粉煤灰改性磷酸鎂水泥的研究進(jìn)展

易 峰

(西藏職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，西藏 拉薩 850000)

粉煤灰改性磷酸鎂水泥的研究進(jìn)展

易 峰

(西藏職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，西藏 拉薩 850000)

在綜合國(guó)內(nèi)外大量研究資料的基礎(chǔ)上，介紹了粉煤灰改性磷酸鎂水泥的改性機(jī)理，綜述了粉煤灰對(duì)磷酸鎂水泥工作性能、力學(xué)性能、粘結(jié)性能、耐水性能和耐久性的影響的研究進(jìn)展,為粉煤灰改性磷酸鎂水泥的研究提供相關(guān)依據(jù)。

磷酸鎂水泥，粉煤灰，改性機(jī)理，研究進(jìn)展

1 概述

磷酸鎂水泥(Magnesium Phosphate Cement，MPC)是一種新型的、環(huán)境友好型無(wú)機(jī)膠凝材料。MPC一般由鎂砂(重?zé)趸V)、可溶性磷酸鹽、礦物摻和料、緩凝劑和水按照一定的比例混合在一起，進(jìn)行攪拌后利用磷酸鹽與鎂砂迅速發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，生成具有較強(qiáng)黏度的無(wú)機(jī)膠凝材料[1]。因此，MPC又被稱(chēng)為化學(xué)結(jié)合陶瓷。MPC最先原材料中的磷酸鹽為NH4H2PO4，因反應(yīng)后會(huì)生成胺氣對(duì)人體有害，因而目前MPC的研究、應(yīng)用等采用的磷酸鹽多為KH2PO4。MPC目前公認(rèn)的水化反應(yīng)過(guò)程為KH2PO4溶于水后生成的磷酸根與MgO在酸性溶液中電離出的Mg2+及水發(fā)生反應(yīng)，生成稱(chēng)為鳥(niǎo)糞石的MgKPO4·6H2O(MKP)。已有的研究表明，MPC具有快凝早強(qiáng)、耐磨和體積穩(wěn)定、干縮小等特性，并且對(duì)硅酸鹽水泥混凝土具有很好的粘結(jié)性，可作為路面快速修補(bǔ)材料、有害反射物固化和用作FRP加固結(jié)構(gòu)用無(wú)機(jī)膠等[2]。但眾多研究也指出MPC存在以下缺點(diǎn)：1)成本高，價(jià)格為普通水泥的3倍以上；2)凝結(jié)速度較快，不利于施工；3)耐水性差、耐酸堿腐蝕性差。為改善MPC的這些性能，通常通過(guò)摻入有機(jī)或無(wú)機(jī)摻和料、優(yōu)化配比或提高磷酸鹽細(xì)度等方式進(jìn)行，而其中摻入粉煤灰(Fly Ash，F(xiàn)A)是最為常用、最為有效的方法之一[3,4]。

2 改性機(jī)理

通常認(rèn)為，粉煤灰在普通硅酸鹽水泥混凝土中具有三大效應(yīng)：形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和活性效應(yīng)。但林瑋等[5]研究指出，除三大效應(yīng)外，粉煤灰在MPC中還存在吸附效應(yīng)。形態(tài)效應(yīng)是指粉煤灰微觀狀態(tài)下呈玻璃微珠狀，而且吸水性較小，具有較強(qiáng)的潤(rùn)滑、滾動(dòng)能力，拌和到MPC水泥中能大幅度提高水泥的流動(dòng)性；微集料效應(yīng)是指粉煤灰顆粒較細(xì)，能填補(bǔ)水泥石結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙和裂縫，使得MPC水泥石結(jié)構(gòu)更加致密，適當(dāng)粉煤灰的加入能提高M(jìn)PC的多種性能；活性效應(yīng)則是由于粉煤灰在氧化鎂的激發(fā)下能和MPC生成Mg，Al，Si，P，K等元素組成的無(wú)定形產(chǎn)物，在一定程度上能提高M(jìn)PC水泥石結(jié)構(gòu)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的整體性；形態(tài)效應(yīng)則是粉煤灰在MPC中獨(dú)有的一種效應(yīng)，它是指粉煤灰具有吸附溶液中的磷酸根離子的能力，從而減緩了氧化鎂與磷酸鹽的反應(yīng)，以致延緩了水化產(chǎn)物的形成和水化熱的釋放速度。粉煤灰在MPC中的四種效應(yīng)同時(shí)存在、綜合作用，隨粉煤灰摻量的不同集中的體現(xiàn)在MPC各種性能的改變上[4]。

