纖維對磷酸鎂水泥性能的影響試驗研究

姜自超，齊召慶

（后勤工程學院 化學與材料工程系，重慶 401311）

纖維對磷酸鎂水泥性能的影響試驗研究

姜自超，齊召慶

（后勤工程學院 化學與材料工程系，重慶 401311）

研究了摻入 0.5%～2.0%（體積分數，下同）聚丙烯纖維、玻璃纖維、微鋼纖維對磷酸鎂水泥流動度、凝結時間、抗折強度、抗壓強度和耐磨性影響。結果表明：三種纖維均使磷酸鎂水泥流動度減小，凝結時間縮短；聚丙烯纖維會使磷酸鎂水泥的抗折強度、抗壓強度和耐磨性均出現降低；玻璃纖維和微鋼纖維可以增強磷酸鎂水泥的抗折強度、抗壓強度和耐磨性，其中以抗折強度的提高最為明顯。三種纖維均不參與水化反應，對磷酸鎂水泥性能的影響取決于物理作用。

磷酸鎂水泥；纖維；性能影響

磷 酸 鎂 水 泥 （ Magnesiumphosphate Cement, MPC）是由氧化鎂、磷酸鹽和緩凝劑等按一定比例混合，加水后通過酸堿中和反應得到的高度結晶的材料，與普通的硅酸鹽水泥相比，它具有凝結硬化速度快、早期強度高、干燥收縮小、抗凍性能強等優點[1-4]。廣泛應用于民用建筑和軍事工程的搶修、放射性元素固化等領域[5-7]。

纖維的摻入能夠有效的改善磷酸鎂水泥的性能，丁鑄[8]研究發現，聚乙烯醇纖維和玻璃纖維能夠有效提高磷酸鎂水泥基材料的韌性。蘇柳銘[9]研究發現，摻入微鋼纖維可以顯著提升磷酸鎂水泥砂漿的抗折性能和抗沖擊性能。李悅等[10]研究發現，聚丙烯腈纖維會使磷酸鎂水泥漿體流動度減小，并可以提高磷酸鎂水泥抗折強度。課題組之前研究了平直型鋼纖維對磷酸銨鎂水泥砂漿耐磨性的影響[11]，試驗結果表明，鋼纖維可顯著提高材料的抗磨性能，摻入 1%鋼纖維，砂漿的磨損量可降低 50%以上。

本文采用重燒氧化鎂和磷酸二氫鉀為主要原料，研究不同摻量聚丙烯纖維、玻璃纖維、微鋼纖維對磷酸鎂水泥流動度、凝結時間、抗折強度、抗壓強度和耐磨性的影響，并分析了產生影響的原因，為磷酸鎂水泥的應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 原材料

重燒氧化鎂，MgO 含量 88.18%，比表面積為2 275 cm2/g，其化學成分如表 1所示。磷酸二氫鉀，化學式為 KH2PO4，工業級，純度≥99%，白色晶體。硼砂，化學式為 Na2B4O7·10H2O，白色晶體，工業級，含量≥95%。聚丙烯纖維（polypropylene fiber，PF）、玻璃纖維（glass fiber，GF）、微鋼纖維（micro steel fiber，SF）外觀及基本性能見表 2。

表1 重燒氧化鎂的化學成分Table 1Chemical compositions of dead-burned magnesia

表 2 三種纖維的基本性能Table 2 Basicproperties of three kinds fibers

1.2 試驗方法

制備試件時過燒氧化鎂和磷酸二氫鉀的質量比（M/P）為 4/1，水膠比為 0.12，硼砂摻量為氧化鎂質量的 8%，并加入一定量纖維，試件澆筑成型 1h后脫模，置于溫度(25±5)℃、相對濕度(65±5)%環境下養護至相應齡期。測試其抗折、抗壓強度以及耐磨性。

參照 GB/T2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》測定流動度；凝結時間參照 GB/T1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》，使用維卡儀測定，由于磷酸鎂水泥硬化速度快，使用初凝時間來表示其凝結時間；抗折、抗壓強度的測定參照 GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》測定，試件尺寸為 40 mm×40 mm×160 mm，試件齡期為 1、3、7 和 28 d；耐磨性能的測定采用 TMS-04 型水泥膠砂耐磨性試驗機，參照JC421-2004《水泥膠砂耐磨性試驗方法》，試件尺寸為 150 mm×150 mm×30 mm，試件齡期分別為 1、3、7 和 28 d，耐磨試驗時，先將試件在 200 N 負荷下預磨 30 轉，取下試件掃盡粉粒稱重，質量記為 g1，再將試件在 200 N 負荷下磨 40 轉，取下試件掃盡粉粒稱重，質量記為 g2。單位面積上的磨損量（kg/m2）：

