摘" " " 要： 磷酸鎂水泥（MPC）具有凝結(jié)速度快，早期強度高，耐磨性高以及黏結(jié)性高等優(yōu)點，使其在機場跑道、高速公路和市政道路的快速修補方面以及有害物質(zhì)的固化等領(lǐng)域很受歡迎。但磷酸鎂水泥水化極快，凝結(jié)時間非常短，導致工程施工無法進行。綜述了磷酸鎂水泥凝結(jié)時間受原材料、緩凝劑、摻合料、配合比等因素影響的新成果。其高脆性的特點限制了它的工程應(yīng)用，對各種MPC基纖維復合材料的研究進展進行了梳理，討論了磷酸鎂水泥的發(fā)展前景。

關(guān)" 鍵" 詞：磷酸鎂水泥； 配合比； 摻合料； 纖維

中圖分類號：TU528" " "文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（20202024）0×4-00000625-0×

在20世紀80年代早期，磷酸鎂膠凝材料開始被發(fā)展，美國等西方一些發(fā)達國家在高速公路、軍事基地、機場等主要設(shè)施的加急搶修。我國對于磷酸鎂的研究時間較晚，直到20世紀90年代末，才陸續(xù)圍繞著磷酸鎂水泥進行研究。磷酸鎂水泥（MPC）因為具有一些硅酸鹽水泥沒有的性能，從研究開始就備受關(guān)注[1-2]。

在磷酸鎂水泥的反應(yīng)原理上，MPC是通過氧化鎂（MgO）和可溶性的磷酸鹽發(fā)生酸堿化學反應(yīng)生成鳥糞石的一種膠凝材料。因此可以類似傳統(tǒng)水泥的方式方便使用，其中就有以粉料形式貯存、加水后具備較好的可塑性等性能。MPC通常被認為是一類水泥，但又不同于傳統(tǒng)水泥，MPC有獨特的水化硬化特性和類陶瓷材料的特點，所以又被稱為化學結(jié)合磷酸鎂陶瓷[3]。

磷酸鎂基水泥（MPC）在包括修復混凝土的元件、放射性廢物的穩(wěn)定化、水處理和生物醫(yī)學使用的各種領(lǐng)域中得到發(fā)展[4]。

現(xiàn)在磷酸鎂水泥在工程應(yīng)用中主要存在以下問題：一是凝結(jié)時間快，不能進行長時間施工，緩凝劑加入后，強度降低；二是前期水化放熱高，讓水泥產(chǎn)生預(yù)壓力導致水泥產(chǎn)生裂縫，影響強度嚴重；三是磷酸鎂水泥的耐水性能比較差，碰水容易使結(jié)構(gòu)密實度降低，強度有所下降；最后是原材料制造成本較高，沒法大范圍使用?，F(xiàn)在，磷酸鎂水泥的研究主要集中在延長凝結(jié)時間、降低前期水化放熱、提高耐水性能以及降低成本[5]。

現(xiàn)在文獻中沒有將MgO和TMP（Mg3（PO4）2）基水泥進行比較，使用Mg3（PO4）2而不是MgO應(yīng)該會有以下優(yōu)點：1）在凝固過程中不釋放氨，這可能會產(chǎn)生難聞的氣味并有利于腐蝕;2）在凝固過程中pH值增加較小，這對于放射性廢物儲存應(yīng)用具有吸引力;3）放熱凝固反應(yīng)少，對避免生物醫(yī)學應(yīng)用中的組織壞死很重要。另一方面，MgO基水泥的凝固機制在文獻中已經(jīng)從實驗和理論的角度進行了充分的研究[6]。

1" 原材料

用于生產(chǎn)磷酸鎂水泥的原材料種類與原材料摻量在一定程度上會對水泥的凝結(jié)時間產(chǎn)生影響，主要通過改變MgO水解速率或磷酸鹽水解速率的方式影響磷酸鎂水泥水化反應(yīng)速率，改變其性能。

楊建明[7]發(fā)現(xiàn)MgO與KH2PO4粒度對MPC硬化體抗壓強度的影響與其對MPC漿體早期水化反應(yīng)速度的影響密切相關(guān)如圖1所示。因此，為了確保磷酸鎂水泥同時擁有可施工性以及早期強度和流動性，應(yīng)合理控制MgO顆粒的粒徑。

