磷酸鎂水泥在高濕度和不同水體下的性能評價

范水軍　王中良　劉凱

（1.蘇州科利源施工技術研究所有限公司　江蘇　蘇州　215004　2.蘇州混凝土水泥制品研究院檢測中心　江蘇　蘇州　215004　3.中國建材檢驗認證集團蘇州有限公司　江蘇　蘇州　215008）

磷酸鎂水泥在高濕度和不同水體下的性能評價

范水軍1王中良2劉凱3

（1.蘇州科利源施工技術研究所有限公司江蘇蘇州2150042.蘇州混凝土水泥制品研究院檢測中心江蘇蘇州2150043.中國建材檢驗認證集團蘇州有限公司江蘇蘇州215008）

磷酸鎂水泥（MPC）是一種新型綠色膠凝材料，兼具化學結合陶瓷和水泥的屬性。本文以重燒MgO、KH2PO4和硼砂為主要原料制備膠凝材料，研究了漿體在5種養護環境下的力學性能和體積穩定性。結果表明，干燥條件（RH=60％）最適宜MPC材料的結構發展；高濕度或水會造成材料力學性能下降，明顯改變脹縮規律，而且酸和堿對材料還具有侵蝕作用。最后，鑒于不同水體對材料宏觀性能的影響，本文對材料的應用提出了進一步的改善措施。

磷酸鎂水泥；養護環境；高濕度；水體；耐久性

磷酸鎂水泥（MPC）是一種新型快硬、早強的膠凝材料，具有粘結強度高、抗鹽凍能力強、耐磨性能優異等一系列優點[1]。早在20世紀70、80年代，歐美發達國家就已將MPC用于土建修補工程中，如道路、橋梁、工業廠房和機場等[2]。

近年來，MPC已經引起國內眾多科研人員的持續關注。楊全兵等人[2]對MPC的水化產物、硼砂的緩凝機理和水化機理進行了研究[3]；姜洪義[4～5]等著重從凝結時間、強度、與舊混凝土的粘結性能、水化動力學等方面探討了其影響因素。丁鑄等人[6]以MgO含量較低的鎂砂和粉煤灰為主要原料成功制備出凝結快、早期強度高的磷硅酸鹽水泥。李鵬曉等人[7]發現M/P比對MPC耐水性有重要影響，并討論了強度倒縮機理。陳兵等人[8]發現MPC具有優異的耐化學侵蝕性能，在浸漬于NaCl和Na2SO4溶液后，材料表面無脫落，28d強度損失率低于10％。

本文將研究5種養護條件下MPC材料的耐久性，其中以干燥條件養護的試樣與另外4組試樣進行對比，以便對材料在高濕度和不同水體下宏觀性能進行評價。

1　實驗

1.1原材料

死燒MgO：濟南魯東耐火材料公司，氧化鎂含量96.8％，比表面積354.5m2/kg；

磷酸二氫鉀：工業級，KH2PO4含量98％，常州市川磷化工有限公司；

硼砂：分析純。

1.2試驗方法

氧化鎂（M）和磷酸二氫鉀（P）按照M：P摩爾比按8：1進行配料，硼砂用量占膠凝材料總摻量的12wt％。另外，水灰比固定為0.09。

研究養護條件對水泥耐久性的影響時，采用兩種不同的評價方法：力學性能和線膨脹率。試件成型后1h脫模，在干燥條件（20±3℃、相對濕度55±5％）下養護3h后轉移至不同的養護環境繼續養護28d，測定1d、3d、7d、28d抗壓強度和1d、3d、7d、14d、28d試件長度。

力學性能實驗參照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB17671-1999），凈漿試樣在2cm×2cm×2cm模具中成型。

線膨脹率為試件養護至規定齡期相對于初始長度的負（收縮）或正（膨脹）變化。采用1cm×1cm×6cm的凈漿試模，成型、養護制度與抗壓強度測試方法相同。試件成型3h后進行首次測量且以此結果為初始長度，尺寸變化率按式（1）進行計算，用百分數表示并精確至0.01％：

式中：L0-為試件成型后在干燥空氣中養護3h的初始長度；Lt-為試件在不同環境下養護至規定齡期時所測得的長度。

2　結果與討論

在不同養護制度下，磷酸鎂水泥基材料會體現不同的力學行為。MPC兼具化學結合陶瓷和氣硬性膠凝材料的屬性[1]。眾所周知，陶瓷與氣硬性膠凝材料在接觸水體時，耐久性能表現大相徑庭。陶瓷耐酸、堿侵蝕性能優異，氣硬性膠凝材料在水侵蝕時結構極易潰散。磷酸鎂水泥性質區別于兩者，其耐久性在不同的環境介質作用下也會有所不同。

采用5種不同養護環境：干燥環境（RH=60％）、潮濕空氣（RH=95％）、水養護、酸性介質（0.02mol/L HCl溶液）和堿性介質（0.02mol/L KOH溶液），對比研究在不同養護條件下MPC凈漿的力學性能和體積穩定性。其中，干燥條件養護的試樣用于實驗對比，以便評價材料的具體性能。