3 粉煤灰改性磷酸鎂水泥的研究進(jìn)展

3.1 粉煤灰對(duì)MPC流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間的影響

流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間是表征新拌水泥混凝土最重要的性能之一。微觀下粉煤灰呈玻璃微珠態(tài)，具有滾動(dòng)作用。陳兵等[6]研究了Ⅱ級(jí)粉煤灰改性MPC的流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在摻量40%以?xún)?nèi)時(shí)，MPC的流動(dòng)性隨粉煤灰摻量的增加而增加；超過(guò)40%時(shí)對(duì)MPC的流動(dòng)性改善能力有限，MPC的流動(dòng)性隨粉煤灰摻量增加而減小。而MPC的凝結(jié)時(shí)間隨粉煤灰的摻量增加而不斷增加。李春梅等[4]認(rèn)為粉煤灰摻量在20%以?xún)?nèi)能增加MPC的流動(dòng)性，摻量20%以上時(shí)，MPC的流動(dòng)性會(huì)隨摻量的增加而減少，50%摻量時(shí)漿體失去流動(dòng)度。而在不添加緩凝劑的情況下，隨粉煤灰摻量增加到40%，MPC的凝結(jié)時(shí)間也隨之接近翻了一番。王會(huì)新等[3]指出，在粉煤灰摻量40%以?xún)?nèi)，隨粉煤灰摻量對(duì)MPC的流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間都有促進(jìn)作用，只是對(duì)流動(dòng)度的貢獻(xiàn)呈先強(qiáng)后弱的趨勢(shì)；而且在粉煤灰摻量達(dá)到40%時(shí)，MPC的凝結(jié)時(shí)間可達(dá)到26 min，能達(dá)到工程施工要求。綜上可知：適度的粉煤灰摻量對(duì)MPC的流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間都有改善作用，但粉煤灰摻量過(guò)度可能會(huì)由于其吸水作用對(duì)MPC流動(dòng)度起抑制作用。

3.2 粉煤灰對(duì)MPC力學(xué)性能的影響

粉煤灰屬于火山灰質(zhì)材料，具有一定潛在的活性；而且粉煤灰較細(xì)，具有填充水泥混凝土中的孔隙作用，但其也存在活性較低，水化較慢的特點(diǎn)。李國(guó)新等[7]指出，在同一齡期下，隨粉煤灰摻量的增加，MPC砂漿抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，而摻量10%的粉煤灰改性MPC的抗壓強(qiáng)度最高。李春梅等[4]則發(fā)現(xiàn)，在粉煤灰摻量較少的情況下，其微集料效應(yīng)明顯，能提高M(jìn)PC的抗壓強(qiáng)度；在摻量較高時(shí)，由于其與MPC漿體的結(jié)合能力較弱，會(huì)削弱MPC的抗壓強(qiáng)度。而且粉煤灰的摻入，會(huì)降低MPC的抗折強(qiáng)度。Yue Li等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在粉煤灰摻量為20%的情況下，雖然齡期3 d粉煤灰改性MPC的抗壓強(qiáng)度低于不摻的MPC，但齡期28 d時(shí)，粉煤灰改性MPC的強(qiáng)度卻高于不摻的。綜上可知：粉煤灰摻量對(duì)MPC的抗壓強(qiáng)度具有雙重作用，摻量較小時(shí)微集料效應(yīng)明顯，增加MPC的抗壓強(qiáng)度；摻量較高時(shí)，由于其活性較小，與MPC粘結(jié)力較小，分散作用明顯，降低抗壓強(qiáng)度。而粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)使得MPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)顆粒間機(jī)械咬合力小，會(huì)降低MPC抗折強(qiáng)度。

