新型磷酸鎂水泥的研究

　　0  前言

　　磷酸鎂水泥（Magnesium phosphate cement MPC）具有快凝快硬、高早期強(qiáng)度、高粘接強(qiáng)度、干縮變形小等優(yōu)良性能，非常適用于高速公路、機(jī)場跑道和市政主干道的快速修補(bǔ)，在軍事工程的搶修搶建及有害物質(zhì)的固化方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。然而目前制備磷酸鎂水泥所用的磷酸鹽原料主要是磷酸二氫銨，水化反應(yīng)過程中會釋放出刺激性的氨氣。為解決該問題，作者采用磷酸二氫鉀替代磷酸二氫銨來制備新型磷酸鎂水泥，并就該新型磷酸鎂水泥的性能及水化產(chǎn)物進(jìn)行了初步研究。

　　1  試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

　　1.1 試驗(yàn)原材料

　　氧化鎂（MgO，縮寫為M），由菱鎂礦（MgCO₃）經(jīng)工業(yè)窯爐于1500℃高溫煅燒后破碎而成，顏色為棕黃色，細(xì)度為2610cm²/g，其化學(xué)成分見表1。

　　磷酸二氫鉀（KH₂PO₄，縮寫為P），化學(xué)純；硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O，縮寫為B），化學(xué)純。

　　1.2試驗(yàn)方法

　　凝結(jié)時間測定：采用維卡儀測定磷酸鎂水泥的凝結(jié)時間，由于MPC凝結(jié)速度太快，攪拌時間要控制在3分鐘之內(nèi)，初始階段每隔30秒鐘測一次，臨近初凝時每隔15秒鐘測一次。考慮到MPC水泥的初、終凝時間間隔很短，試驗(yàn)中主要測定初凝時間，并作為MPC的凝結(jié)時間。室內(nèi)溫度為20℃。

　　凈漿強(qiáng)度測定：原材料加水?dāng)嚢?分鐘后立即成型，試件尺寸為40mm×40mm×160mm，試件必須1h內(nèi)脫模，在室內(nèi)空氣中自然養(yǎng)護(hù)到2h、1d、3d、7d、28d測其抗折與抗壓強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2)℃。

　　微觀分析：將試樣養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，用無水乙醇終止水化，分別用于XRD分析。

　　2  試驗(yàn)結(jié)果與討論

　　2.1 MPC的凝結(jié)時間

　　磷酸鎂水泥的水化反應(yīng)實(shí)質(zhì)上是一個以酸堿中和反應(yīng)為基礎(chǔ)的放熱過程，反應(yīng)放出的大量熱量會進(jìn)一步加快體系的反應(yīng)速度，若不使用緩凝劑，MPC一般在3分鐘內(nèi)就會迅速凝結(jié)硬化。

　　為獲得相對較長的可操作時間（即初凝時間），制備MPC時必須摻入緩凝劑。本試驗(yàn)采用硼砂作為新型磷酸鎂水泥的緩凝劑，圖1給出的是硼砂摻量對MPC凝結(jié)時間的影響，P:M為1：4。

　　隨著緩凝劑摻量（B/M）的增大，凝結(jié)時間隨著增加，表明硼砂仍可以有效延長新型磷酸鎂水泥的凝結(jié)時間。

　　2.2 MPC的強(qiáng)度

　　試驗(yàn)同時考察了磷酸二氫鉀與氧化鎂質(zhì)量比值（P/M）對MPC強(qiáng)度的影響，緩凝劑硼砂與氧化鎂的質(zhì)量比（B/M）固定為5%，水固比為0.11。

　　P/M比值對MPC強(qiáng)度有較大的影響。P/M為1：4時試件強(qiáng)度最大，其2h抗壓強(qiáng)度達(dá)35MPa以上，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)80MPa以上。但當(dāng)P/M較大時（1：2或1：3）或P/M較小（1：6）時，強(qiáng)度的增長速率都有所降低，試件的最終強(qiáng)度也比較低。

　　試驗(yàn)還考察了緩凝劑對MPC水泥強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)P/M比值固定為1：4，水固比為0.11，硼砂摻量分別為氧化鎂質(zhì)量的2%、5%、8%、10%、15%。

　　隨著硼砂摻量的增加，MPC水泥早期強(qiáng)度迅速降低。在一定摻量范圍（不大于10%）情況下，硼砂摻量對后期強(qiáng)度的影響較小。試驗(yàn)結(jié)果還表明，用磷酸二氫鉀配制的新型MPC材料的早期強(qiáng)度同樣發(fā)展迅速，其強(qiáng)度基本上7天之前迅速增長，之后發(fā)展緩慢。當(dāng)緩凝劑摻量達(dá)到15%時，各齡期強(qiáng)度都很小，28d抗壓強(qiáng)度僅為14.0 MPa，僅為摻量2%時2h抗壓強(qiáng)度的1/3。在實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，緩凝劑摻量過大（比如15%），試件成型會出現(xiàn)嚴(yán)重的泌水分層現(xiàn)象。因此，在保證施工成型時間的前提下，應(yīng)盡量減少緩凝劑摻量。

　　2.3 MPC水化產(chǎn)物

　　MPC水泥中主要含有MgO和KH2PO4兩種物質(zhì)，MPC水泥水化1d時，KH2PO4的特征峰基本消失，同時有新的水化產(chǎn)物形成，這些水化分別是：MgKPO4·6H2O、MgKPO4·H2O、Mg3(PO4)2·4H2O,其中以MgKPO4·6H2O為主。MPC水化28d的水化產(chǎn)物與1d的水化產(chǎn)物種類基本一致，都是以MgKH2PO4·6H2O為主。從圖6和圖7中還可以看出，MPC水泥水化28d時體系中仍含有大量未參與水化的MgO，這部分MgO在體系中起到骨料增強(qiáng)作用，這也是P/M在1/4～1/5之間水泥凈漿強(qiáng)度要大于P/M為1/2和1/3的原因之一。當(dāng)然，過多的MgO（P/M=1:6）時，也會因?yàn)槟z結(jié)料相對不足而使強(qiáng)度降低。

　　3  結(jié)論

　?。?）以磷酸二氫鉀、氧化鎂為主要原料同樣可以配制出快硬高強(qiáng)MPC水泥，且反應(yīng)過程中不會釋放氨氣。

　?。?）為了獲得足夠的可操作時間，需要加入緩凝劑來調(diào)整新型MPC凝結(jié)時間，隨著硼砂摻量的不斷變大，MPC的凝結(jié)時間不斷延長。

　?。?）當(dāng)P/M值范圍在1/4時，MPC凈漿強(qiáng)度取得最大值。緩凝劑摻量對MPC強(qiáng)度發(fā)展有重要影響，隨著緩凝劑摻量逐漸增大，MPC強(qiáng)度逐漸降低。

　?。?） 以磷酸二氫鉀KH₂PO₄為原料制備MPC的水化產(chǎn)物有：MgKPO₄·6H₂O、MgKPO₄·H₂O、Mg₃(PO₄)₂·4H₂O, 其中以MgKPO₄·6H₂O為主。