磷酸鎂水泥快速修補(bǔ)材料的性能試驗

溫金保,唐修生,黃國泓,祝燁然,馬進(jìn)南

(1.南京水利科學(xué)研究院瑞迪高新技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210024;2.江蘇省(瑞迪)水工新材料工程技術(shù)研究中心,江蘇 南京 210024)

磷酸鎂水泥快速修補(bǔ)材料的性能試驗

溫金保1,2,唐修生1,2,黃國泓1,2,祝燁然1,2,馬進(jìn)南1,2

(1.南京水利科學(xué)研究院瑞迪高新技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210024;2.江蘇省(瑞迪)水工新材料工程技術(shù)研究中心,江蘇 南京 210024)

為了客觀評價磷酸鎂水泥材料的快速修補(bǔ)性能,以普通硅酸鹽水泥砂漿為基準(zhǔn),在兩種砂漿28 d抗壓強(qiáng)度相當(dāng)?shù)臈l件下進(jìn)行了磷酸鎂水泥砂漿快速修補(bǔ)應(yīng)用性能的對比試驗。結(jié)果表明,相對于普通硅酸鹽水泥砂漿,磷酸鎂水泥砂漿作為快速修補(bǔ)材料具有更為優(yōu)異的性能:新拌砂漿具有高流動度及快速凝結(jié)硬化的特點,凝結(jié)時間不到20 min;硬化砂漿早期力學(xué)性能好,3 h抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度分別為42.5 MPa和1.45 MPa;彈性模量低,28 d靜力抗壓彈性模量和抗拉彈性模量分別降低了13.5%和8.9%;拉伸應(yīng)變高,28 d極限拉伸值提高了38.8%;耐久性優(yōu)異,56 d干縮應(yīng)變僅為118 μm/m,降低了86.4%,28 d抗沖磨強(qiáng)度則提高了45.8%。

磷酸鎂水泥;快速修補(bǔ)材料;凝結(jié)時間;黏結(jié)強(qiáng)度;抗沖磨強(qiáng)度

目前，混凝土高性能修補(bǔ)材料的應(yīng)用研究是熱點,用于混凝土結(jié)構(gòu)工程修補(bǔ)的材料種類很多[1-6],主要有無機(jī)材料、有機(jī)材料以及有機(jī)聚合物改性材料三大類。無機(jī)類修補(bǔ)材料主要以傳統(tǒng)水泥基材料為主,該類修補(bǔ)材料小時強(qiáng)度偏低,早期需要嚴(yán)格的養(yǎng)護(hù)措施,且與普通水泥一樣干縮大,與基材之間的界面過渡區(qū)相對薄弱,易出現(xiàn)脫落而導(dǎo)致修補(bǔ)失效；而采用特種水泥則存在水泥不易保存[7],且有的特種水泥水化產(chǎn)物高溫下不穩(wěn)定，容易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變而破壞[8]等缺陷。有機(jī)修補(bǔ)材料以環(huán)氧樹脂類以及瀝青修補(bǔ)材料為主,環(huán)氧樹脂類修補(bǔ)材料與基材之間存在較大的相容性差異,二者的變形不一致,容易導(dǎo)致脫落,且易老化,耐久性差。有機(jī)聚合物改性材料存在有機(jī)聚合物影響水泥水化,導(dǎo)致聚合物改性修補(bǔ)砂漿早期水化程度低和砂漿早期強(qiáng)度低等問題。此外,上述材料都無法滿足工程真正意義上的快速修補(bǔ)需要,因此勢必影響結(jié)構(gòu)工程投入應(yīng)用的速度。

磷酸鎂水泥是一種以通過酸堿中和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)鍵而形成強(qiáng)度的膠凝材料,具有與陶瓷類似的結(jié)構(gòu)性能特點,被稱為“陶瓷水泥”,是一種很有應(yīng)用潛力的新型膠凝材料,具有以下特點[9-17]:①早期強(qiáng)度高;②能在-20～5℃的低溫環(huán)境中快速凝結(jié)硬化;③與不同基材的黏結(jié)能力強(qiáng);④變形性能、耐磨性和抗凍性良好;⑤耐化學(xué)侵蝕性能好;⑥防火耐高溫;⑦固化有害和放射性物質(zhì)的效果好。