3.3 粉煤灰對(duì)MPC粘結(jié)強(qiáng)度的影響

較強(qiáng)的粘結(jié)性是MPC相比波蘭特水泥的一大優(yōu)勢(shì)，因而MPC常被認(rèn)為可以和環(huán)氧樹(shù)脂媲美的無(wú)機(jī)膠。任強(qiáng)等[9]研究表明，在MPC中單摻粉煤灰與磨細(xì)粉煤灰或二者等量混摻后，MPC的早期粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)降低，后期粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)逐步增長(zhǎng)，28 d的粘結(jié)強(qiáng)度甚至能超過(guò)不摻粉煤灰的MPC，且復(fù)摻的效果更好；其原因主要是粉煤灰的火山灰活性效應(yīng)使得MPC后期強(qiáng)度有所改善，復(fù)摻效果更好是由于協(xié)同作用使得微集料效應(yīng)更明顯。蘇柳銘[10]發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量20%時(shí)，MPC凈漿與普通混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度最好，3 d就有5 MPa；而摻量10%左右時(shí)，MPC的砂漿與普通混凝土粘結(jié)強(qiáng)度1 d就可達(dá)到10 MPa以上；究其原因，正是由于粉煤灰的三大效應(yīng)增強(qiáng)了MPC與普通混凝土的粘結(jié)性能，特別是微集料效應(yīng)使得MPC基體內(nèi)部的過(guò)渡區(qū)更加密實(shí)，因而提高了粘結(jié)強(qiáng)度。

3.4 粉煤灰對(duì)MPC耐久性能的影響

1)耐水性能。MPC長(zhǎng)期浸泡于水中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，即MPC存在耐水性差的特點(diǎn)，這嚴(yán)重限制其在工程上的應(yīng)用范圍。周序洋等[11]研究發(fā)現(xiàn)在MPC中摻入適當(dāng)?shù)姆勖夯也⒈３州^高的氧化鎂含量有利于增加MPC的耐水性。其機(jī)理部分在于粉煤灰和未反應(yīng)的MgO顆粒能形成較好的顆粒級(jí)配，微集料作用明顯，有利于MPC硬化后內(nèi)部孔徑變小且總孔隙率減少，從而提高了耐水性。吳占鵬[12]認(rèn)為粉煤灰的加入MPC后，由于粉煤灰具有活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)和形貌效應(yīng)，使得MPC變得更加致密，粉煤灰與MKP相互搭接，減少了孔隙，阻止了孔隙和裂紋的擴(kuò)展，阻礙了水分進(jìn)入MPC內(nèi)部，從而有效的增加了MPC的耐水性。

2)干縮性。林瑋等[13]研究了不同粉煤灰摻量對(duì)MPC在不同齡期的干縮影響。結(jié)果表明，粉煤灰摻量達(dá)到40%的MPC相比不摻粉煤灰的MPC的收縮率減少了88%，即粉煤灰對(duì)抑制MPC具有重要作用。李九蘇等[14]將10%的粉煤灰和10%的普通硅酸鹽水泥復(fù)摻到MPC中，研究了MPC的90 d內(nèi)的干縮性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)MPC早期干縮較快、后期較慢，直到60 d后基本趨于穩(wěn)定，且干縮小于25%，即復(fù)合摻量顯著降低了MPC的干縮性。他們認(rèn)為一方面是由于粉煤灰等的摻入，替換了部分磷酸鹽和氧化鎂，水化反應(yīng)熱相對(duì)減少，干縮量降低；另一方面粉煤灰后期和普通水泥的水化產(chǎn)物之一Ca(OH)2進(jìn)一步反應(yīng)，優(yōu)化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也一定程度減少了MPC的干縮。

