快速修補水泥研究現狀

趙曉航

摘 要：結合水泥混凝土路面快速修補的行業特點，總結水泥混凝土路面快速修補的實際應用需求，分析現有的快速修補材料的力學性能、耐久性能等。重點介紹磷酸鎂水泥、氯氧鎂水泥和堿式硫酸鎂水泥的優缺點，綜述了國內外學者在三種快硬水泥性能方面的研究進展，總結這三種快硬水泥存在的問題，并展望未來的應用前景，探討快速修補材料的發展新途徑。

關鍵詞：快速修補 磷酸鎂水泥 氯氧鎂水泥 堿式硫酸鎂水泥 力學性能

一、引言

作為全球應用最廣泛的建筑材料，水泥混凝土在耐久性能方面表現不足需要學者進行深層探索。季凍區的水泥混凝土路面在車輛荷載、環境因素的耦合作用過程中經常出現不同程度的破損，常見的破壞形式為橫向斷裂、板角斷裂、錯臺、填縫料損壞、坑洞、唧泥等，這些病害影響道路的壽命和交通安全。因此路面出現破壞后需要進行快速修補從而恢復道路正常使用，為了盡可能降低路面維修對交通的延誤影響，分別從修補材料、施工工藝等不同的方面進行探索。

目前，水泥混凝土路面的相關修補材料有很多種，但大多都無法滿足實際路用性能。如在繁忙的交通路段，快速修補材料的作用就是能夠快速開放交通，不影響正常的交通運輸。因此，應對以上問題，需要開發早期強度高、養護時間短，而且與舊水泥混凝土的黏結性能好、材料的韌性高、收縮性能和耐磨性能好的水泥混凝土路面快速修補材料。

隨著工業民用技術的快速發展，特種水泥行業涌現出不少佼佼者。普通水泥混凝土養護周期長，對交通影響大。快硬水泥可以很好地解決這一問題。目前主要的快硬水泥有快硬硅酸鹽水泥、高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥、磷酸鎂水泥、堿式硫酸鎂水泥等。其中磷酸鎂水泥和堿式硫酸鎂水泥憑借其出色力學性能和耐久性能得以快速發展。

二、磷酸鎂水泥

磷酸鎂水泥是重燒鎂砂和磷酸二氫鉀在常溫下加水后，經過酸堿中和反應，生成的新型氣硬性膠凝材料。該材料具有快速凝結硬化、體積穩定性好、早期強度高、耐久性能好、黏結性能優異等特點。基于以上優點，磷酸鎂水泥可作為修補材料應用在水泥混凝土路面快速修補領域。

Sugama等對MPC的水化機理和微觀結構等開展研究。Wagh等提出采用KH2PO4代替（NH4）2HPO4制備磷酸鎂鉀水泥，后者在生產過程中會產生氨氣。我國哈爾濱工業大學等高校對MPC的水化機理、性能改善展開研究。磷酸鎂水泥性能主要包括強度、黏結性、工作性等，這些性能與重燒鎂砂顆粒細度、磷鎂（磷酸鹽/氧化鎂）質量比、緩凝劑和摻合料的種類與摻量、水膠比等因素有關。

磷酸鎂水泥的一系列優異性能使其能夠滿足多種特殊條件的使用要求。然而它是一種高脆性材料，磷酸鎂水泥在受到沖擊等外部作用力時表現出延性差、易斷裂，在潮濕環境下耐水性差。未來的發展方向將著眼于通過添加其他材料進行改性，使得磷酸鎂水泥在延展性、柔性得到提升。

三、氯氧鎂水泥

氯氧鎂水泥是由活性較高的氧化鎂與MgCl2溶液發生反應形成的凝膠材料。高活性MgO 的含量，不僅影響反應物種類、水化成型速度以及體積穩定性，而且對基本力學性能的影響也較大。國內外學者們進行了大量的工作研究氯氧鎂水泥的水化機理和產物。

目前，氯氧鎂水泥等相關材料已經廣泛應用在工業、建筑等行業中，但是其仍然存在很多不足，如易開裂、熱膨脹大，其中最主要缺陷就是氯氧鎂水泥的抗水性差的問題。馮超對氯氧鎂水泥水分侵蝕機理及其耐水性進行了深入的研究，通過改善氯氧鎂水泥水化晶體形貌、減少水分傳輸通道以及隔離水分接觸等方法可降低水解反應面積，添加減水劑或緩凝劑可促進水泥水化晶體形貌變化，碳化作用可形成有效保護層包裹水化產物以阻礙水分滲透。

四、堿式硫酸鎂水泥

堿式硫酸鎂水泥是一種以MgO-MgSO4-H2O體系的膠凝材料為基礎，經過添加外加劑改進后，形成以堿式硫酸鎂晶須為主要水化產物的新型鎂質水泥。

吳成友等研究了堿式硫酸鎂水泥的基本性能，結果表明該材料具有快速凝結硬化、早期強度高等優點。對于堿式硫酸鎂水泥，外加劑是核心技術，目前合理的配制及性能研究非常有限，因此對堿式硫酸鎂水泥的配料規律和基本性能探討對其在建筑材料應用的推廣具有重要意義。

目前，堿式硫酸鎂水泥大多應用在建筑保溫材料、輕質混凝土砌塊等裝飾裝修工程，但其在路面修復工程中也具有巨大的應用前景。遼寧海城擁有全國最大的美菱礦儲備，但遠沒有白云石分布廣泛。硫酸鎂的價格很大程度地影響著堿式硫酸鎂水泥的生產成本，積極投身于尋找或開發更為廉價的原料來源，勢必推動堿式硫酸鎂水泥制品的廣泛應用。為了降低生產成本、秉承環保理念，研究使用輕燒白云石與工業廢硫酸制備堿式硫酸鎂水泥的生產工藝還有待進一步研究。

五、綜合評述

綜合來看，磷酸鎂水泥具有快速硬化的優勢，然而屬于脆性材料，容易斷裂，耐水性差。未來的研究重點可致力于改性方面，使得磷酸鎂水泥既可以快速施工、快速恢復構造物正常運營，又可以使修補材料具有足夠的柔韌性，很好地與舊水泥混凝土構造物協同工作。國內外有很多學者和工程技術人員對氯氧鎂水泥進行研究，通過研制各種外加劑、使用填充料、改變水泥生產工藝等方法試圖提高抗水性、解決吸潮返鹵、提高鋼筋防銹能力，并已經取得一系列成果，但是未能在根本上解決氯氧鎂水泥的缺陷問題。堿式硫酸鎂水泥擁有更加全面的綜合性能，然而原料中輕燒氧化鎂的組成成分、α-MgO/MgSO4配比、化學外加劑種類及摻量均對堿式硫酸鎂水泥的性能有重要影響，其中化學外加劑技術是制備堿式硫酸鎂水泥的核心，積極開發新型經濟實用的外加劑，以便最低限度地降低維修養護行為對民眾出行和社會經濟的負面影響，使水泥混凝土基礎設施更好地服務于國民生產。

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