纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥的研究進(jìn)展

李 薩 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)

1 概述

磷酸鎂水泥(Magnesium Phosphate Cement，MPC)是一種近年來(lái)迅速發(fā)展的環(huán)境友好的新型無(wú)機(jī)膠凝材料。MPC一般由鎂砂(重?zé)趸V)和可溶性磷酸鹽按照一定的比例混合在一起，以水作為反應(yīng)介質(zhì)，迅速發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，生成具有較強(qiáng)粘度的無(wú)機(jī)膠凝材料[1]。由于其反應(yīng)較快，并且成本較高，所以常常需要加入緩凝劑和礦物摻合料來(lái)應(yīng)對(duì)。MPC最先采用NH4H2PO4作為反應(yīng)的磷酸鹽，后因反應(yīng)會(huì)生成胺氣污染環(huán)境，因而目前MPC制作一般均采用的磷酸鹽多為KH2PO4。MPC水化產(chǎn)物主要為鳥(niǎo)糞石的MgKPO4·6H2O(MKP)，其具有快凝早強(qiáng)、與新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度高、耐磨和能調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間等多種優(yōu)點(diǎn)，但MPC也存在成本高和耐水耐酸堿腐蝕性差等缺點(diǎn)[2]。除此之外，其還存在脆性明顯的缺點(diǎn)。已有的研究表明，在普通硅酸鹽水泥基中加入各種纖維是增強(qiáng)基體韌性的有效途徑之一，而目前很多研究者也開(kāi)始嘗試使用各種纖維對(duì)MPC進(jìn)行增韌，并取得了良好的效果[3]。本文論述了纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥的研究進(jìn)展，探討了纖維對(duì)MPC的增韌改性效果以及工程應(yīng)用前景，為纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥的研究提供了相關(guān)依據(jù)。

2 纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥的研究現(xiàn)狀

2.1 鋼纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥

鋼纖維是最早被加入水泥混凝土用作增韌介質(zhì)纖維之一。鋼纖維具有強(qiáng)度高、與水泥混凝土粘結(jié)性能好的優(yōu)點(diǎn)。汪宏濤等[4]研究了摻鋼纖維的磷酸鎂水泥的強(qiáng)度、耐磨性和收縮性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維的摻入，不僅能大幅度提高磷酸鎂水泥的強(qiáng)度和耐磨性，而且能減少磷酸鎂水泥的收縮性。

2.2 化學(xué)纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥

常用于水泥基增韌的化學(xué)纖維有玻璃纖維、聚乙烯醇纖維(PVA纖維)、聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維和碳纖維等。這些纖維均存在輕質(zhì)高強(qiáng)或耐腐蝕等特性。楊建明等[5]研究了玻璃纖維對(duì)MPC的力學(xué)性能和耐久性的影響，結(jié)果表明，相對(duì)短切玻璃纖維，涂膠玻璃纖維織物對(duì)MPC基體的抗彎性能有更大的提升效果，而且由于MPC基體對(duì)玻璃纖維的腐蝕性較小，因而相比玻璃纖維增強(qiáng)普通水泥混凝土，玻璃纖維增強(qiáng)MPC具有很好的耐久性。賈興文等[6]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將切碳纖維加入到MPC基體中能改善MPC的力學(xué)性能，并指出為同時(shí)保證碳纖維增強(qiáng)MPC的工作性能和力學(xué)性能，短切碳纖維的最佳摻量最好控制在0.4%～0.6%，長(zhǎng)度最好控制在3 mm～10 mm；而通過(guò)高溫度的硝酸預(yù)處理的碳纖維由于表面會(huì)出現(xiàn)刻痕和凹槽，有利于碳纖維和MPC的粘結(jié)咬合，能進(jìn)一步增強(qiáng)MPC的韌性。孫晨等[7]比較了不同PVA摻量的MPC纖維的力學(xué)性能和微觀結(jié)果，發(fā)現(xiàn)PVA的加入能顯著提高M(jìn)PC的韌性，而PVA摻量為1.0%時(shí)，PVA在MPC基體內(nèi)部呈現(xiàn)很均勻的分布狀態(tài)，相互之間搭接，形成了很好的網(wǎng)絡(luò)，有利于阻止裂縫的擴(kuò)展。俞家歡等[8]探究了聚丙烯纖維摻量對(duì)MPC混凝土影響，結(jié)果表明，少量的聚丙烯纖維加入到MPC混凝土中，對(duì)MPC混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較小，但能顯著的提高其抗折強(qiáng)度、耐磨性和抗凍性，并經(jīng)過(guò)綜合分析認(rèn)為MPC混凝土的聚丙烯纖維最佳摻量為1.1 kg/m3。唐建明等[9]利用改性聚丙烯纖維(PPF)摻入MPC基體中，制成了改性聚丙烯纖維增強(qiáng)MPC水泥砂漿(MPCM)，并研究了PPF和硅烷偶聯(lián)劑水溶液預(yù)處理過(guò)的PPF對(duì)MPVM的力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明隨PPF摻量的增加，PCFM的抗壓和抗彎性能均呈先增大后減小的趨勢(shì)，并指出PPF的適宜摻量在0.4%～0.6%之間，而經(jīng)過(guò)適宜濃度的硅烷偶聯(lián)劑水溶液預(yù)處理的PPF能進(jìn)一步提高PCFM的力學(xué)性能。

