磷酸鎂水泥裂縫修補(bǔ)漿料的制備和性能評價(jià)

李智慧

鹽城市市政設(shè)施管理處 江蘇 鹽城 224002

1 引言

磷酸鎂水泥(MPC)同時(shí)具有水泥和化學(xué)結(jié)合陶瓷的屬性，由于其與混凝土的相容性好、粘結(jié)性能好、體積穩(wěn)定性強(qiáng)、耐久性好以及綠色無污染，特別適合用于混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的修補(bǔ)[1-4]。目前，對于MPC基材料在混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)加固的應(yīng)用研究[1-4]，主要側(cè)重于修補(bǔ)后混凝土構(gòu)件的性能評價(jià)。作為混凝土狹窄裂縫的修補(bǔ)材料，修補(bǔ)漿體的工作性能需滿足施工要求，即漿體需有足夠的流動性，以便順利的流淌至裂縫深處，且漿體需具有自密實(shí)能力，便于澆注成型。由于新拌MPC體系呈酸性且水灰比低，適用于硅酸鹽水泥漿體的減水增塑劑對MPC基材料漿體流動性改善效果不明顯，需采用其它改善措施。MPC漿體的流動性很大程度上取決于氧化鎂的品質(zhì)及細(xì)度、鎂磷比和水膠比[5]。汪宏濤的研究[6]證實(shí)粉煤灰對MAPC有良好的減水增塑作用，據(jù)此研究成果配置了一種復(fù)合減水劑，能顯著增加MAPC砂漿的流動度并提高強(qiáng)度；林瑋[7]的研究也證實(shí)40%摻量的粉煤灰能大幅提高M(jìn)PC漿體流動性并有效改善粘聚性和保水性。本文擬配置高流動性且有自密實(shí)功能的MPC漿體，并測試其工作性和硬化體的基本物理力學(xué)性能，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)提供一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)過程

2.1 原材料

死燒氧化鎂粉（MgO）的比表面積為216m2·kg-1，其中的MgO含量為92.6%，由激光粒度儀測得粉體的平均粒徑為60.06μm；粉煤灰（FA）為二級灰，激光粒度儀測得其平均粒徑為45.12μm。磷酸二氫鉀為工業(yè)級，主粒度為245μm~350μm；復(fù)合緩凝劑（CR）由分析級硼砂和十二水合磷酸二氫鈉等按適當(dāng)比例在實(shí)驗(yàn)室制得；水玻璃的波美度為39.2-40.2，模數(shù)為3.2-3.4。

2.2 MPC漿體和試件制備

磷酸鉀鎂水泥（MPC）漿體的配合比見表1，由MgO、KH2PO4、CR、水玻璃和粉煤灰（FA）組成。其中M0為參考樣，M1添加了水玻璃，M2、M3和M4為M1漿體中10%、20%、30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的FA等量替代MgO粉。

在25℃室溫下，將稱量好的KH2PO4、復(fù)合緩凝劑和MgO粉、FA倒入水泥膠砂攪拌鍋中，加入含水玻璃的水（已將水玻璃與水混合），按一定的攪拌制度攪拌漿體使達(dá)到拌合均勻。將拌制好的漿體澆注到相應(yīng)的試模（40mm×40mm×160mm )，其中部分試模中已放置了齡期超過28d的普通硅酸鹽水泥砂漿棱柱體試件（40mm×40mm×80mm，28d抗壓強(qiáng)度34.2MPa）。震動密實(shí)，刮去多余漿體并用保鮮膜覆蓋。水化5h后拆模，置于溫度20℃±2℃，濕度60%±5%的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 MPC漿體工作性測試

本研究參考?xì)W州自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范EFNARC[8]推薦的自密實(shí)砂漿工作性測試方法，選擇φ60/φ100 mm×70mm的截錐圓模測試漿體的擴(kuò)展度和圖1所示的V-型漏斗測試漿體的流出時(shí)間，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果綜合評價(jià)MPC漿體的工作性（流動性和粘聚性）。控制環(huán)境溫度為25℃，MPC漿體的制備方法與成型試件的漿體制備方法相同。將新拌MPC漿體（控制加堿組份后6 min）一次性倒入截錐圓模中，倒?jié)M后排除漿體中的氣泡并抹平表面，立刻垂直提起截錐圓模，使?jié){體自由流動，待漿體在平面上停止流動后，用鋼直尺測試漿體垂直方向的直徑。同樣將新拌MPC漿體一次性倒入V-型漏斗中，倒?jié)M后排除漿體中的氣泡并抹平表面，打開漏斗口擋板，使?jié){體自由流出，用秒表記錄所有漿體從漏斗中完全流出的時(shí)間（T）。將新拌好的MPC漿體靜置30min后（自加堿組份時(shí)開始計(jì)時(shí)），再用攪拌器攪拌漿體2min，重新測試MPC漿體的流動擴(kuò)展度和V-型漏斗流出時(shí)間。

2.3.2 MPC漿體物理力學(xué)性能測試

參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》, 用加載水泥抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)（YZH-300.10型）測試MPC試件（40mm×40mm×160mm）的抗折和抗壓強(qiáng)度。按照文獻(xiàn)4方法測試MPC漿體與硅酸鹽水泥砂漿的粘結(jié)抗折強(qiáng)度。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 工作性

