纖維改性磷酸鎂水泥性能的研究

李 悅，孫 佳，施同飛

（1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；2.城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100124；3.工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

0 引言

磷酸鎂水泥（MPC）是由 MgO、磷酸鹽和緩凝劑等按一定比例混合而成.它是一種在室溫下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成的新型膠凝材料.目前許多學(xué)者對(duì)磷酸鎂水泥進(jìn)行了研究并取得了一定的成果，包括制備方法、反應(yīng)機(jī)理、耐久性等方面[1-3].和傳統(tǒng)硅酸鹽水泥相比，磷酸鎂水泥具有快凝、早強(qiáng)、黏結(jié)強(qiáng)度高、干縮小、低溫環(huán)境下施工、耐久性良好等特點(diǎn).目前磷酸鎂水泥主要用于道路、橋梁、機(jī)場(chǎng)跑道等快速修補(bǔ).近期研究表明，采用磷酸二氫鉀替代傳統(tǒng)磷酸二氫氨作為磷酸鹽制備MPC能夠克服傳統(tǒng)磷酸鎂水泥在反應(yīng)過(guò)程中釋放氨氣的缺點(diǎn)[4]，而且還可以大摻量地膠結(jié)各種工業(yè)廢棄物如粉煤灰、礦渣等[5-6].對(duì)于普通硅酸鹽水泥混凝土，通過(guò)摻加纖維從而產(chǎn)生一種優(yōu)于任何一種組成材料的復(fù)合材料的研究有很多，但是對(duì)于摻加纖維改善MPC試件的性能的研究甚少.

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，試驗(yàn)把聚丙烯腈纖維與聚丙烯纖維摻加到了MPC中，并對(duì)纖維復(fù)合磷酸鎂水泥的流動(dòng)性、強(qiáng)度和微觀形貌進(jìn)行了研究.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

煅燒MgO，顏色為淺黃色，由菱鎂礦在1600℃下煅燒而成，真實(shí)密度3.46g/cm3，堆積密度為1.67g/cm3.煅燒MgO物理化學(xué)指標(biāo)及成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示.磷酸二氫鉀為工業(yè)級(jí)白色晶體粉末，KH2PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%.硼砂作為緩凝劑，為白色晶體粉末，Na2B4O710H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%.聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維產(chǎn)品物理力學(xué)性能見表2.

表1 MgO的物理化學(xué)指標(biāo)Tab.1 Basic propertiesofmagnesia and fly ash

表2 纖維物理力學(xué)性能Table 2 Physicalandmechanicalof fiber

1.2 試驗(yàn)方法

MPC試樣的制備：按設(shè)計(jì)比例將各種原材料先混合攪拌1m in，然后加入纖維，繼續(xù)攪拌，得到纖維改性MPC試件.試件中硼砂摻量為5%；P/M取1/4；No.1和No.5試件中摻加的纖維為聚丙烯腈，摻量分別為0%、0.33%、0.66%、0.99%、1.3%、1.6%；No.6和No.10試件中摻加的纖維為聚丙烯0%、0.33%、0.66%、0.99%、1.3%、1.6%.

試件強(qiáng)度檢測(cè)參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》GB/T17671-1999進(jìn)行，試件采用40mm×40mm×160mm模具尺寸，試件成型后1 h脫模，放置在溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為（50%±5%）的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期.水泥凈漿流動(dòng)度參考《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》GB/T 8077-2000進(jìn)行測(cè)定.采用FEI公司的Quanta200掃描電子顯微鏡觀察MPC水化產(chǎn)物的形貌.

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維種類與摻量對(duì)MPC試件流動(dòng)性的影響

圖1為聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維兩種纖維在不同的摻量下MPC漿體的流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果.可以看出，隨著纖維的摻量的增加，MPC漿體的流動(dòng)性逐漸降低.摻加聚丙烯的MPC漿體流動(dòng)性降低平緩；而摻加聚丙烯腈的MPC漿體，其流動(dòng)度降低幅度較大，當(dāng)摻量大于0.33%時(shí)，流動(dòng)度急劇下降，聚丙烯腈摻量為0.99%比摻量為0.33%的流動(dòng)度降低44%.因此聚丙烯腈纖維對(duì)MPC漿體的流動(dòng)性影響要大于聚丙烯纖維對(duì)其流動(dòng)性的影響.

2.2 纖維對(duì)MPC試件抗壓強(qiáng)度的影響

圖1 兩種纖維不同摻量下的MPC漿體流動(dòng)度Fig.1 MPC slurry fluidity of the two fibersunder differentdosage

圖2 為聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維在不同的摻量下MPC試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果.可以看出，摻加和不摻加纖維的試件，其抗壓強(qiáng)度都隨著齡期的增加而提高，水化齡期從1 d增加到3 d時(shí)抗壓強(qiáng)度增加顯著，而在3 d后增加幅度不明顯，接近28 d抗壓強(qiáng)度.另外，隨著纖維摻加量的增加，試件抗壓強(qiáng)度并沒(méi)有明顯變化，因此摻加聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維對(duì)MPC試件的抗壓強(qiáng)度都沒(méi)有明顯影響.