MgO 顆粒的比表面積越小，凝結(jié)越慢，它僅可以使MPC 的早期強度提高，后期強度影響的效果小[8]。

除了MgO顆?；钚院土綄α姿徭V水泥性能有影響外，磷酸鹽的種類與摻量也會對水泥的性能產(chǎn)生影響。

李悅[9]等在MPC中摻入磷酸二氫鉀和磷酸氫二鉀混合料，發(fā)現(xiàn)MPC的凝結(jié)時間、抗壓強度。最好的替換比例為50%，凝結(jié)時間就從5min到20min。28d的抗壓強度到45MPa。

賴振宇[8]研究當采用磷酸氫二銨作為原料時， 反應(yīng)過程中將釋出氨氣， 形成微孔， 導致結(jié)構(gòu)疏松， 從而降低了試樣的抗壓強度。 而從標準稠度需水量分析， 采用磷酸氫二銨的需水量也大于磷酸二氫鉀和磷酸二氫銨作為原料時的需水量， 一定程度上也降低了材料的致密度， 降低了強度。

磷酸三鎂同樣是磷酸鎂水泥的原材料之一，但是基本用于生物醫(yī)學。Rita Gelli[6]把不同量的硼砂（相對于TMP重量的2%、5%和10%）摻入，使TMP和DAHP（磷酸氫二銨）反應(yīng)來制備水泥。通過吉爾摩試驗和量熱法研究了固化動力學，結(jié)果表明硼砂具有顯著的緩凝作用，延長了固化時間（最終凝結(jié)時間由B0的15 min延長到B10的85 min），降低了放熱性（B0的最大熱流值為0.15W/g，B10的最大熱流值為0.02W/g）。

2" 緩凝劑

磷酸鎂水泥有兩個問題：一是凝結(jié)時間長，二是水化放熱集中。在磷酸鎂水泥中添加緩凝劑能有效地延長水泥水化硬化的時間。但是水泥強度會受到一定的影響[10]。因為是用于快速修補等用途，所以對磷酸鎂水泥的早期強度會有嚴格的要求。

最近幾年，研究緩凝劑對磷酸鎂水泥早期強度的影響比較多，諸如硼砂和硼酸、蔗糖等是比較常見的緩凝劑。緩凝劑的加入會使磷酸鎂水泥放熱速率和放熱峰降低，降低水化速率，延長凝結(jié)時間[11]。

宋旭艷[11]等研究單摻硼砂和復摻蔗糖和硼砂對磷酸鎂水泥的影響，發(fā)現(xiàn)硼砂能顯著地延長磷酸鎂水泥的凝結(jié)時間，14%左右摻量的硼砂能使凝結(jié)時間延長到40min多。但是隨著硼砂的增加，磷酸鎂水泥的強度損失會增加。硼砂摻量為14%時，3h強度基本沒有。7d強度比沒加緩凝劑總體下降60%。蔗糖和硼砂的復摻會有效降低水化的溫度，延長磷酸鎂水泥的凝結(jié)時間。比只摻入硼砂作為緩凝劑的體系表面狀況得到顯著改善，不再是多孔難看，如圖表1所示。

方博東[12]等人發(fā)現(xiàn)用海藻酸鈉作為緩凝劑會延長磷酸鎂水泥的凝結(jié)時間，在海藻酸鈉摻量為1%凝結(jié)時間最長，達到了35min，同時1d抗壓強度提升比較明顯，效果最好，在水灰比0.25時提升了15.69%左右。但是7d的強度發(fā)生了倒縮。

葉飛[13]將三乙醇胺摻入磷酸鎂水泥中，可延長凝結(jié)時間，但水化產(chǎn)物少，孔隙率增大，抗壓強度降低。復摻三乙醇胺和硼砂，可降低磷酸鎂水泥的水放熱速率和水化放熱量。

羅忠濤[14]將葡萄糖酸鈉（SG）摻入進磷酸鎂水泥中，會加快磷酸鎂水泥的凝結(jié)時間，降低流動度，但是拉伸黏結(jié)強度得到了提高，復摻SG/B可以提高水化產(chǎn)物結(jié)晶度、生成量，改善了MPC的孔徑分布。

楊輝[15]等研究了蔗糖、硼砂、三聚磷酸鈉對磷酸鎂水泥的影響，發(fā)現(xiàn)單摻蔗糖緩凝效果好，但是相比硼砂，蔗糖對流動度和早期強度負面影響大。復摻硼砂和蔗糖比復摻硼砂與三聚磷酸鈉緩凝效果好，樣品各項性能指標滿足JC/T 2537—2019對超早強型產(chǎn)品的要求。

