【摘? ? 要】：考慮添加摻合料能使磷酸鎂水泥有更強(qiáng)的可操作性及更好的性能，結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)磷酸鎂水泥摻合料的研究現(xiàn)狀，論述了可與磷酸鎂水泥混合以形成復(fù)合磷酸鎂水泥的摻合料種類，總結(jié)闡述了流動(dòng)性、初凝時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、水化熱、沖擊韌性等性能要求，指出了復(fù)合磷酸鎂水泥在實(shí)際工程應(yīng)用中存在的問題以及未來磷酸鎂水泥摻合料種類尚待深入的研究方向。

【關(guān)鍵詞】：摻合料；磷酸鎂水泥；流動(dòng)性；初凝時(shí)間；抗壓強(qiáng)度；水化熱；沖擊韌性

【中圖分類號(hào)】：TU525【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2024）01-69-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.019

收稿日期：2023-02-24

作者簡(jiǎn)介：余炎威（1982 - ）， 男， 高級(jí)工程師， 從事水務(wù)工程檢測(cè)、工程材料性能研究工作。

磷酸鎂水泥（MPC）作為具有快硬早強(qiáng)性質(zhì)的膠凝材料，在已經(jīng)修筑的高速公路、機(jī)場(chǎng)跑道、軍事設(shè)施等出現(xiàn)破損，需緊急修補(bǔ)的工程中被優(yōu)先使用。磷酸鎂水泥由磷酸鹽與氧化鎂組成，應(yīng)用較多的為磷酸二氫鉀（KH2PO4）與重?zé)趸V（MgO），二者在常溫下與水混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成含有結(jié)晶水的磷酸鎂鉀（KMgPO4·6H2O，K-鳥糞石）并放出大量熱，通過化學(xué)鍵產(chǎn)生膠凝作用。因磷酸鎂水泥在幾分鐘之內(nèi)便會(huì)初凝，留給施工操作的時(shí)間過少，同時(shí)水化過程中放熱，冷卻后會(huì)引起內(nèi)部溫度收縮，產(chǎn)生微裂縫，進(jìn)而影響強(qiáng)度與沖擊韌性等，一定程度上限制了磷酸鎂水泥的發(fā)展。

基于以上問題，本文以摻合料種類對(duì)磷酸鎂水泥的影響為依據(jù)，介紹了流動(dòng)性、初凝時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、水化熱、沖擊韌性等研究現(xiàn)狀與成果，同時(shí)指出復(fù)合磷酸鎂水泥在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的問題，在此基礎(chǔ)上，展望了復(fù)合磷酸鎂水泥的發(fā)展方向，為復(fù)合磷酸鎂水泥的實(shí)際應(yīng)用提供理論參考。

1 磷酸鎂水泥常見摻合料種類

摻合料對(duì)磷酸鎂水泥性能影響較大，既要起到改良作用又要兼顧原有優(yōu)點(diǎn)，因此摻合料的選取尤為重要。為了克服磷酸鎂水泥過快初凝、水化熱較大、沖擊韌性差、造價(jià)高等缺點(diǎn)，常用的摻合料有粉煤灰、偏高嶺土、礦渣、鋼渣、硅灰、纖維類摻合料等。

1.1 粉煤灰

粉煤灰是從煤燃燒后漂浮的細(xì)灰中捕捉而來的固體廢料，廣泛應(yīng)用于水泥、混凝土、粉煤灰磚等建筑制品中。

粉煤灰加入后，磷酸鎂水泥流動(dòng)度隨摻量的增加而先增大后減小，增大的原因可能是因?yàn)榉勖夯业那驙铑w粒效應(yīng)，摻量過大時(shí)會(huì)吸收過多的自由水導(dǎo)致摩擦力增大進(jìn)而流動(dòng)度降低；凝結(jié)時(shí)間也顯示出先增加后減小的趨勢(shì)，增加的原因可能是粉煤灰替代了部分氧化鎂進(jìn)而延長(zhǎng)了凝結(jié)時(shí)間，減小的原因在于粉煤灰減少了氧化鎂對(duì)緩凝劑的吸附。粉煤灰的填充作用改善了磷酸鎂水泥的耐水性，同時(shí)體積穩(wěn)定性也得到了改善，膨脹率下降，提高了灌漿能力及與黏結(jié)強(qiáng)度，在一定程度上降低了水化反應(yīng)放熱速率與放熱量。

