快硬磷酸鎂水泥組成成分對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

文/馮鵬 樊世隆 楊浩 龔正國(guó)

快硬磷酸鎂水泥組成成分對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

文/馮鵬 樊世隆 楊浩 龔正國(guó)

本文以磷酸鎂水泥材料的28d抗壓強(qiáng)度為考核指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。并采用極差分析法和方差分析軟件分析了磷酸鎂水泥材料的各組成成分對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，NH4H2PO4/MgO的質(zhì)量比對(duì)28d磷酸鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響最大。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)；磷酸鎂水泥；抗壓強(qiáng)度

引言

磷酸鎂水泥（magnesium phosphate cement， MPC）是一種具有快凝快硬性能的氣硬性膠凝材料。它出現(xiàn)于19世紀(jì)晚期，最初用于醫(yī)學(xué)，現(xiàn)已在歐美等國(guó)大量應(yīng)用于生物材料，工程修補(bǔ)，耐火材料等領(lǐng)域[1][2]。與普通硅酸鹽水泥相比，磷酸鎂水泥具有獨(dú)特的性能，其主要優(yōu)點(diǎn)為：（1）凝結(jié)時(shí)間短，初凝時(shí)間可控制在10分鐘到半小時(shí)；（2）早期強(qiáng)度高，其1h抗壓強(qiáng)度可達(dá)到35～45MPa；（3）水化反應(yīng)釋放大量熱量，適于低溫施工；（4）有較強(qiáng)耐磨性[2][3]。

汪宏濤[4][5]等人的研究結(jié)果表明，當(dāng)磷酸二氫鉀與氧化鎂的質(zhì)量比為 1∶4 時(shí)，磷酸鎂水泥修補(bǔ)材料強(qiáng)度取得最大值，且隨著緩凝劑摻量逐漸增大，該修補(bǔ)材料強(qiáng)度逐漸降低。高小建[6]認(rèn)為10%的緩凝劑可使磷酸鎂水泥的凝結(jié)時(shí)間控制在15分鐘左右，適合于現(xiàn)場(chǎng)快速修補(bǔ)工程。

磷酸鎂水泥通常由重?zé)趸V，磷酸鹽和緩凝劑組成。本文采用正交試驗(yàn)法研究其組成成分對(duì)磷酸鎂水泥28d抗壓強(qiáng)度的影響。

1.試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

所用磷酸鎂水泥由重?zé)趸V（MgO）、緩凝劑硼砂（Na2B4O7·10H2O）、磷酸二氫銨（NH4H2PO4）、磷酸二氫鉀（KH2PO4）組成。

（1）重?zé)趸V由遼寧營(yíng)口興達(dá)冶金爐料經(jīng)銷處提供。由輕質(zhì)氧化鎂在1600℃溫度下煅燒4小時(shí)制得，密度3420 kg/m3，工業(yè)級(jí)，純度＞95.0%，主要成分見(jiàn)表1。

表1 重?zé)趸V組成

（2）硼砂、磷酸二氫銨、磷酸二氫鉀由天津北辰華科儀建筑材料銷售中心提供，工業(yè)級(jí)，純度＞95.0%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 正交試驗(yàn)法

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用規(guī)格化的正交表，有計(jì)劃、有目的地安排試驗(yàn)方案并通過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算分析試驗(yàn)結(jié)果，得出最優(yōu)結(jié)果的一種科學(xué)方法[7]。正交試驗(yàn)法利用正交表的“均衡分散性”與“整齊可比性”的特點(diǎn)，既減少試驗(yàn)數(shù)量，又可使研究者較準(zhǔn)確地得出各因素對(duì)材料性能影響程度。

表2 因素水平表

表3 L16(45)試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

1.2.2 機(jī)械性能試驗(yàn)

