磷酸鎂水泥基材料的改性研究

王會新 郝挺宇 李崇智

(1.北京建筑大學，北京 100044； 2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100191)

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磷酸鎂水泥基材料的改性研究

王會新1郝挺宇2李崇智1

(1.北京建筑大學，北京 100044； 2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100191)

從凝結時間、流動度、抗壓強度等方面，分析了粉煤灰、鋼鐵渣粉和鐵尾礦粉三種摻合料對磷酸鎂水泥(MPC)的影響，指出摻30%粉煤灰的MPC不僅降低了成本，而且有利于改善水泥的各項性能；鋼鐵渣粉能延長MPC的凝結時間，提高其流動度，但是會降低MPC的早期強度；摻10%的鐵尾礦粉會增大MPC稠度，降低流動度，但明顯提升了MPC強度。

磷酸鎂水泥，粉煤灰，鋼鐵渣粉，鐵尾礦粉

0 引言

磷酸鎂水泥(MPC)是一種新型的水泥[1-6]，是由過燒氧化鎂和磷酸或酸式磷酸鹽按照一定比例混合而成，具有凝結時間短，早期強度高的特點。MPC與水反應本質是一種酸堿中和反應，水化產物具有高度結晶結構，因此又被稱為“化學結合磷酸鎂陶瓷”[2]。目前，MPC主要作為道路、橋梁、機場跑道的修補材料[13]使用，但在大體積混凝土工程應用上還存在一些問題：1)凝結時間過短，在不摻加緩凝劑的前提下，MPC的初凝時間只有幾分鐘，不能夠滿足施工要求；2)MPC的成本高，幾乎相當于普通硅酸鹽水泥的2倍～3倍；3)耐水性差，在有水環境下會出現強度倒縮的現象，基于以上幾點，使得MPC一直得不到推廣應用。關于MPC，國內學者一直致力于基礎力學性能研究，在其工程應用性能研究上略有不足，本文在前期研究[7-13]的基礎上，利用粉煤灰、鋼鐵渣粉[14，15]和鐵尾礦粉對MPC進行改性研究，探討了不同摻合料對凝結時間、流動度、抗壓強度、粘結強度和耐水性的影響，以期得到工程應用良好的MPC改性材料。

1 試驗

1.1 原材料

過燒MgO，由菱鎂礦在1 600 ℃煅燒而成，由海城金順鎂業有限公司提供，顏色淺黃，成分見表1；磷酸二氫銨為工業級白色晶體，NH4H2PO4質量分數為98%；硼砂，工業級，作為緩凝劑；粉煤灰、鋼鐵渣粉和鐵尾礦粉由中冶建筑研究總院有限公司提供，性能和成分見表2，表3；標準砂；拌合水采用自來水。

表1 MgO的物理化學性能指標

表2 鋼鐵渣粉性能指標

表3 鐵尾礦粉化學組成

1.2 試驗方案

1)試驗方法。

a.凈漿凝結時間：參照GB/T 1346—2001水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法測定水膠比為0.18的MPC凈漿凝結時間。采用維卡儀測定，從拌合物加水開始計時。由于凝結過快，每隔30 s測一次，臨近初凝時，每隔15 s測一次。考慮到MPC的初、終凝時間間隔很短，試驗中主要測定初凝時間，并作為水泥的凝結時間。

b.凈漿流動度：參照混凝土外加劑技術規范和GB 50119—2003水泥基灌漿材料中的規定進行，其中截錐形圓模的尺寸為：高度(60±0.5)mm；上口徑(70±0.5)mm；下口內徑(100±0.5)mm；下口外徑120 mm，并取消搗棒插搗，取消振動用卡尺測量料漿底面最大擴散直徑及其垂直的直徑,計算平均值,取其整數。

c.膠砂抗壓強度：參照GB 17671—1999水泥膠砂強度測試方法標準，在40 mm×40 mm×160 mm模具中成型試件，將試件置于自然條件下養護，靜置1 h后拆模，測其3 h，1 d，3 d，7 d，28 d的抗壓強度。

2)配合比設計。試驗設計為三種摻合料:B粉煤灰，C鋼鐵渣粉，D鐵尾礦粉摻量分別為0%，10%，20%，30%，40%等量替代MPC制作試件進行測試，硼砂作為緩凝劑，摻量為MgO質量的5%，膠砂比為1∶1，水膠比為0.08。詳細配合比見表4。