目前磷酸鎂水泥應(yīng)用研究主要集中于作為快速修補(bǔ)材料的應(yīng)用以及對重金屬的固化等方面。馬保國等[18]研究了磷酸鎂水泥對鉛離子的固化,重點探討了體系pH值對鉛離子浸出率的影響。楊全兵等[9]進(jìn)行了磷酸鎂水泥砂漿作為快速修補(bǔ)混凝土材料的研究,重點探討了膠砂比、水灰比、粉煤灰摻量、拌和物體積量及溫濕度對磷酸鎂水泥砂漿的流動性及力學(xué)性能的影響。Qiao等[19]進(jìn)行了磷酸鎂水泥砂漿作為快速修補(bǔ)材料的性能研究,重點探討了不同磷鎂比下的抗壓強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度性能,并以普通硅酸鹽水泥砂漿同流動度為前提,進(jìn)行了磷酸鎂水泥砂漿不同磷鎂比、膠砂比對干縮性能影響的研究。磷酸鎂水泥基材料的諸多優(yōu)良特性使得其作為一種快速修補(bǔ)材料備受關(guān)注,但研究大都集中于磷酸鎂水泥自身性能,較少與傳統(tǒng)水泥基材料進(jìn)行性能對比,使得性能的評價相對孤立,評價方式缺乏領(lǐng)域內(nèi)橫向的比較;偶有與傳統(tǒng)水泥的比較,也未見以28 d抗壓強(qiáng)度且強(qiáng)度限定在某個有限范圍內(nèi)為相同點的性能對比報道。對于水泥基材料而言,材料的強(qiáng)度對材料其他性能有著顯著的影響,同樣,不同的強(qiáng)度對其他性能的影響規(guī)律也不一樣。本文基于快速修補(bǔ)材料的特性,通過與普通硅酸鹽水泥對比試驗,對磷酸鎂水泥快速修補(bǔ)材料進(jìn)行一個較為全面的性能評價,為磷酸鎂水泥基材料的快速修補(bǔ)應(yīng)用提供一個相對可靠的參考依據(jù)。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及砂漿配合比的確定

1.1.1 原材料

利用磷酸二氫鉀、重?zé)趸V、硼砂、Ⅰ級粉煤灰、木質(zhì)素纖維5種原材料按一定比例混合均勻即制得磷酸鎂水泥,其中磷酸二氫鉀與重?zé)趸V的摩爾比為1∶5,硼砂用量為重?zé)趸V質(zhì)量的4%,木質(zhì)素纖維用量為磷酸鎂水泥總質(zhì)量的0.04%,Ⅰ級粉煤灰用量為磷酸鎂水泥總質(zhì)量的20%。重?zé)趸V及中國海螺P·O42.5水泥的化學(xué)組成見表1;砂為ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

表1 原材料化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.1.2 砂漿配合比的確定

相對于普通硅酸鹽水泥,磷酸鎂水泥價格較高,為了降低快速修補(bǔ)材料的成本,采用磷酸鎂水泥、細(xì)骨料及水按一定比例拌和形成的砂漿作為磷酸鹽類水泥基快速修補(bǔ)材料進(jìn)行相應(yīng)的試驗研究。丁鑄等[20]進(jìn)行了不同膠砂比對砂漿強(qiáng)度性能的影響試驗研究,結(jié)果表明在膠砂比為1時強(qiáng)度最高,且砂漿抗壓強(qiáng)度隨著細(xì)骨料含量的增加而下降。因此,本試驗選擇膠砂比為1,同時考慮到試驗對比結(jié)果的可靠性,細(xì)骨料統(tǒng)一采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。在膠砂比確定的前提下,進(jìn)行磷酸鎂水泥砂漿水膠比與強(qiáng)度關(guān)系的試驗,結(jié)果見圖1。由圖1可知,磷酸鎂水泥砂漿的1 d和28 d抗壓強(qiáng)度均隨著水膠比的增大而降低。同時進(jìn)行普通硅酸鹽水泥砂漿(膠砂比為1)水膠比與強(qiáng)度關(guān)系的試驗,結(jié)果見圖2,可見普通硅酸鹽水泥砂漿強(qiáng)度也隨水膠比的增大而降低。

圖1 磷酸鎂水泥砂漿水膠比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 普通水泥砂漿水膠比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

為了保證磷酸鎂水泥砂漿與普通硅酸鹽水泥砂漿的性能具有可比性,應(yīng)在兩種砂漿28 d抗壓強(qiáng)度相當(dāng)?shù)臈l件下進(jìn)行性能對比試驗,結(jié)合圖1和圖2的試驗結(jié)果,選定兩種砂漿的膠砂比均為1,磷酸鎂水泥砂漿和普通硅酸鹽水泥砂漿的水膠比分別為0.2和0.35,此時兩種砂漿28 d抗壓強(qiáng)度分別為64.5 MPa和64.9 MPa,抗壓強(qiáng)度相當(dāng),且均在60～65 MPa范圍內(nèi)。