機(jī)械性能試驗(yàn)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671～1999），根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案所示各成分比例制備磷酸鎂水泥，加水?dāng)嚢韬笾苽?0mm×40mm×40mm尺寸的試件16組，每組6個(gè)，將磷酸鎂水泥試件放入20±3℃，相對(duì)濕度50±10%的養(yǎng)護(hù)室中空氣養(yǎng)護(hù)，1天后拆模。使用濟(jì)南時(shí)代試金儀器有限公司的YAW～300C型壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定各試件28天齡期的抗壓強(qiáng)度，并取平均值。加載速度2.5kN/s。

表4 試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

2.試驗(yàn)結(jié)果與討論

采用正交分析法，將MgO比表面積，NH4H2PO4，KH2PO4和硼砂作為因素，各取四水平確定各組成成分所占的比例。其因素水平表如表2所示。

根據(jù)因素水平表，選擇L16（45）的正交表。其磷酸鎂水泥材料的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表3。水膠比為0.1。為了減少試驗(yàn)干擾因素，本試驗(yàn)未摻入ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從16組結(jié)果直觀來(lái)看，第3、7組的28d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到70.9MPa和75.6MPa，是強(qiáng)度最高的兩組試件。采用極差分析和方差分析兩種方法分析試驗(yàn)結(jié)果，其極差分析如表4及圖1。

圖1 快硬磷酸鎂水泥試件

由極差分析結(jié)果可知：

（1）從抗壓強(qiáng)度的極差R值來(lái)看，C＞B＞A＞D，即影響抗壓強(qiáng)度的主要因素為NH4H2PO4與重?zé)趸V的質(zhì)量比，從各因素與28d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系趨勢(shì)圖上也可以得出不同NH4H2PO4與重?zé)趸V質(zhì)量比的磷酸鎂水泥波動(dòng)幅度最大。采用正交設(shè)計(jì)助手軟件得出的方差分析表如表5所示。

表5 方差分析

由方差分析結(jié)果可知，各因素影響抗壓強(qiáng)度的主次順序?yàn)镃＞B＞A＞D，此結(jié)果與極差分析的結(jié)果一致。各因素的F比均小于F0.9（3，12），即各因素對(duì)強(qiáng)度影響不顯著。

3.結(jié)論

基于以上試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下試驗(yàn)結(jié)論：

（1）以28d抗壓強(qiáng)度為判斷指標(biāo)，各因素影響抗壓強(qiáng)度的主次順序?yàn)镹H4H2PO4摻量，硼砂摻量，重?zé)趸V比表面積，KH2PO4摻量。

（2）磷酸鎂水泥是一種高強(qiáng)水泥，若磷酸鎂水泥砂漿的配比合適，在空氣養(yǎng)護(hù)下其28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)70MPa以上。

（作者單位：武警后勤學(xué)院）

[1]Gemma Mestres， Maria～Pau Ginebra. Novel magnesium phosphate cements with high early strength and antibacterial properties [J]. Acta Biomaterialia. 2011（7）：1853～1861.

[2]范詩(shī)建，杜驍，陳兵. 磷酸鎂水泥在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用研究[J]. 新型建筑材料，2015（1）：1～4.

[3]汪宏濤，錢覺(jué)時(shí)，王建國(guó). 磷酸鎂水泥的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2005（12）：46～47.

[4]汪宏濤.曹巨輝.軍事工程用磷酸鎂水泥材料研究[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào). 2005（1）：5～7.

[5]齊召慶，汪宏濤，丁建華等. MgO細(xì)度對(duì)磷酸鎂水泥性能的影響[J]. 后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（6）：50～54.

[6]高小建，楊英姿，鄧紅衛(wèi)等. 災(zāi)后混凝土工程快速修補(bǔ)材料的研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2010（2）：40～45.

[7]田勝元，蕭曰嶸.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005：97～109.

武警后勤學(xué)院研究生科研創(chuàng)新課題（WHXKCX201511），武警后勤學(xué)院基礎(chǔ)研究項(xiàng)目：CMA生物質(zhì)灰對(duì)搶險(xiǎn)救災(zāi)用磷酸鹽水泥基修補(bǔ)材料的影響試驗(yàn)研究（WHJ201504）。