表4 MPC砂漿試驗配合比

2 結果與分析

2.1 MPC凈漿流動性試驗

圖1分別給出了粉煤灰、鋼鐵渣粉和鐵尾礦粉不同摻量下對MPC凈漿流動性的影響。由圖1可以看出，摻加粉煤灰和鋼鐵渣粉后，MPC凈漿流動度明顯增大。當不摻加摻合料時，MPC凈漿流動度能達到180 mm，摻加10%的粉煤灰，其凈漿流動增大至200 mm；此后，隨著摻量的增大，提升幅度減小，但是仍呈現出持續上升的狀態。粉煤灰中含有一些細小的玻璃體，能起到滾動軸承的作用，有助于改善MPC漿體的流動性。與此同時，摻加鋼鐵渣粉也能提升MPC漿體流動性，幅度略小于粉煤灰。鋼鐵渣粉摻量為30%時，其凈漿流動度為210 mm，此后，數值趨于平緩。鋼鐵渣粉能夠起到和粉煤灰類似的作用。

由圖1還可以看到，隨著鐵尾礦粉的摻加，MPC凈漿流動度有所下降，摻量為10%時，凈漿流動度為170 mm，之后隨著摻量的增大，流動度也呈現緩慢下降的趨勢。鐵尾礦粉中粉料含量較高，在和相同質量MPC對比的條件下，需水量比大，因此，在同一水膠比的情況下，不利于MPC漿體流動性的發展。

2.2 MPC凈漿凝結時間試驗

表5 粉煤灰、鋼鐵渣粉和鐵尾礦粉改性MPC的凝結時間試驗結果

表5給出了三種摻合料在不同摻量下對MPC凝結時間的影響。粉煤灰和鋼鐵渣粉都能延長MPC的凝結時間，在摻量達到40%時，粉煤灰改性MPC凝結時間為26 min，鋼鐵渣粉改性MPC凝結時間為30 min，都能滿足工程施工需求。粉煤灰和鋼鐵渣粉都不參與MPC水化反應。隨著摻量的增大，導致反應原材料減少，在用水量不變的前提下，凝結時間不斷延長。鐵尾礦粉的摻加，使MPC凝結時間有所下降，是因為鐵尾礦粉需水量比大，吸水性強，在等量替換的情況下，使水泥更容易凝結。

2.3 改性MPC抗壓強度試驗

從表6可以看出，對于MPC抗壓強度，隨著齡期的增長，摻加適量粉煤灰的強度會增大，最大摻量為30%，超過這一摻量后強度開始下降。摻加鐵尾礦粉同樣對MPC的強度增長產生有利影響，且在本實驗摻量范圍內隨著摻量的增大，強度一直在增長。鋼鐵渣粉的摻加不利于MPC強度的增長，隨著摻量的增大，強度有所下降。摻量為30%時，3 d強度達到了20 MPa，28 d強度達到了30 MPa，仍能滿足工程應用。

表6 粉煤灰、鋼鐵渣粉和鐵尾礦粉改性MPC的抗壓強度試驗結果

3 結語

1)摻加粉煤灰能降低MPC成本，提高流動性，延長其凝結硬化時間。在水膠比不變的情況下，摻加粉煤灰還能提高抗壓強度，適宜摻量為30%左右。

2)摻加鋼鐵渣粉能提高MPC的流動性，延長凝結時間，但抗壓強度有所下降。摻量要根據成本和工程需要綜合考慮。

3)摻加鐵尾礦粉會降低MPC的流動性，縮短凝結時間，但有利于強度的增長。在40%的摻量范圍內，強度隨著摻量的增加而增大。

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Study on the modification of Magnesium Phosphate Cement foundation material

Wang Huixin1Hao Tingyu2Li Chongzhi1

(1.BeijingUniversityofBuilding,Beijing100044,China; 2.MCCConstructionResearchInstituteLimitedCompany,Beijing100191,China)

Starting from aspects of setting time,fluidity and compressive strength,the paper analyzes the impact of fly ash,iron tailing powder and steel slag mixture upon Magnesium Phosphate Cement(MPC),and points out that: the MPC with 30% of fly ash mixing not only reduces cost,but also being good for improving cement performance,steel slag can prolong the MPC setting time and improve its fluidity,but will reduce its early strength,mixing 10% of iron tailing powder can greatly increase the MPC consistency,reduce its fluidity,but will obviously improve MPC strength.

Magnesium Phosphate Cement,fly ash,steel slag,iron tailing powder

1009-6825(2016)29-0093-03

2016-08-01

王會新(1990- )，男，在讀碩士； 郝挺宇(1972- )，男，博士，教授級高級工程師； 李崇智(1969- )，男，博士，副教授

TU525

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