本研究擬配置的自密實(shí)MPC漿體，若取水膠比為0.18，配制的MPC漿體的流動擴(kuò)展度和V型漏斗流出。結(jié)果表明：30min后M0經(jīng)重新攪拌的漿體的粘度明顯增加，V型漏斗流出時(shí)間不能滿足歐州自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范EFNARC推薦的自密實(shí)砂漿的指標(biāo)要求（流動擴(kuò)展度240～260mm，V型漏斗流出時(shí)間7～11）[8]。 參考已有研究[9], 在MPC漿體中添加適量的水玻璃（2%）。在已添加水玻璃的基礎(chǔ)上，再用適量的粉煤灰等量替代死燒氧化鎂粉，試驗(yàn)結(jié)果表明含適量粉煤灰的MPC漿體（M2、M3）的流動擴(kuò)展度和V型漏斗流出時(shí)間基本滿足EFNARC推薦的自密實(shí)砂漿的指標(biāo)要求，具備自密實(shí)功能。適量呈弱堿性的水玻璃的加入，可提高新拌MPC漿體的pH值[9]，抑制了漿體中MgO粉的溶解、水解和水化物凝膠的形成，進(jìn)而延緩了漿體粘度的增加。由于粉煤灰的平均粒徑小于死燒氧化鎂粉，適量粉煤灰的加入可改善堿組份粉體的顆粒級配，加之粉煤灰中球形顆粒的滾珠潤滑作用，使MPC漿體的流動性和粘度均有改善，但粉煤灰替代量太大時(shí)，粉煤灰比表面積的增加導(dǎo)致需要的潤濕表面水量增加，MPC漿體的游離水量減少，漿體的流動性下降和粘度增加。

3.2 強(qiáng)度

圖1為M0-M4試件在自然養(yǎng)護(hù)條件下的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度發(fā)展以及與硅酸鹽水泥砂漿粘結(jié)抗折強(qiáng)度的發(fā)展。因參考樣M0在5h拆模時(shí)無強(qiáng)度，故延長了拆模時(shí)間并從1d水化齡期開始記錄強(qiáng)度。M1拆模時(shí)（5 h）的抗折和抗壓強(qiáng)度分別為4.5MPa和16.0MPa，早期抗壓強(qiáng)度明顯高于參考組M0；到28 d齡期時(shí)，M0和M1的強(qiáng)度接近。結(jié)果證實(shí)，適量水玻璃的加入可明顯提高M(jìn)PC漿體的早期強(qiáng)度。用粉煤灰（FA）等量替代死燒氧化鎂粉的M2、M3試件的5h拆?？拐蹚?qiáng)度低于M1，但抗壓強(qiáng)度均高于M1。且強(qiáng)度（尤其是與硅酸鹽水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度）隨著水化齡期的增長而上升，28d水化齡期時(shí)，M2和M3的抗折、抗壓強(qiáng)度均高于參考樣M0和M1，與硅酸鹽水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度明顯高于參考樣M0和M1。試驗(yàn)結(jié)果表明，用適量FA等量替代MgO粉，可改善MPC漿體的早期和后期強(qiáng)度，明顯改善與硅酸鹽水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度。

圖2 MPC漿體試件的強(qiáng)度發(fā)展

死燒MgO粉表面光滑致密不易吸水，水膠比使MgO顆粒間的游離水量提高和間距增大，加之復(fù)合緩凝劑的共同作用，M0在5h水化齡期時(shí)生成的水化產(chǎn)物MKP不足夠形成以未反應(yīng)MgO顆粒為核心的網(wǎng)絡(luò)搭接結(jié)構(gòu)[9]，使MPC漿體的高早強(qiáng)優(yōu)勢喪失。已有研究[10]證實(shí)隨著溶液pH值提高至超過8時(shí)，MKP的生成和結(jié)晶速度加快，水玻璃可提高M(jìn)PC漿體的pH，使?jié){體中已生成MKP的結(jié)晶速度加快，且水玻璃中的硅酸根離子會和水解的Mg2+反應(yīng)，生成硅酸鎂凝膠并填充水化產(chǎn)物MKP晶體之間的空隙，使?jié){體的結(jié)構(gòu)趨于致密。添加FA后，由于FA異相成核和分散作用，使MPC漿體早期水化反應(yīng)程度提高。FA中的惰性顆粒（如SiO2）可作為微集料填充在水化產(chǎn)物的間隙，細(xì)化孔徑，提高了硬化體的密實(shí)度[11]；隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，MPC漿體的溫度升高，在FA中的活性成分Al2O3可與磷酸鹽反應(yīng)生成磷酸鋁類的膠凝物質(zhì)填充孔隙，從而提高M(jìn)PC硬化體的強(qiáng)度。同時(shí)，粉煤灰的加入使MPC漿體的體積隨著水化齡期的延長逐漸膨脹[11]，進(jìn)而使MPC漿體與硅酸鹽水泥砂漿的粘結(jié)抗折強(qiáng)度隨著水化齡期的延長而逐步增長。

4 結(jié)論

（1）自密實(shí)MPC漿體的配制不能僅靠增加水膠比實(shí)現(xiàn)，存在水膠比上限0.18。適量水玻璃可抑制MPC漿體的粘度增加速度，但仍不能滿足自密實(shí)水泥漿體的規(guī)定指標(biāo)；在已添加水玻璃的基礎(chǔ)上，再用適量的粉煤灰等量替代死燒氧化鎂粉，所制備的MPC漿體的工作性滿足EFNARC推薦的自密實(shí)砂漿的指標(biāo)要求，具備自密實(shí)功能。

（2）適量水玻璃的加入可明顯提高M(jìn)PC漿體的早期強(qiáng)度。在水玻璃改性的基礎(chǔ)上用適量FA等量替代MgO粉，可明顯提高M(jìn)PC漿體的早期強(qiáng)度（5h）和后期強(qiáng)度（28d），明顯提高M(jìn)PC漿體與硅酸鹽水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度。