3" 摻合料

磷酸鎂水泥中的摻合料也能影響凝結(jié)時間和流動度、強度等性能，摻入摻合料可能會改變水泥砂漿的pH值，降低原材料的溶解速率；或者摻合料本身活性提高，率先參加反應(yīng)，降低水解速率，延長水泥的凝結(jié)時間，改變水泥的力學性能[16]。

劉進[17]等研究單摻粉煤灰與礦渣粉對磷酸鎂水泥的影響，發(fā)現(xiàn)礦渣粉的緩凝效果、對硬化漿體的孔結(jié)構(gòu)均強于粉煤灰。摻量15%和30%時，粉煤灰和礦渣粉2h的抗壓強度均高于純磷酸鎂水泥，粉煤灰的后期抗壓強度比純磷酸鎂水泥略高或一樣，摻入礦渣粉的水泥明顯高于純磷酸鎂水泥。如圖21所示。

荊齊[18]發(fā)現(xiàn)貝殼粉（OSP）能增加漿體的凝結(jié)時間和流動度。10%摻量的抗壓強度高于對白組，可以有效降低MKPC的收縮。

劉志寧[19]等人將偏高嶺土、粉煤灰單摻，發(fā)現(xiàn)降低了凝結(jié)時間。單摻20%的偏高嶺土對水泥的強度增長明顯，12h達到60.13MPa，此外，偏高嶺土早期強度的提升優(yōu)于粉煤灰。在水化過程中，礦物摻合料能夠填充氣孔，細化微孔結(jié)構(gòu)。

高明[20]發(fā)現(xiàn)微硅粉會降低砂漿的凝結(jié)時間和流動性，顯著降低水化熱峰值，可以提高砂漿的早期強度，5%抗壓抗折均為最大值。微硅粉的摻入提高了耐水性能。會與氧化鎂生成MgSO3，填充孔隙，優(yōu)化砂漿性能。

吳發(fā)紅[21]發(fā)現(xiàn)鋼渣粉和粉煤灰會減少鹽凍循環(huán)的強度損失、質(zhì)量損失，線膨脹率小于純MKPC試件，能夠減少硬化體的吸水率，提高密實度。在水凍循環(huán)中粉煤灰有利于強度發(fā)展，而礦渣粉沒有明顯的作用。

4" 纖維

無機類材料天然具有抗壓強度高、抗拉強度低的典型特點，作為路面修補材料，對于受彎強度有較高的要求，因此，在材料中摻加高彈模纖維是提高抗折強度的常用方式。部分學者進行了在磷酸鎂水泥砂漿中摻加纖維的相關(guān)研究。

李曉[22]將聚乙烯醇纖維和玄武巖纖維、聚丙烯纖維摻入磷酸鎂水泥，發(fā)現(xiàn)加入纖維會加快凝結(jié)時間。玄武巖纖維體積摻量為0.88%，提高力學性能效果最好。玄武巖纖維和聚乙烯醇纖維對MPC黏結(jié)性能有利。

李磊[23]發(fā)現(xiàn)在MPC中摻入體積摻量為 1.6%的鋼纖維，抗壓強度最大，摻入體積摻量為1.2%時，折壓比達到最大。體積摻量在1.2%～1.6%的鋼纖維，MPCRM的抗沖擊韌性最好。如表2所示。P··O42.5水泥;42.5級快凝快硬硫鋁酸鹽水泥（SAC）。如圖3表2所示。

劉學敏[24]等人研究玄武巖對磷酸鎂水泥的影響，發(fā)現(xiàn)摻量在2kg/m3以內(nèi)的短切玄武巖纖維可以有效提高MPCRM的抗壓強度，但是早期抗壓強度沒有明顯的提升。在摻量為3～5.5 kg/m3時，抗折強度比較好。摻量為5～6 kg/m3時，拉伸黏結(jié)強度提升效果好。通過縱波波速來測磷酸鎂水泥抗壓強度，可以無損檢測修補砂漿。

劉學敏[24]等人研究玄武巖對磷酸鎂水泥的影響，發(fā)現(xiàn)摻量在2kg/m3以內(nèi)的短切玄武巖纖維可以有效提高MPCRM的抗壓強度，但是早期抗壓強度沒有明顯的提升。在摻量為3～5.5 kg/m3時，抗折強度比較好。摻量為5～6 kg/m3時，拉伸黏結(jié)強度提升效果好。通過縱波波速來測磷酸鎂水泥抗壓強度，可以無損檢測修補砂漿。