1.2 試驗方法

1.2.1 砂漿的制備

由相應(yīng)的水泥與砂、水按一定配比混合并慢速攪拌1 min,然后快速攪拌2 min即可制得相應(yīng)的砂漿。

1.2.2 流動度試驗

將拌好的水泥砂漿分兩層迅速裝入截錐圓模內(nèi),截錐圓模頂面直徑、底面直徑及高分別為70 mm、100 mm和60 mm,第一層裝至截錐圓模高約2/3處,用搗棒自邊緣至中心均勻搗壓15次,繼續(xù)裝第二層砂漿,裝至高出截錐圓模20 mm,再用搗棒自邊緣至中心均勻搗壓10次,把高出截錐圓模的部分砂漿刮除,刮平表面之后輕輕提起截錐圓模,當(dāng)截錐圓模提起30 s時測試砂漿自坍落的圓形直徑作為流動度值。

1.2.3 凝結(jié)時間試驗

砂漿凝結(jié)時間測試參照J(rèn)GJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》的規(guī)定進(jìn)行。其中磷酸鎂水泥砂漿貫入阻力值在0.3 MPa之前每3 min測1次,貫入阻力值達(dá)到0.3 MPa時,改為每30 s測1次,直至貫入阻力值達(dá)到0.7 MPa時為止,最終通過作圖求得貫入阻力值為0.5 MPa時對應(yīng)的時間即為砂漿凝結(jié)時間。

1.2.4 抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度試驗

試驗均參照SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》中的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行,其中抗壓強(qiáng)度試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,在規(guī)定齡期內(nèi)取出試件進(jìn)行抗壓試驗,通過破壞荷載和受壓面積計算抗壓強(qiáng)度;黏結(jié)強(qiáng)度試件采用“8”字形,黏結(jié)基底采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的半個“8”字形的普通硅酸鹽水泥砂漿試件,對黏結(jié)基底界面打磨去污后,將按配比成型的砂漿與基底黏結(jié)成型,并在規(guī)定齡期內(nèi)取出試件進(jìn)行抗拉試驗,通過破壞荷載和斷面面積計算黏結(jié)強(qiáng)度。

1.2.5 靜力抗壓彈性模量及軸向拉伸試驗

試驗均參照SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》中的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行,其中靜力抗壓彈性模量試件尺寸為100 mm×100 mm×200 mm,測量標(biāo)距為100 mm,通過測定變形數(shù)據(jù)及破壞荷載來計算靜力抗壓彈性模量。軸向拉伸試件為啞鈴型,試件在到達(dá)規(guī)定齡期時取出、晾干,并貼上電阻應(yīng)變片,通過測定拉伸破壞荷載及由電阻應(yīng)變儀測定拉伸應(yīng)變值而求得抗拉強(qiáng)度、抗拉彈性模量及極限拉伸值。

1.2.6 干縮、抗凍及抗沖磨試驗

砂漿干縮試驗試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm,砂漿試件成型24 h后脫模立即測初長,并立即送至溫度為(20±1)℃、相對濕度為55%～65%的干縮室內(nèi)存放,按相應(yīng)齡期進(jìn)行長度測量?？箖黾翱箾_磨試驗均參照SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》中的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行，其中抗凍試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm,成型之后在相應(yīng)的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d,然后取出進(jìn)行凍融循環(huán)試驗,試件中心控制凍結(jié)溫度為(-18±2)℃、融解溫度為(5±2)℃。每經(jīng)過25次循環(huán)進(jìn)行相對動彈性模量和質(zhì)量損失率測試,總凍融循環(huán)次數(shù)為150次?？箾_磨試驗采用水下鋼球法,試件為圓柱體,內(nèi)徑為300 mm,高度為100 mm,試件下半部分(高度5 mm以下)為C50強(qiáng)度等級的混凝土,上半部分(高度5 mm以上部分)為相應(yīng)的砂漿。對上半部分砂漿用鋼球在轉(zhuǎn)速1 200 r/min的條件下進(jìn)行72 h水中沖磨,沖磨完畢后洗凈擦干表面水分進(jìn)行質(zhì)量損失測試,由此可計算出單位面積上磨損單位質(zhì)量所需的時間,即抗沖磨強(qiáng)度。