1.2 偏高嶺土

偏高嶺土（MK）是高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O）在600～900 ℃煅燒形成的無水硅酸鋁（Al2O3·2SiO2），因處于熱力學(xué)介穩(wěn)狀態(tài)而具有較高的火山灰活性，被廣泛應(yīng)用于建筑水泥摻合料[1]。

磷酸鎂水泥中加入一定量的偏高嶺土能明顯延長(zhǎng)初凝時(shí)間與1 h抗壓強(qiáng)度，隨著偏高嶺土摻量的增加，水泥水化熱峰值變低且愈加不明顯，有效降低了磷酸鎂水泥的水化熱；同時(shí)也有效提高了在凍融條件下磷酸鎂水泥的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度。偏高嶺土的摻入增加了磷酸鎂水泥的微孔，使其結(jié)構(gòu)變得更為致密，進(jìn)而增加了水泥的耐水性。陶濤等[2]認(rèn)為偏高嶺土的摻入降低了磷酸鎂水泥在凍融過程中的強(qiáng)度損失，進(jìn)而提升了其抗鹽凍性能；同時(shí)由于偏高嶺土的摻入生成了新的水化產(chǎn)物，改善了微觀結(jié)構(gòu)，起到了一定的填充作用，在凍融條件下，這樣完整致密的晶體結(jié)構(gòu)阻止外界環(huán)境水的進(jìn)入，從而提高了抗凍融性能。

1.3 其他礦物摻合料

磷酸鎂水泥常用的礦物摻合料還有礦渣、硅灰、鋼渣等。加入礦渣后水泥的耐水性得到了一定的改善，其原因可能是礦渣中含有的Ca、Fe等元素參與水泥的水化反應(yīng)生成了無定型膠凝物質(zhì)，對(duì)水泥中的微縫隙進(jìn)行填充密實(shí)，進(jìn)而提高水泥的耐水性。鄧愷等[3]認(rèn)為摻入鋼渣的磷酸鎂水泥在空氣養(yǎng)護(hù)條件下收縮較為明顯，在水養(yǎng)條件下前期收縮而后期膨脹；摻入鋼渣在提高水泥密實(shí)度的同時(shí)觀察到微觀結(jié)構(gòu)中有裂縫產(chǎn)生。劉俊霞等[4]指出硅灰的顆粒較細(xì)、水化活性較高，在磷酸鎂水泥水化后期發(fā)生二次水化，C-A-H晶體、C-S-H或磷酸鋁類凝膠等水穩(wěn)性水化產(chǎn)物填充在水泥孔隙中。

1.4 纖維類摻合料

磷酸鎂水泥作為修補(bǔ)材料常被用在承受沖擊荷載的工況下，如混凝土路面的修補(bǔ)。面對(duì)持續(xù)的沖擊荷載，磷酸鎂水泥的脆性便顯現(xiàn)出來。纖維類材料具有較高的抗拉強(qiáng)度，將其與磷酸鎂水泥相結(jié)合來提升水泥的性能。常用的纖維類摻合料有鋼纖維、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP（Fiber Reinforced Plastic）、玻璃纖維、碳纖維、聚合物乳液等。