圖2 兩種纖維不同摻量下的MPC試件抗壓強(qiáng)度Fig.2 MPC compressive strength of the two fibersunder differentdosage

2.3 纖維對(duì)MPC試件抗折強(qiáng)度的影響

圖3 為聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維兩種纖維在不同的摻量下MPC試件抗折強(qiáng)度結(jié)果.由圖可以看出，隨著纖維摻量的增加，MPC試件抗折強(qiáng)度先增加然后趨于穩(wěn)定；由圖3a）可以看出，摻加聚丙烯腈纖維對(duì)MPC試件的抗折強(qiáng)度有較大的影響，1 d齡期時(shí)，纖維摻加量超過(guò)0.33%時(shí)，MPC試件抗折強(qiáng)度急速增加，當(dāng)摻量超過(guò)0.99%時(shí)候，抗折強(qiáng)度不再增加，因此，摻加適量的聚丙烯腈纖維對(duì)MPC抗折強(qiáng)度有很好的提高作用，由圖3b）可以看出，摻加聚丙烯纖維對(duì)MPC試件的抗折強(qiáng)度影響不是很明顯，整體來(lái)看，纖維摻加對(duì)試件早期強(qiáng)度影響較大，隨著齡期的增加，MPC試件的本身抗折強(qiáng)度逐漸增加，纖維對(duì)試件抗折強(qiáng)度的提高不再明顯.

圖3 兩種纖維不同摻量下的MPC試件抗折強(qiáng)度Fig.3 MPC flexuralstrength of the two fibersunder differentdosage

2.4 摻加不同纖維的MPC微觀結(jié)構(gòu)特征

圖4 為摻加兩種纖維的MPC試件SEM測(cè)試結(jié)果.由圖4a）和c）可以看出，摻加聚丙烯腈纖維的試件，纖維有集束狀情況出現(xiàn)；由圖4b）和d）可以看出，摻加聚丙烯纖維試件中纖維絲都得到了很好的分散，較均勻分布于試件基體中.因此，對(duì)于MPC試件來(lái)說(shuō)，聚丙烯纖維的分散性好于聚丙烯腈纖維；另外，由圖4c）和d）放大倍數(shù)較高的SEM圖可以看出，MPC試件中的纖維并沒(méi)有產(chǎn)生腐蝕的痕跡，因此，纖維在試件中能夠保持其應(yīng)有的物理性能，試件中的化學(xué)反應(yīng)不會(huì)對(duì)其造成損傷.

圖4 摻加纖維MPC試件的SEM結(jié)果Fig.4 The SEM resultsofMPC specimenmixingw ith fiber

3 結(jié)論

1）隨著纖維的摻量的增加，MPC漿體的流動(dòng)性逐漸降低，聚丙烯腈纖維對(duì)MPC漿體的流動(dòng)性影響要大于聚丙烯纖維對(duì)其流動(dòng)性的影響.

2）在一定摻量范圍內(nèi)，摻加聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維對(duì)MPC試件的抗壓強(qiáng)度都沒(méi)有明顯影響，而抗折強(qiáng)度先增加后趨于穩(wěn)定.

3）微觀分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于MPC試件，摻加聚丙烯纖維的分散性好于聚丙烯腈纖維.

[1]SOUDEEE，PERA J.Influenceofmagnesiasurfaceon thesetting timeofmagnesia-phosphatecements[J].Cem ConcrRes，2002，32（1）：153-157.

[2]Li Y，Sun J，Chen B.Experimental study ofmagnesia and M/P ratio influencing properties ofmagnesium phosphate cement[J].Constr Build Mater，2014，65：177-183.

[3]Li Y，Sun J，Li J，et al.Effects of fly ash,retarder and calcination ofmagnesia on properties ofmagnesia phosphate cement[J].Advances in CementResearch，2014（Fast Track Article）：1-8.

[4]Ding Z，LiZ.Effectof aggregatesandwater contentson thepropertiesofmagnesium phosphosilicate cement[J].Cem ConcrCompos，2005，27（1）：11-8.

[5]林瑋，孫偉，李宗津.磷酸鎂水泥中的粉煤灰效應(yīng)研究 [J].建筑材料學(xué)報(bào)，2010，13（6）：716-721.

[6]LiY，Chen B.Factors thataffect the propertiesofmagnesium phosphate cement[J].Constr Build Mater，2013，47：977-983.