G=（g1-g2）/0.0125

其中 g1、g2單位為 kg，0.0125 為磨損面積，單位為 m2。采用日本理學 6100 型 X 射線衍射儀進行物相分析，工作電壓 35 kV，工作電流 60 mA，步寬 0.02°；采用 QUANTA FEG250 型掃描電子顯微鏡進行微觀形貌分析。

2 試驗結果與討論

2.1 纖維對MPC流動度及凝結時間的影響

纖維的加入會對磷酸鎂水泥的工作性能產生影響，掌握影響規律對實際應用具有指導意義。圖 1（a）、（b）分別為三種纖維對磷酸鎂水泥流動度和凝結時間的影響。

三種纖維對磷酸鎂水泥工作性能的影響如圖 1所示，由圖 1（a）可以看出，摻入纖維減小了磷酸鎂水泥凈漿的流動度，聚丙烯纖維對流動度的影響最明顯，摻入 2%后流動度下降了 37.5%。從圖 1（b）可知，三種纖維的摻入都會縮短磷酸鎂水泥的凝結時間，但縮短程度不大，對凝結時間的影響最大的聚丙烯纖維摻量為 2%時，相較于空白樣凝結時間僅縮短了 9.7%。

圖1 三種纖維對磷酸鎂水泥工作性能的影響Fig.1Influence of three kinds of fiber on the workability of MPC

2.2 纖維對MPC抗折強度的影響

圖 2（a）、（b）、（c）分別為三種纖維對磷酸鎂水泥抗折強度的影響。

圖2 三種纖維對磷酸鎂水泥抗折強度的影響Fig.2 Influence of three kinds of fiber on the flexural strength of MPC

從圖 2（a）中可以發現，摻入聚丙烯纖維對磷酸鎂水泥的抗折強度有負面影響，摻加了聚丙烯纖維的試樣抗折強度均低于相同齡期的空白樣，而且摻入聚丙烯纖維越多，抗折強度下降幅度越大；從圖 2（b）中可以發現，摻入玻璃纖維可以提高磷酸鎂水泥的抗折強度，當纖維摻量約為 1.5%時，對抗折強度的提升作用最為明顯；由圖 2（c）可知，微鋼纖維也可以提高磷酸鎂水泥的抗折強度，當微鋼纖維摻量為 0.5%時，試樣抗折強度和空白樣相差不大，隨著微鋼纖維摻量繼續增大，試樣抗折強度明顯提升，28 d 時，纖維摻量 2%試樣的抗折強度比空白樣高 59%。

2.3 纖維對磷酸鎂水泥抗壓強度的影響

圖 3（a）、（b）、（c）分別為三種纖維對磷酸鎂水泥抗壓強度的影響。

圖3 三種纖維對磷酸鎂水泥抗壓強度的影響Fig.3 Influence of three kinds of fiber on the compressive strength of MPC

從圖（a）中可以發現，與抗折強度類似，摻入聚丙烯纖維試樣抗壓強度會降低，且摻量越大，抗壓強度越低；從圖（b）中可以發現，摻入玻璃纖維可以提高試樣的抗壓強度，在本試驗選取的摻量中，摻量為 1%時試樣的抗壓強度較好；從圖（c）中可以發現，微鋼纖維對試樣的抗壓強度有明顯的提升作用，提升幅度與纖維摻量呈正相關。

2.4 纖維對磷酸鎂水泥耐磨性能的影響

圖 4（a）、（b）、（c）分別為聚丙烯纖維、玻璃纖維、微鋼纖維對磷酸鎂水泥耐磨性的影響規律。

圖4 聚丙烯纖維、玻璃纖維、微鋼纖維對耐磨性的影響Fig.4 Influence ofpF、GF and SF on the abrasion resistance

由圖 4（a）可以發現，磷酸鎂水泥的耐磨性隨著養護齡期的延長而增強，以空白樣為例，其 3、7、28 d 的磨損量分別為 1d 磨損量的 56.1%、28.7%、21.1%，聚丙烯纖維的摻入對耐磨性有負面影響，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，磷酸鎂水泥磨損量上升幅度增大，在 28 d 時摻量為 2%試件的磨損量達到空白樣的 189%；從圖 4（b）中可以發現，隨著玻璃纖維摻入量的增加，磷酸鎂水泥的耐磨性呈現先上升后減小的趨勢，在本試驗采用的配比中，當玻璃纖維摻量為 1%時磷酸鎂水泥的耐磨性最好；從圖 4（c）中可以發現，摻入微鋼纖維后磷酸鎂水泥的耐磨性有明顯提高且隨著摻量的提高水泥石的耐磨性也隨之增強。