李磊等[5]在磷酸鎂水泥中加入鋼纖維，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼纖維體積摻量為1.2%時(shí)，水泥的折壓比達(dá)到最大，為0.22；相比于硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥，鋼纖維對(duì)磷酸鎂水泥的折壓比提高更明顯；鋼纖維的體積摻量為1.2%～1.6%時(shí)，水泥達(dá)到最佳的沖擊韌性。王銳等[6]將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP加入到磷酸鎂水泥中來測(cè)試水泥的工作性能，并試驗(yàn)了黃麻纖維、長(zhǎng)鋼纖維、玄武巖纖維、微細(xì)鋼纖維加入后對(duì)梁體跨中位移的降低作用，其中玄武巖纖維組的初裂荷載達(dá)到了長(zhǎng)鋼纖維組的106.8%，性能優(yōu)于傳統(tǒng)鋼纖維。劉暢等[7]將玻璃纖維加入磷酸鎂水泥中，發(fā)現(xiàn)水泥的抗折抗壓強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，隨著玻璃纖維量的增加（低于1.2%），抗折強(qiáng)度隨之增加，當(dāng)摻量高于1.2%時(shí)，玻璃纖維對(duì)水泥抗折強(qiáng)度的改善作用減弱。吳洲[8]將碳纖維加入至磷酸鎂水泥，發(fā)現(xiàn)碳纖維對(duì)水泥的早期抗壓強(qiáng)度影響較大，在一定摻量?jī)?nèi)抗壓強(qiáng)度隨碳纖維的增加而增大，而對(duì)后期抗壓強(qiáng)度影響較?。煌瑫r(shí)碳纖維對(duì)磷酸鎂水泥的抗折強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均有較好的改善效果，以6 mm碳纖維效果為最優(yōu)。

2 復(fù)合磷酸鎂水泥性能研究

復(fù)合磷酸鎂水泥的性能主要包括：流動(dòng)性、初凝時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、水化熱、沖擊韌性，如何通過外加摻合料降低水化熱、延長(zhǎng)初凝時(shí)間以及提高強(qiáng)度與韌性是當(dāng)下研究的要點(diǎn)，良好的各項(xiàng)性能有助于滿足不同工況下的使用要求且用部分外部摻合料代替磷酸鎂水泥原材料也能降低成本，為進(jìn)一步推廣使用奠定基礎(chǔ)。

2.1 流動(dòng)性

良好的流動(dòng)性是磷酸鎂水泥用于施工的前提，不滿足流動(dòng)性要求的水泥不僅延緩施工速度，還會(huì)因不夠密實(shí)、內(nèi)部存在不連續(xù)孔洞，影響施工質(zhì)量。

礦物摻合料可以明顯改善磷酸鎂水泥的流動(dòng)度，當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí)的流動(dòng)度達(dá)到165 mm，礦渣摻量為20%時(shí)的流動(dòng)度達(dá)到160 mm，可以滿足施工需求。偏高嶺土的加入讓復(fù)合磷酸鎂水泥的流動(dòng)度有所降低，其原因可能是偏高嶺土顆粒的不規(guī)則形狀導(dǎo)致其不具有類似粉煤灰與硅灰一樣的“滾珠效應(yīng)”。6%硅灰的摻入可以提高5%的流動(dòng)度。適當(dāng)?shù)匿摾w維摻入磷酸鎂水泥中對(duì)流動(dòng)性影響不大，在體積摻量為1.5%時(shí)，流動(dòng)度保持在300 mm左右。

綜上所述，不同的外部摻合料對(duì)磷酸鎂水泥流動(dòng)度影響很大，粉煤灰與硅灰由于其微粒形態(tài)較為規(guī)則在水泥中產(chǎn)生了“滾珠效應(yīng)”，增加了流動(dòng)性。鋼纖維類材料摻量在一定范圍內(nèi)對(duì)流動(dòng)度影響不大，可以保持合適流動(dòng)度?？傮w而言，常見礦物摻合料與纖維摻合料對(duì)磷酸鎂水泥流動(dòng)度均有正向或反向的影響，但大多可將復(fù)合磷酸鹽水泥保持在合適的流動(dòng)度，以便于施工。

2.2 初凝時(shí)間

初凝時(shí)間對(duì)于評(píng)價(jià)膠凝材料具有重要意義，尤其對(duì)于復(fù)合磷酸鎂水泥這種具有快硬性質(zhì)的修補(bǔ)材料，過短的初凝時(shí)間不利于施工操作且可能會(huì)損壞施工工具，過長(zhǎng)的初凝時(shí)間無法滿足緊急修補(bǔ)工程任務(wù)。傳統(tǒng)的磷酸鎂水泥在幾分鐘內(nèi)便可完成初凝，故通過添加摻合料延緩其初凝時(shí)間至一個(gè)合適的區(qū)間內(nèi)便至關(guān)重要。

