效應、微集料效應和活性效應。但林瑋等[5]研究指出，除三大效應外，粉煤灰在MPC中還存在吸附效應。形態(tài)效應是指粉煤灰微觀狀態(tài)下呈玻璃微珠狀，而且吸水性較小，具有較強的潤滑、滾動能力，拌和到MPC水泥中能大幅度提高水泥的流動性；微集料效應是指粉煤灰顆粒較細，能填補水泥石結構內(nèi)部的孔隙和裂縫，使得MPC水泥石結構更加致密，適當粉煤灰的加入能提高MPC的多種性能；活性效應則是由于粉煤灰在氧化鎂的激發(fā)下能和MPC生成Mg，Al，Si，P，K等元素組成的無定形產(chǎn)物，在一定程度上能提高MPC水泥石結構內(nèi)部網(wǎng)絡的整體性；形態(tài)效應則是粉煤灰在MPC中獨有的一種效應，它是指粉煤灰具有吸附溶液中的磷酸根離子的能力，從而減緩了氧化鎂與磷酸鹽的反應，以致延緩了水化產(chǎn)物的形成和水化熱的釋放速度。粉煤灰在MPC中的四種效應同時存在、綜合作用，隨粉煤灰摻量的不同集中的體現(xiàn)在MPC各種性能的改變上[4]。

3 粉煤灰改性磷酸鎂水泥的研究進展

3.1 粉煤灰對MPC流動性和凝結時間的影響

流動性和凝結時間是表征新拌水泥混凝土最重要的性能之一。微觀下粉煤灰呈玻璃微珠態(tài)，具有滾動作用。陳兵等[6]研究了Ⅱ級粉煤灰改性MPC的流動性和凝結時間，結果發(fā)現(xiàn)在摻量40%以內(nèi)時，MPC的流動性隨粉煤灰摻量的增加而增加；超過40%時對MPC的流動性改善能力有限，MPC的流動性隨粉煤灰摻量增加而減小。而MPC的凝結時間隨粉煤灰的摻量增加而不斷增加。李春梅等[4]認為粉煤灰摻量在20%以內(nèi)能增加MPC的流動性，摻量20%以上時，MPC的流動性會隨摻量的增加而減少，50%摻量時漿體失去流動度。而在不添加緩凝劑的情況下，隨粉煤灰摻量增加到40%，MPC的凝結時間也隨之接近翻了一番。王會新等[3]指出，在粉煤灰摻量40%以內(nèi)，隨粉煤灰摻量對MPC的流動度和凝結時間都有促進作用，只是對流動度的貢獻呈先強后弱的趨勢；而且在粉煤灰摻量達到40%時，MPC的凝結時間可達到26 min，能達到工程施工要求。綜上可知：適度的粉煤灰摻量對MPC的流動度和凝結時間都有改善作用，但粉煤灰摻量過度可能會由于其吸水作用對MPC流動度起抑制作用。

3.2 粉煤灰對MPC力學性能的影響

粉煤灰屬于火山灰質材料，具有一定潛在的活性；而且粉煤灰較細，具有填充水泥混凝土中的孔隙作用，但其也存在活性較低，水化較慢的特點。李國新等[7]指出，在同一齡期下，隨粉煤灰摻量的增加，MPC砂漿抗壓強度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而摻量10%的粉煤灰改性MPC的抗壓強度最高。李春梅等[4]則發(fā)現(xiàn)，在粉煤灰摻量較少的情況下，其微集料效應明顯，能提高MPC的抗壓強度；在摻量較高時，由于其與MPC漿體的結合能力較弱，會削弱MPC的抗壓強度。而且粉煤灰的摻入，會降低MPC的抗折強度。Yue Li等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在粉煤灰摻量為20%的情況下，雖然齡期3 d粉煤灰改性MPC的抗壓強度低于不摻的MPC，但齡期28 d時，粉煤灰改性MPC的強度卻高于不摻的。綜上可知：粉煤灰摻量對MPC的抗壓強度具有雙重作用，摻量較小時微集料效應明顯，增加MPC的抗壓強度；摻量較高時，由于其活性較小，與MPC粘結力較小，分散作用明顯，降低抗壓強度。而粉煤灰的形態(tài)效應使得MPC內(nèi)部結構顆粒間機械咬合力小，會降低MPC抗折強度。

3.3 粉煤灰對MPC粘結強度的影響

較強的粘結性是MPC相比波蘭特水泥的一大優(yōu)勢，因而MPC常被認為可以和環(huán)氧樹脂媲美的無機膠。任強等[9]研究表明，在MPC中單摻粉煤灰與磨細粉煤灰或二者等量混摻后，MPC的早期粘結強度會降低，后期粘結強度會逐步增長，28 d的粘結強度甚至能超過不摻粉煤灰的MPC，且復摻的效果更好；其原因主要是粉煤灰的火山灰活性效應使得MPC后期強度有所改善，復摻效果更好是由于協(xié)同作用使得微集料效應更明顯。蘇柳銘[10]發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量20%時，MPC凈漿與普通混凝土的粘結強度最好，3 d就有5 MPa；而摻量10%左右時，MPC的砂漿與普通混凝土粘結強度1 d就可達到10 MPa以上；究其原因，正是由于粉煤灰的三大效應增強了MPC與普通混凝土的粘結性能，特別是微集料效應使得MPC基體內(nèi)部的過渡區(qū)更加密實，因而提高了粘結強度。