2.5 物相及微觀形貌分析

對不同齡期的未摻纖維試樣進行 XRD 分析，結果如圖5所示。

從圖5中可以看到，磷酸鎂水泥的物相組成主要是氧化鎂和水化產物六水磷酸鉀鎂（MgKPO4·6H2O，MKP），隨著齡期的增長，水化產物 MKP的峰在增強，說明磷酸鎂水泥凝結硬化之后 MKP 的結晶會繼續發展。磷酸鎂水泥與水拌合后，磷酸二氫鉀迅速溶入水中形成弱酸性溶液，重燒氧化鎂溶解于弱酸性溶液中產生 Mg2+，Mg2+與水分子形成[Mg(H2O)6]2+，[Mg(H2O)6]2+與 H2PO4-、PO43-、HPO42-和 K+發生反應，形成水化產物，這一過程可用以下反應（Ⅰ）描述[8,12]：

MgO + KH2PO4+ 5H2O → MgKPO4·6H2O （Ⅰ）聚丙烯纖維、玻璃纖維、微鋼纖維均不會與參與反應。

圖5 不同齡期磷酸鎂水泥的X射線衍射圖譜Fig.5 XRDpatterns of MPC at different ages

圖 6（a）、（b）為摻加了聚丙烯纖維的磷酸鎂水泥的微觀形貌。

圖6 摻入聚丙烯纖維的磷酸鎂水泥的微觀形貌Fig.6 Microstructure of MPC withpF

由上文可知，聚丙烯纖維對磷酸鎂水泥的抗折強度、抗壓強度、耐磨性均會會產生負面影響。聚丙烯纖維的強度較低，在外力作用下易變形、斷裂，如圖 6（a）中箭頭處所指的聚丙烯纖維已經翹曲變形，而且聚丙烯纖維是一種疏水性材料，與磷酸鎂水泥的結合性較差，如圖 6（b）所示其表面光滑，并未有水泥附著。

圖 7（a）、（b）為摻加了玻璃纖維的磷酸鎂水泥的微觀形貌。

圖7 摻入玻璃纖維的磷酸鎂水泥的微觀形貌Fig.7 Microstructure of MPC with GF

玻璃纖維的直徑是三種纖維最小的，在相同體積摻量的情況下，玻璃纖維的根數最多，在理想情況下，摻 1%玻璃纖維的 1cm3試塊中均勻分布著2.8×105根玻璃纖維，從圖 7 中也可以看出水泥石中玻璃纖維間距較小。能將細小塊體的水泥石連接在一起，在外力作用下能夠阻擋微裂紋的產生和發展，并能吸收和耗散能量，提高磷酸鎂水泥的宏觀力學性能，但隨著玻璃纖維摻量的增加，會使水泥漿體流動度減小，漿體內的氣體不易浮出，造成水泥石密實度下降，此外纖維間的纏繞層疊現象也會增加，這些因素對水泥石的力學性能造成負面影響。

圖8為微鋼纖維在磷酸鎂水泥中的分布情況。

圖8 微鋼纖維在磷酸鎂水泥中的分布情況Fig.8 Distribution of SF in MPC

從圖8可以看到，微鋼纖維與磷酸鎂水泥結合緊密，且呈亂向分布。微鋼纖維抗拉強度較高，能傳遞和分散應力并控制裂縫，適量摻加可以提高磷酸鎂水泥的力學性能。

3 結 論

（1）聚丙烯纖維、玻璃纖維、微鋼纖維都會減小磷酸鎂水泥漿體的流動度、縮短凝結時間，且摻量越大趨勢越明顯。

（2）摻入聚丙烯纖維會使磷酸鎂水泥的抗折強度、抗壓強度和耐磨性均出現降低。

（3）玻璃纖維的摻入可以增強磷酸鎂水泥的抗折強度、抗壓強度和耐磨性，摻量為 1.5%時抗折強度提高幅度最大，摻量為 1.0%時抗壓強度和耐磨性較好。

（4）摻入微鋼纖維可以提升磷酸鎂水泥的抗折強度、抗壓強度和耐磨性，其中以抗折強度的提高幅度最大。

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Experimental Study on Effect of Fiber on theperformance of Magnesiumphosphate Cement (MPC)

JIANG Zi-chao, QI Zhao-qing
（Department of chemical and materials engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311，China）

The influence of adding 0.5%～2.0%(V)polypropylene fibers, glass fibers and micro steel fibers on the fluidity, setting time, flexural strength, compressive strength and wear resistance of magnesiumphosphate cement（MPC） were studied. The results show that the adding of three kinds of fibers can decrease the fluidity and shorten the setting time. Thepolypropylene fiber has negative effect on the flexural strength, compressive strength and wear resistance of MPC. The flexural strength, compressive strength and wear resistance of MPC can be enhanced by adding glass fibers or micro steel fibers, especially flexural strength. Three kinds of fibers are not involved in the hydration reaction, but thephysical action affects theperformance of MPC.

Magnesiumphosphate cement; Fiber; Influence mechanism

TU528

： A

： 1671-0460（2017）02-0215-04

重慶市自然科學基金項目，項目號：cstc2012jjB50009。

2016-09-07

姜自超（1990-），男，山東臨沂人，在讀碩士，研究方向： 磷酸鎂水泥膠凝材料研究。E-mail：614327919@qq.com。