礦物摻合料的使用降低了磷酸鎂水泥的凝結(jié)時(shí)間，在已經(jīng)加入了復(fù)合緩凝劑的情況下，摻入20%粉煤灰凝結(jié)時(shí)間降低了6%，摻入20%偏高嶺土凝結(jié)時(shí)間降低了16%，但凝結(jié)時(shí)間均＞20 min。隨著礦粉的摻入，磷酸鎂水泥凝結(jié)時(shí)間逐漸縮短，因?yàn)樗嗨^程中放出大量熱加速了體系的凝結(jié)反應(yīng)。硅灰具有很高的火山灰效應(yīng)，因其需水量過大故不宜摻量過大，摻入后對(duì)磷酸鎂水泥漿體的凝結(jié)時(shí)間影響不大。玄武巖纖維和聚丙烯纖維對(duì)磷酸鎂水泥的凝結(jié)時(shí)間影響差不多，PVC纖維對(duì)凝結(jié)時(shí)間降低作用更大，纖維的摻入可以加快凝結(jié)時(shí)間。

綜上所述，粉煤灰、偏高嶺土、礦粉、硅灰及一些纖維摻料均對(duì)凝結(jié)時(shí)間無延長(zhǎng)作用，為了達(dá)到合適的初凝時(shí)間，需要在磷酸鎂水泥中加入硼酸等緩凝劑或探索其他外加摻合料。

2.3 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是表征磷酸鎂水泥性能的重要指標(biāo)，作為修補(bǔ)材料，其至少要具有與原材相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度才能保證修補(bǔ)的有效性與可靠性。

王會(huì)新[9]的研究表明：摻入粉煤灰的磷酸鎂水泥強(qiáng)度在齡期3 d前會(huì)有所降低且摻量越大這種效果越明顯，齡期在3 d后，30%以內(nèi)粉煤灰摻量均會(huì)提高水泥強(qiáng)度，綜合考慮30%的摻量較為合適；而鋼渣作為摻料時(shí)齡期在7 d前后也有類似的效果，20%的鋼渣摻量較為合適。Perera D S等[10]指出磷酸對(duì)偏高嶺土有激發(fā)作用進(jìn)而提高了磷酸鎂水泥強(qiáng)度。劉進(jìn)等[11]指出當(dāng)?shù)V物摻合料取代磷酸鎂水泥中的氧化鎂與磷酸鹽時(shí)，硅灰摻量超過15%后強(qiáng)度增幅變小，礦渣摻量10%以內(nèi)時(shí)強(qiáng)度保持增長(zhǎng)，偏高嶺土摻量為30%時(shí)各齡期強(qiáng)度均增強(qiáng)。劉軍等[12]研究表明：玻璃纖維可以明顯提高磷酸鎂水泥的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，在摻量低于1.2%時(shí)，強(qiáng)度隨著摻量增加而增加；當(dāng)纖維長(zhǎng)度增加時(shí)，抗折強(qiáng)度降低但對(duì)抗壓強(qiáng)度影響比較小，6 mm的纖維更有利于抗折強(qiáng)度的提高。

綜上所述，礦物摻合料與纖維摻合料對(duì)磷酸鎂水泥抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高。粉煤灰和偏高嶺土30%的摻量較為合適，鋼渣20%、硅灰15%、礦渣10%、1.2%玻璃纖維對(duì)強(qiáng)度的提升效果較好。實(shí)際應(yīng)用過程中，不同地區(qū)的粉煤灰、礦渣等摻合料可能因部分成分上的不同而產(chǎn)生不同的效果，需要因地制宜。

2.4 水化熱

磷酸鎂水泥水化過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而放出大量熱造成水泥體積膨脹，冷卻后體積收縮使其內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，對(duì)抗壓強(qiáng)度、耐水性、耐腐蝕性等性能均產(chǎn)生不良影響，故降低磷酸鎂水泥水化熱對(duì)提高水泥性能具有重要意義。呂子龍[1]的研究表明：磷酸鎂水泥中摻入粉煤灰可顯著降低水化熱，摻量越大降低效果越明顯，當(dāng)摻量為20%時(shí)，3 d水化熱從233 J/g降低至165 J/g，水化放熱速率也從最高的233 J/（g·h）降低至196 J/（g·h）。對(duì)于偏高嶺土，在前1 h水化過程中，低摻量偏高嶺土摻量會(huì)增加水化熱，后期水化過程中適量的摻量有助于降低水化熱。