劉軍[25]使用硅烷偶聯(lián)劑預(yù)處理玻璃纖維，發(fā)現(xiàn)可以提高水泥的抗折強度和抗壓強度，摻量在1.2%以內(nèi)能不斷增強抗折強度，纖維長度為6mm對抗壓強度的提升有利，對抗壓強度影響小。短纖維對水泥的水化更加有利，有利于水化產(chǎn)物的生成和后期強度的發(fā)展。表面處理的纖維可以更好地與水泥膠結(jié)。

趙鵬輝[26]等發(fā)現(xiàn)在水膠比固定的情況下玄武巖纖維的加入會降低砂漿流動度，但是可以增強抗壓、抗折強度（最佳摻量3.5 kg/m3），在固定流動度而增大水膠比的情況下，MPC砂漿的抗折強度、 抗壓強度和折壓比整體呈下降趨勢。

5" 配合比

改善MPC力學性能的主要方法有兩種：一種是優(yōu)選原材料和優(yōu)化配比。另一種是添加改性材料。

Lee[27]發(fā)現(xiàn)MKPC砂漿的流動性隨著最佳摩爾比（Mmp）的增加而增加，直到7.9，MKPC漿體的黏度隨Mmp的增加和W/B的減小而增大。28d抗壓強度隨Mmp值的增加而降低。

Qin[28]發(fā)現(xiàn)在高M/P下，使用低W/C（例如0.16）幾乎確保KH2PO4完全轉(zhuǎn)化成K-β鳥糞石。在中等M/P下，低于W/Cmin的低W/C有利于K-β鳥糞石和典型的凝膠-β狀形態(tài)和非β化學計量組成的非晶相共存。W/C越高，非晶相越少，K-鳥糞石越多。然而，對于每個M/P，W/C高于W/Cmin的任何增加不再增加K-鳥糞石含量，但允許晶體生長更大且不太致密?？紤]到在微觀和宏觀層面上發(fā)現(xiàn)的閾值效應(yīng)，使用中等M/P和相應(yīng)的W/Cmin是MKPC漿料在凝固行為、尺寸穩(wěn)定性和機械強度以及耐久性相關(guān)性質(zhì)方面的最佳設(shè)計的優(yōu)選值。

Jin-Bao Wen[29]發(fā)現(xiàn)鎂磷比對抗壓強度和結(jié)合強度的影響一致，隨著鎂磷比的增加，強度出現(xiàn)先增大后減小的效果，最佳鎂磷比為3∶1。對于凝固時間和干燥收縮率，鎂磷比的影響都基本相似。隨著鎂磷比的增大，磷酸鎂水泥的凝結(jié)時間、干燥收縮率降低。

6" 結(jié) 論

MPC早期強度高，耐磨性好，生物活性好。在生物醫(yī)學，固化廢棄物，修補道路等方面都存在潛力的市場。通過以上文獻綜述、分析，得到一以下下結(jié)論：

（1）MPC的性能與原材料的種類和比例有關(guān)。使用合適的粒徑，確保MPC的流動度和凝結(jié)時間，保證施工的進行。使用合適的配比，增強MPC的力學性能和耐水性等性能。

（2）摻合料的自身活性，形狀大小和微集料效應(yīng)影響磷酸鹽水泥的各項性能，并且具有改善強度、降低成本的優(yōu)勢。通過添加粉煤灰、偏高嶺土等礦物摻合料來改善MPC的凝結(jié)時間、水化熱和水化速率、流動度、抗壓強度等性能，添加不同纖維來提高MPC的抗拉強度、抗沖擊韌性、抗折強度等。

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Research Progress of Magnesium Phosphate Cement

HUANG Hao， YANG Yuanquan

（Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110158，China）

Abstract：" Magnesium phosphate cement （MPC） has the advantages of fast setting speed， high early strength， high wear resistance and high adhesion， making it popular in the rapid repair of airport runways， highways and municipal roads， as well as the curing of harmful substances. However， the hydration of magnesium phosphate cement is very fast and the setting time is very short， which makes the engineering construction impossible. The new results of magnesium phosphate cement setting time affected by raw materials， retarder， admixture， mix ratio and other factors were reviewed. Its high brittleness limits its engineering application， and the research progress of various MPC matrix fiber composites was sorted out， and the development prospect of magnesium phosphate cement was discussed.

Key words： Magnesium phosphate cement; Mixing ratio; Admixtures; Fibre