3)抗腐蝕性。MPC材料雖然耐低堿度性能較強(qiáng)，但存在耐酸和耐強(qiáng)堿性能較差的缺點(diǎn)。其主要原因是酸能和MPC中主要物質(zhì)MKP和氧化鎂反應(yīng)，生成可溶性物及二水石膏和鋁酸鎂沉淀；強(qiáng)堿能和MKP反應(yīng)生成Mg(OH)2沉淀，也能和未反應(yīng)的磷酸鹽反應(yīng)生成可溶性鹽，最終形成疏松結(jié)構(gòu)[15]。陳兵等[16]將用粉煤灰摻量為40%的MPC砂漿與普通MPC砂漿試樣放入NaOH,HCl,NaCl,Na2SO4四種溶液中浸泡14 d和28 d，然后進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試和外觀觀察。結(jié)果表明，摻粉煤灰的MPC在酸堿溶液中浸泡28 d后性能較普通的MPC的外觀情況較好，力學(xué)性能也下降較小；而兩種材料耐NaCl和Na2SO4腐蝕能力都較強(qiáng)。甄樹(shù)聰?shù)萚17]研究了未摻粉煤灰MPC和摻量10%粉煤灰MPC的抗氯離子滲透能力。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻粉煤灰的MPC抗氯離子侵蝕能力明顯好于未摻的。其原因在于粉煤灰的加入，不僅具有填補(bǔ)MPC內(nèi)部裂縫和MPC水化產(chǎn)物反應(yīng)生成新物質(zhì)能力，還具有延緩MKP的生成速度作用，從而有效的減少了氯離子的滲透速度。

4)耐磨性。鑒于MPC在路面和飛機(jī)跑道快速修補(bǔ)具有較好的前景，那么耐磨性也應(yīng)該是評(píng)價(jià)其總體性能的一個(gè)重要指標(biāo)。汪宏濤等[18]研究了粉煤灰摻量對(duì)MPC的耐磨性的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨粉煤灰摻量的增加，MPC的耐磨性逐漸降低。其原因可能在于粉煤灰不僅自身耐磨性能差，而且其吸附效應(yīng)使得MPC水化產(chǎn)物形成較慢，影響了試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的整體性。

4 結(jié)語(yǔ)

除耐磨性能外，粉煤灰的適量摻入對(duì)提高M(jìn)PC水泥混凝土的工作性能、力學(xué)性能、粘結(jié)強(qiáng)度和耐久性能均有較大幫助；但粉煤灰摻量過(guò)大時(shí)(如超過(guò)40%)，MPC的各項(xiàng)性能均會(huì)在一定程度上下降，因而利用粉煤灰的大量摻入來(lái)降低MPC成本而又不使得其性能大幅度降低，有待進(jìn)一步研究。此外，粉煤灰的摻入雖在一定程度上能提高M(jìn)PC的耐腐蝕性，但提高的性能有限，還是無(wú)法與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥相比，MPC的耐腐蝕性仍需深入研究解決。

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ResearchprogressonMagnesiumPhosphateCementwitflyash

YiFeng

(SchoolofArchitecture,TibetVocationalTechnicalCollege，Lasa850000,China)

Based on a large number of domestic and foreign research data, modified mechanism of Magnesium Phosphate Cement(MPC) with fly ash is introduced. Then, influence of flay ash on working performance, mechanical properties, bonding property, water resistance and durability of MPC are summarized. That provides the related basis for research on the MPC with fly ash.

Magnesium Phosphate Cement, fly ash, modified mechanism, research status

TU528

：A

1009-6825(2017)24-0113-03

2017-06-16

易 峰(1991- )，男，碩士，助教