綜上所述，粉煤灰、偏高嶺土等礦物摻合料對(duì)磷酸鎂水泥水化熱有明顯的降低作用，而纖維類摻合料對(duì)水泥水化熱的影響研究較少。

2.5 沖擊韌性

磷酸鎂水泥的沖擊韌性是重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其在工作中顯現(xiàn)出來脆性，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量與工程耐久性。通過外部摻合料來增強(qiáng)磷酸鎂水泥的沖擊韌性進(jìn)而提高耐久性是其大范圍使用的必要條件。馬金松[13]的研究表明：在自然養(yǎng)護(hù)條件下，磷酸鎂水泥的抗折強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，7 d最大抗折強(qiáng)度為18.2 MPa，此時(shí)粉煤灰摻量為45%。石亞文等[14]研究表明：10%和20%偏高嶺土摻量對(duì)抗折強(qiáng)度稍有提高，30%偏高嶺土含量的磷酸鎂水泥抗折強(qiáng)度最高，當(dāng)摻量達(dá)到40%時(shí)，抗折強(qiáng)度出現(xiàn)下降。鋼纖維的摻入對(duì)磷酸鎂水泥的抗沖擊韌性有明顯的提高，鋼纖維的體積摻量為1.2%～1.6%時(shí)，抗沖擊韌性最佳[5]。李薩等[15]指出合適摻量的玻璃纖維、聚乙烯醇纖維 （PVA）等化學(xué)纖維以及稻殼纖維等植物纖維對(duì)磷酸鎂水泥的抗沖擊性能均有不同程度提高。

綜上所述，適量的粉煤灰、偏高嶺土等礦物摻合料對(duì)磷酸鎂水泥的抗折強(qiáng)度與抗沖擊韌性有一定的提高作用，鋼纖維、化學(xué)纖維、植物纖維等對(duì)磷酸鎂水泥的抗沖擊韌性提高作用較礦物摻合料更為明顯，纖維類摻合料明顯更適宜被用來提高抗沖擊韌性。

3 存在的問題

經(jīng)過閱讀文獻(xiàn)及前期調(diào)研，盡管我國(guó)在修補(bǔ)工程中對(duì)復(fù)合磷酸鎂水泥應(yīng)用需求很大，但當(dāng)前對(duì)復(fù)合磷酸鎂水泥摻合料的研究領(lǐng)域尚存在如下不足：復(fù)合磷酸鎂水泥中即使加入摻合料替代部分原材料，價(jià)格相比于普通硅酸鹽水泥依舊偏高，很大程度限制了其發(fā)展；作為緊急修補(bǔ)材料，磷酸鎂水泥由于其快硬早強(qiáng)的特性在救急搶險(xiǎn)方面表現(xiàn)十分出色，但其耐久性是否良好值得深入研究；在實(shí)際修補(bǔ)工程中材料面臨著高溫火燒、水浸泡、沖擊、摩擦、酸堿腐蝕、凍融循環(huán)等各種各樣的工況考驗(yàn)，摻合料對(duì)復(fù)合磷酸鎂水泥物理化學(xué)性能的影響有待繼續(xù)挖掘。

4 結(jié)論與展望

現(xiàn)階段，復(fù)合磷酸鎂水泥摻合料研究單摻較多，對(duì)兩種以上摻合料復(fù)摻的研究較少；在對(duì)抗壓強(qiáng)度考察時(shí)多為7、28 d抗壓強(qiáng)度，鮮有長(zhǎng)期觀測(cè)。對(duì)磷酸鎂水泥混凝土的研究也較少，磷酸鎂水泥造價(jià)問題建議從原材料入手，通過更經(jīng)濟(jì)的方式獲得原材料或?qū)υ牧线M(jìn)行替換。

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