3.4 粉煤灰對MPC耐久性能的影響

1)耐水性能。MPC長期浸泡于水中會產(chǎn)生強度倒縮現(xiàn)象，即MPC存在耐水性差的特點，這嚴重限制其在工程上的應用范圍。周序洋等[11]研究發(fā)現(xiàn)在MPC中摻入適當?shù)姆勖夯也⒈３州^高的氧化鎂含量有利于增加MPC的耐水性。其機理部分在于粉煤灰和未反應的MgO顆粒能形成較好的顆粒級配，微集料作用明顯，有利于MPC硬化后內(nèi)部孔徑變小且總孔隙率減少，從而提高了耐水性。吳占鵬[12]認為粉煤灰的加入MPC后，由于粉煤灰具有活性效應、微集料效應和形貌效應，使得MPC變得更加致密，粉煤灰與MKP相互搭接，減少了孔隙，阻止了孔隙和裂紋的擴展，阻礙了水分進入MPC內(nèi)部，從而有效的增加了MPC的耐水性。

2)干縮性。林瑋等[13]研究了不同粉煤灰摻量對MPC在不同齡期的干縮影響。結果表明，粉煤灰摻量達到40%的MPC相比不摻粉煤灰的MPC的收縮率減少了88%，即粉煤灰對抑制MPC具有重要作用。李九蘇等[14]將10%的粉煤灰和10%的普通硅酸鹽水泥復摻到MPC中，研究了MPC的90 d內(nèi)的干縮性。結果發(fā)現(xiàn)MPC早期干縮較快、后期較慢，直到60 d后基本趨于穩(wěn)定，且干縮小于25%，即復合摻量顯著降低了MPC的干縮性。他們認為一方面是由于粉煤灰等的摻入，替換了部分磷酸鹽和氧化鎂，水化反應熱相對減少，干縮量降低；另一方面粉煤灰后期和普通水泥的水化產(chǎn)物之一Ca(OH)2進一步反應，優(yōu)化了內(nèi)部結構，也一定程度減少了MPC的干縮。

3)抗腐蝕性。MPC材料雖然耐低堿度性能較強，但存在耐酸和耐強堿性能較差的缺點。其主要原因是酸能和MPC中主要物質MKP和氧化鎂反應，生成可溶性物及二水石膏和鋁酸鎂沉淀；強堿能和MKP反應生成Mg(OH)2沉淀，也能和未反應的磷酸鹽反應生成可溶性鹽，最終形成疏松結構[15]。陳兵等[16]將用粉煤灰摻量為40%的MPC砂漿與普通MPC砂漿試樣放入NaOH,HCl,NaCl,Na2SO4四種溶液中浸泡14 d和28 d，然后進行了力學性能測試和外觀觀察。結果表明，摻粉煤灰的MPC在酸堿溶液中浸泡28 d后性能較普通的MPC的外觀情況較好，力學性能也下降較?。欢鴥煞N材料耐NaCl和Na2SO4腐蝕能力都較強。甄樹聰?shù)萚17]研究了未摻粉煤灰MPC和摻量10%粉煤灰MPC的抗氯離子滲透能力。試驗結果發(fā)現(xiàn)，摻粉煤灰的MPC抗氯離子侵蝕能力明顯好于未摻的。其原因在于粉煤灰的加入，不僅具有填補MPC內(nèi)部裂縫和MPC水化產(chǎn)物反應生成新物質能力，還具有延緩MKP的生成速度作用，從而有效的減少了氯離子的滲透速度。

4)耐磨性。鑒于MPC在路面和飛機跑道快速修補具有較好的前景，那么耐磨性也應該是評價其總體性能的一個重要指標。汪宏濤等[18]研究了粉煤灰摻量對MPC的耐磨性的影響，試驗發(fā)現(xiàn)，隨粉煤灰摻量的增加，MPC的耐磨性逐漸降低。其原因可能在于粉煤灰不僅自身耐磨性能差，而且其吸附效應使得MPC水化產(chǎn)物形成較慢，影響了試樣的內(nèi)部結構網(wǎng)絡的整體性。

4 結語

除耐磨性能外，粉煤灰的適量摻入對提高MPC水泥混凝土的工作性能、力學性能、粘結強度和耐久性能均有較大幫助；但粉煤灰摻量過大時(如超過40%)，MPC的各項性能均會在一定程度上下降，因而利用粉煤灰的大量摻入來降低MPC成本而又不使得其性能大幅度降低，有待進一步研究。此外，粉煤灰的摻入雖在一定程度上能提高MPC的耐腐蝕性，但提高的性能有限，還是無法與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥相比，MPC的耐腐蝕性仍需深入研究解決。

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ResearchprogressonMagnesiumPhosphateCementwitflyash

YiFeng

(SchoolofArchitecture,TibetVocationalTechnicalCollege，Lasa850000,China)

Based on a large number of domestic and foreign research data, modified mechanism of Magnesium Phosphate Cement(MPC) with fly ash is introduced. Then, influence of flay ash on working performance, mechanical properties, bonding property, water resistance and durability of MPC are summarized. That provides the related basis for research on the MPC with fly ash.

Magnesium Phosphate Cement, fly ash, modified mechanism, research status

TU528

：A

1009-6825(2017)24-0113-03

2017-06-16

易 峰(1991- )，男，碩士，助教