2.1力學性能

圖1為MPC試件在不同養護條件下的抗壓強度發展規律。由圖可知，5種養護制度下MPC凈漿抗壓強度大小順序為：干燥養護>潮濕環境>水養護>堿或酸溶液。在潮濕環境下，MPC試件在水化早期易吸收空氣中水分，這對水化有促進作用，早期強度有所發展，但后期強度略低于干燥環境下的；材料養護于水中時，部分磷酸鹽組分因溶解而流失，早期、后期強度漲幅明顯受到了負面影響；試塊養護于酸性水體時，早期的酸性條件有利于氧化鎂的溶解，28d抗壓強度卻大幅倒縮；堿性條件同樣會引起MPC的強度倒縮。除了早期的力學性能有較大差別之外，0.02mol/L的酸液或堿液均不利于材料結構的穩定發展。

圖1　磷酸鎂水泥試件在不同養護制度下的抗壓強度

2.2體積穩定性

圖2顯示了MPC試件在不同養護條件下的線膨脹率。在干燥養護條件下，MPC試件隨齡期增長呈收縮狀態，收縮值隨齡期逐步增大，但收縮趨勢趨于緩和；在潮濕環境中，試件總體呈微收縮態，在成型前3d內收縮率表現為增大，3d以后收縮值逐步減小。在另外3種養護制度下，MPC凈漿均呈膨脹性。水養護時，MPC呈微膨脹性，膨脹值隨齡期逐步提高；養護于0.02mol/L HCl溶液時，材料同樣呈微膨脹性，膨脹率接近水養護的情況；而在KOH溶液中，材料先微收縮，養護14d以后，材料開始呈微膨脹性，這可能是因為OH-離子的入侵消耗了材料內部的部分H+，MPC水化程度受影響，但隨著齡期的發展，大量磷酸鹽產物吸水腫脹使得材料由為收縮態轉為微膨脹性。

圖2　磷酸鎂水泥試件在不同養護制度下的膨脹率

由此可知，干燥環境是磷酸鎂水泥最適宜的養護條件，潮濕環境和水體性質對MPC的力學性能有負面影響，材料的體積穩定性變差。磷酸鎂水泥具備一定的短期耐酸、堿侵蝕性能，但不宜長期接觸酸或堿等腐蝕介質。

2.3改善措施

文獻顯示[7]，原料配比對MPC耐水性的影響較大，磷酸鹽含量對MPC耐水性影響顯著?？刂屏姿徭V水泥中的磷酸鹽含量是關鍵之一，因此，可以從以下幾方面改善磷酸鎂水泥在高濕度環境和水體中使用性能：

（1）礦渣、粉煤灰等摻合料。摻合料的分散性可以顯著降低材料中磷酸鹽用量，并且摻合料自身能夠參與水化，豐富材料的微觀結構。

（2）有機聚合物。聚合物乳液和膠粉已被廣泛用于生產剛性防水材料，它們可以優化材料孔結構，提高材料的密實度。

（3）柔性防水卷材。改性瀝青防水卷材等可以有效阻斷MPC材料與外界侵蝕介質的接觸作用，且具有優良的界面粘結效果，能夠顯著提高材料的耐水性。

（4）養護制度。成型后，MPC材料在干燥環境下養護時間越長，漿體水化程度越高，越有利于提高材料的抗侵蝕能力。

3　結論

養護條件對磷酸鎂水泥的耐久性有重要影響。干燥環境是磷酸鎂水泥最適宜的養護條件，潮濕空氣或水養護會影響MPC的力學性能發展和體積穩定性；而接觸酸性或堿性水體時，磷酸鎂水泥的強度在7d后即開始倒縮。

[1]劉凱，李東旭.磷酸鎂水泥的研究與應用進展[J].材料導報，2011，25 （7）：97～100.

[2]Jazairi B E.Rapid repair of concrete pavings[J].Concrete，1982，16（9）：12～ 15.

[3]Yang Q，Wu X.Factors influencing properties of phosphate cement-based binder for rapid repair of concrete[J].Cement and Concrete Research，1999，29：389～396.

[4]姜洪義，張聯盟.磷酸鎂水泥的研究[J].武理工大學學報，2001，23（1）：32～34.

[5]姜洪義，周環，楊慧.磷酸鎂水泥水化機理研究[J].武漢理工大學學報，2009，31（9）：25～28.

[6]丁鑄，邢鋒，李宗津.高早強磷硅酸鹽水泥修復性能的研究[J].工業建筑，2008，38（9）：77～81.

[7]李東旭，李鵬曉，馮春花.磷酸鎂水泥耐水性的研究[J].建筑材料學報，2009，12（5）：505～510.

[8]陳兵，雒亞莉，王菁.磷酸鎂水泥性能試驗研究[J].水泥，2010（7）：14～ 18.

TQ172.1

A

1673-0038（2015）27-0143-02

2015-6-21

范水軍（1986-），男，漢族，江蘇蘇州人，助理工程師，大學本科。