圖3 水膠比與流動度的關(guān)系

圖4 水膠比與凝結(jié)時間的關(guān)系

2 結(jié)果與討論

2.1 流動度和凝結(jié)時間

圖3和圖4分別為砂漿流動度及凝結(jié)時間的試驗結(jié)果。圖3顯示出磷酸鎂水泥在較低的水膠比條件下,流動度明顯大于水膠比較高的普通硅酸鹽水泥,可見,磷酸鎂水泥需水量明顯低于普通硅酸鹽水泥,且流動度隨著水膠比的升高而大幅度增大。圖4表明磷酸鎂水泥砂漿較普通硅酸鹽水泥砂漿凝結(jié)時間明顯要短,凝結(jié)時間均在20 min以內(nèi),且隨著水膠比的上升而呈線性延長,可見,在一定條件下可以通過調(diào)控水膠比來調(diào)節(jié)凝結(jié)時間。磷酸鎂水泥砂漿的高流動性及快速凝結(jié)的特點賦予了該材料快速修補(bǔ)的功能。

2.2 抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度

圖5和圖6分別為砂漿在不同齡期下的抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度試驗結(jié)果。由圖5可知,兩種砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度相當(dāng),磷酸鎂水泥砂漿為63.9 MPa,普通硅酸鹽水泥砂漿為65.6 MPa,可見磷酸鎂水泥具有高早強(qiáng)的特性,尤其是小時強(qiáng)度更為突出。

圖5 砂漿在不同齡期下的抗壓強(qiáng)度

圖6 砂漿在不同齡期下的黏結(jié)強(qiáng)度

由圖6可知,無論是早期的3 h黏結(jié)強(qiáng)度還是后期的28 d黏結(jié)強(qiáng)度,磷酸鎂水泥砂漿均要明顯高于普通硅酸鹽水泥砂漿,磷酸鎂水泥砂漿3 h黏結(jié)強(qiáng)度已達(dá)1.45 MPa,接近普通硅酸鹽水泥的7 d黏結(jié)強(qiáng)度1.73 MPa,而磷酸鎂水泥砂漿的28 d黏結(jié)強(qiáng)度更是高達(dá)4.32 MPa,可見,相對于普通硅酸鹽水泥砂漿,磷酸鎂水泥砂漿具有明顯優(yōu)異的黏結(jié)性能。

表3 不同齡期砂漿力學(xué)及變形性能試驗結(jié)果

2.3 靜力抗壓彈性模量、抗拉強(qiáng)度、抗拉彈性模量及極限拉伸值

表3為砂漿力學(xué)及變形性能試驗結(jié)果,可以看出,相對于普通硅酸鹽水泥砂漿,磷酸鎂水泥砂漿的3 d、7 d和28 d靜力抗壓彈性模量分別降低了17.4%、14.3%和13.5%,抗拉彈性模量分別降低了9.4%、5.7%和8.9%,而抗拉強(qiáng)度則提高了48.4%、52.0%和26.5%,極限拉伸值則提高了55.3%、52.8%和38.8%?？梢?磷酸鎂水泥砂漿在力學(xué)變形性能上要明顯優(yōu)于普通硅酸鹽水泥砂漿。

2.4 干縮

快速修補(bǔ)材料的體積穩(wěn)定性對修補(bǔ)質(zhì)量有著重要的影響,在混凝土結(jié)構(gòu)服役期間,修補(bǔ)材料的收縮導(dǎo)致了拉應(yīng)力的產(chǎn)生,而拉應(yīng)力正是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂的主要原因之一[21]。同時由于修補(bǔ)材料主要依靠黏結(jié)力與被修補(bǔ)面黏接成整體,如果收縮得不到很好的控制,受限的收縮有可能導(dǎo)致黏結(jié)界面脫黏并開裂,從而造成修補(bǔ)質(zhì)量的下降,甚至影響整個修補(bǔ)工程的性能。圖7為兩種砂漿的干縮性能試驗結(jié)果,可知磷酸鎂水泥砂漿的干縮值明顯小于普通硅酸鹽水泥砂漿,且收縮應(yīng)變在14 d以后已趨于穩(wěn)定,28 d和56 d的收縮應(yīng)變值分別為113 μm/m和118 μm/m,明顯低于普通硅酸鹽水泥砂漿的752 μm/m和870 μm/m。可見,磷酸鎂水泥砂漿相對普通硅酸鹽水泥砂漿具有更為優(yōu)異的體積穩(wěn)定性,這有利于保證修補(bǔ)質(zhì)量。

