磷酸鎂水泥制備及性能研究

安宇坤，劉愛平，劉剛，賈援

1 引言

磷酸鎂水泥（MPC）是以磷酸鹽、重燒氧化鎂、緩凝劑為主要原料，其他礦物摻合料為輔料組成的一種新型膠凝材料[1,2]。磷酸鎂水泥水化過程基于酸堿中和反應凝結硬化，其反應速率快、早期強度高，且具有粘結能力強、耐磨性高、耐腐蝕性優異等特點，在建筑材料快速修補、3D打印、醫學等領域具有廣闊的應用前景[3]。

本研究以凈漿流動度、凝結時間、抗壓強度為指標，探究了磷酸鎂水泥水膠比、氧化鎂與磷酸鹽摩爾比（M/P）、硼砂及粉煤灰摻量對磷酸鎂水泥性能的影響。結合X射線衍射儀（XRD）與掃描電子顯微鏡（SEM）對試驗結果進行了分析，為今后磷酸鎂水泥市場應用提供依據。

圖1 不同M/P值下水膠比對磷酸鎂水泥強度的影響

2 試驗

2.1 試驗原料

試驗原材料包括：磷酸二氫鉀、氧化鎂、硼砂（均為分析純）、標準砂、粉煤灰，粉煤灰化學成分見表1。

2.2 凈漿試驗

凈漿配合比設計是磷酸鎂水泥研究的基礎。本項試驗以磷酸鎂水泥凈漿的抗壓強度為指標，分析水膠比、M/P值、粉煤灰和硼砂對磷酸鎂水泥凈漿性能的影響。

2.2.1 水膠比對磷酸鎂水泥凈漿強度的影響

本試驗所用的氧化鎂是分析純試劑，為白色細微粉末，活性較高，其需水量與重燒鎂砂有較大區別。當水膠比為0.30及以下時，形成的凈漿十分粘稠，工作性極差；增加用水量，將水膠比調至0.32后，形成的凈漿微稠，具備試驗條件。以水膠比為0.32、0.34、0.36和0.38依次試驗，試驗結果見圖1。

由圖1可知，磷酸鎂水泥和普通硅酸鹽水泥一樣，在一定范圍內隨著水膠比的增加，其抗壓強度降低；在最佳M/P值（3/1）條件下，水膠比為0.32時的抗壓強度卻明顯低于水膠比為0.34時的抗壓強度，這是由于水膠比為0.32時其凈漿流動度差，在相同振實條件下，試件成型后存在孔隙等嚴重缺陷，因此其強度較低；在高M/P值情況下，由于原料中氧化鎂粉末含量增加，膠凝系統需水量增加，使水泥水膠比0.36時的強度略高。

2.2.2 M/P值對磷酸鎂水泥凈漿強度的影響

水膠比分別為0.32、0.34、0.36和0.38時，不同M/P比值的磷酸鎂水泥凈漿的3h、1d、3d、7d、28d抗壓強度曲線見圖2。

由圖2可見，隨著氧化鎂含量的增加，磷酸鎂水泥各齡期的凈漿強度表現出先增強后降低趨勢，在M/P=3：1時磷酸鎂水泥強度最佳，且早期強度較高，后期強度持續增長，水膠比0.34時最大，達到50.2MPa；另外，試驗結果表明，M/P值越大，磷酸鎂水泥水化反應速率越快，稠度越大，凝結時間越短，工作性越差。

2.2.3 緩凝劑硼砂對磷酸鎂水泥凈漿的影響

在最佳水膠比（0.34）與M/P值（3/1）條件下，研究了硼砂摻量對磷酸鎂水泥凝結時間與抗壓強度的影響，試驗結果見表2。

試驗表明，磷酸鎂水泥的凝結時間隨著硼砂摻量的增加而顯著延長，原因是硼砂的加入使體系pH升高、溫度降低并在MgO顆粒表面反應生成硼酸鎂絡合物，延緩了MgO溶解，降低了水化劇烈程度[4]；凈漿強度隨硼砂摻量的增加，先增大后減小，硼砂摻量10%時強度優勢明顯。

2.2.4 粉煤灰改性磷酸鎂水泥凈漿研究

圖2 不同水膠比下M/P值對磷酸鎂水泥強度的影響

表2 磷酸鎂水泥凝結時間與抗壓強度結果

根據上述試驗，選擇M/P值3/1，水膠比0.34，硼砂摻量10%的配比進行粉煤灰改性磷酸鎂水泥試驗，粉煤灰摻量與試樣強度見圖3。

圖3 不同摻量粉煤灰的磷酸鎂水泥凈漿抗壓強度

由圖3可見，粉煤灰改性磷酸鎂水泥3h與1d的凈漿強度隨粉煤灰的增加而降低；3d后粉煤灰摻量40%以下的試樣強度增加，超過空白試樣，隨粉煤灰摻量增加而增加，粉煤灰摻量50%時強度顯著降低。

圖4 磷酸鎂水泥水化后XRD測試結果

對空白試樣和摻40%粉煤灰的試樣進行XRD與SEM測試，測試結果見圖4～6。

由圖4a與圖5可見，未摻加粉煤灰的磷酸鎂水泥水化后，產生大量緊密連接的棒狀晶體，該晶體為其水化產物MgKPO4·6H2O（MKP），其相互搭接在一起形成網狀結構，覆蓋在未水化的MgO顆粒表面，在化合鍵與氫鍵的作用下，其結構越來越致密，產生強度[5]。

由圖4b與圖6可見，摻粉煤灰后的磷酸鎂水泥水化后，MKP的結晶度變差，未參與反應的粉煤灰顆粒起到微集料效應，填充在水化產物的空隙中，使結構更加致密，所以摻加粉煤灰后的磷酸鎂水泥28d強度更高。

3 結語

（1）在滿足磷酸鎂水泥工作性的前提下，適當降低水膠比，有利于強度的提高。

（2）在相同M/P值下，磷酸鎂水泥的強度隨齡期增加而增大，3d和7d的抗壓強度增長迅速，這是因為磷酸鎂水泥早期水化反應速度快，在28d內強度呈持續增長趨勢。

圖5 粉煤灰摻量為0%的凈漿試件SEM圖

圖6 粉煤灰摻量為40%的凈漿SEM圖

（3）M/P值越大，磷酸鎂水泥凝結速率越快，凝結時間越短，摻加緩凝劑可以顯著延長凝結時間。

（4）摻加粉煤灰會降低磷酸鎂水泥前期強度，粉煤灰摻量為40%時，磷酸鎂水泥的性能最佳，可略微提高其后期強度。