圖7 砂漿在不同齡期下的收縮應(yīng)變

2.5 抗凍性能及抗沖磨性能

表4為砂漿28 d抗凍性能測試結(jié)果?？梢钥闯?經(jīng)過150次凍融循環(huán)后,磷酸鎂水泥砂漿的質(zhì)量損失率為0.06%,相對動彈性模量為79.6%,表現(xiàn)出了較好的抗凍性能,而普通硅酸鹽水泥砂漿抗凍性能試驗結(jié)果與磷酸鎂水泥砂漿抗凍性能試驗結(jié)果非常接近，可見,無論是磷酸鎂水泥砂漿還是普通硅酸鹽水泥砂漿,都具有較好的抗凍性能。另外,普通硅酸鹽水泥砂漿抗沖磨強(qiáng)度為10.30 h/(kg·m-2),而磷酸鎂水泥砂漿的抗沖磨強(qiáng)度達(dá)到15.02 h/(kg·m-2),提高了45.8%,表明磷酸鎂水泥砂漿具有優(yōu)異的抗沖磨性能,這對于路面及水工大壩的修補(bǔ)是極為有利的。

表4 砂漿28 d抗凍性能測試結(jié)果

3 結(jié) 論

a. 磷酸鎂水泥砂漿具有較好的快速修補(bǔ)施工性能,主要表現(xiàn)為需水量小,流動性好,凝結(jié)時間短。

b. 磷酸鎂水泥砂漿早期力學(xué)性能好,尤其是3 h抗壓強(qiáng)度高達(dá)42.5 MPa,3 h黏結(jié)強(qiáng)度已達(dá)1.45 MPa,3 d抗拉強(qiáng)度比普通硅酸鹽水泥砂漿提高了48.4%。

c. 磷酸鎂水泥砂漿變形性能好,主要表現(xiàn)為低彈性模量和高極限拉伸值,相比普通硅酸鹽水泥砂漿,28 d靜力抗壓彈性模量降低了13.5%,28 d抗拉彈性模量降低了8.9%, 28 d極限拉伸值則提高了38.8%。

d. 磷酸鎂水泥砂漿耐久性能好:體積穩(wěn)定性好,收縮應(yīng)變低,56 d收縮應(yīng)變值僅為118 μm/m,收縮應(yīng)變值比普通硅酸鹽水泥砂漿降低了86.4%;高抗凍性能,經(jīng)過150次凍融循環(huán)后,相對動彈性模量為79.6%,質(zhì)量損失率僅為0.06%;高耐磨性能,28 d抗沖磨強(qiáng)度比普通硅酸鹽水泥砂漿提高了45.8%。

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Performance testing on rapid repair materials of magnesium phosphate cement

WEN Jinbao1,2, TANG Xiusheng1, 2, HUANG Guohong1, 2, ZHU Yeran1, 2, MA Jinnan1, 2

(1.NanjingR&DHighTechnologyCo.,Ltd.,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210024,China; 2.R&DResearchCenteronNewMaterialsinHydraulicStructuresofJiangsuProvince,Nanjing210024,China)

In order to evaluate the performance of magnesium phosphate cement for rapid repair objectively and effectively, ordinary Portland cement mortar was used as a reference mortar, and comparative tests were conducted on the performances of the two kinds of cement mortar for rapid repair with 28 d compressive strength. Test results show that, compared with the ordinary Portland cement mortar, magnesium phosphate cement mortar, as a rapid repair material, shows superior performance. The fresh mortar has a high fluidity and the property of rapid setting and hardening, with a setting time of less than 20 min; the hardened mortar has good mechanical properties in the early stage, with 3 h compressive strength and bonding strength of 42.5 MPa and 1.45 MPa, respectively; the elastic modulus of the magnesium phosphate cement mortar is low, with 28 d static compressive elastic modulus and tensile elastic modulus decreasing by 13.5% and 8.9%, respectively; the tensile strain is high, with 28 d ultimate tensile strain increasing by 38.8%; with the excellent durability, 56 d dry shrinkage strain of the magnesium phosphate cement mortar decreases by 86.4%, with a value of 118 μm/m, while 28 d abrasion resistance strength increases by 45.8%.

magnesium phosphate cement； rapid repair material； setting time； bonding strength； abrasion resistance strength

溫金保(1975—),男,高級工程師,主要從事混凝土及混凝土外加劑研究。E-mail:jbwen@nhri.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.02.015

TQ172.79

：A

：1006-7647(2017)02-0082-06

2016-02-15 編輯：熊水斌)