2.3 植物纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥

范詩(shī)建等[10]將稻殼纖維加入MPC中，制備成了稻殼纖維MPC，并對(duì)比了乳白膠、硅烷偶聯(lián)劑、乙烯—醋酸乙烯共聚物和粉煤灰對(duì)稻殼纖維MPC的抗壓、抗折、導(dǎo)熱性能和密度等的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，乳白膠、乙烯—醋酸乙烯共聚物和硅烷偶聯(lián)劑對(duì)稻殼纖維MPC的改性效果明顯，適當(dāng)?shù)募尤肽苡行岣叩練だw維MPC的力學(xué)性能、密度和保溫性能，而適宜的粉煤灰摻量也能有效的提高混凝土的力學(xué)性能和密度，但卻降低了復(fù)合材料的保溫效果。陳兵等[11]利用油菜桿莖加入到粉煤灰磷酸鎂水泥混凝土中，制備成了植物纖維磷酸鎂水泥混凝土復(fù)合材料，研究了該復(fù)合材料的表觀密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨油菜桿摻量的增加，復(fù)合材料的表觀密度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低，而導(dǎo)熱系數(shù)卻不斷降低，在保證成型順利和基本抗壓強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，油菜桿莖的體積摻量為30%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)最低可達(dá)0.05 W/(m2·K)，密度僅為575 kg/m3,是一種良好的輕質(zhì)保溫材料。

綜上可知，類(lèi)似于普通的纖維增強(qiáng)波特蘭水泥混凝土，適量纖維的加入一般都會(huì)在一定程度上降低磷酸鎂水泥混凝土的工作性能、抗壓性能和收縮性，并會(huì)增強(qiáng)MPC的韌性、耐磨性和抗凍性。原因在于纖維的加入會(huì)帶入空隙，使得抗壓強(qiáng)度降低，而纖維較強(qiáng)的韌性會(huì)約束新拌水泥基的流動(dòng)，并使得水泥基硬化后開(kāi)裂后的裂縫不易得到擴(kuò)展，從而使得工作性能降低、韌性、耐磨性和抗凍性增強(qiáng)。

3 工程應(yīng)用前景

纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥具有韌性強(qiáng)，耐磨性高和與新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，因而其工程應(yīng)用具有很廣闊的前景。目前其應(yīng)用主要包括以下3個(gè)方面：

1)以鋼纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥為代表的道路修補(bǔ)應(yīng)用。鋼纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥耐磨性高，韌性強(qiáng)，一般情況下抗折強(qiáng)度達(dá)20 MPa以上，很好的滿(mǎn)足了道路要求耐磨性高，抗沖擊性強(qiáng)的要求，而磷酸鎂水泥本身的快凝早強(qiáng)特性又很好的滿(mǎn)足了一般道路要求快速通車(chē)的需求；

2)以化學(xué)纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥的結(jié)構(gòu)修補(bǔ)應(yīng)用。一般結(jié)構(gòu)修補(bǔ)材料均為環(huán)氧樹(shù)脂等有機(jī)物，具有耐火性差和易老化等缺點(diǎn)。而磷酸鎂水泥作為一種無(wú)機(jī)膠凝材料，不僅具有耐火性好、抗老化等優(yōu)點(diǎn)，由于其能和混凝土結(jié)構(gòu)中的水泥的部分水化產(chǎn)物或未熟化水泥顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成無(wú)定型水化產(chǎn)物，形成較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合力，從而使得其與混凝土結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的界面粘結(jié)力。此外，纖維在其中又能很好的發(fā)揮其增韌作用；

3)以植物纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥混凝土的保溫材料應(yīng)用。植物纖維增強(qiáng)普通水泥混凝土目前已得到了很好的應(yīng)用，但一般需要對(duì)水泥混凝土進(jìn)行提前發(fā)泡處理，才會(huì)具有較好的保溫效果。而磷酸鎂水泥在水化過(guò)程中放熱較快，其內(nèi)部本身就具有較多的密度氣孔，因而不需要發(fā)泡處理也具有很好的保溫隔熱作用，而植物纖維的加入又進(jìn)一步提高了其韌性，有利于擴(kuò)大其工程應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

目前纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥的研究取得了很多的成就，但也存在成本高，施工要求高和無(wú)相應(yīng)的配套規(guī)范等問(wèn)題。但纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥也逐步在工程上開(kāi)始不斷擴(kuò)大應(yīng)用，隨著理論研究、技術(shù)方法和施工工藝的不斷深入，以及經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，相信纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥在不久的將來(lái)必然具有廣闊的工程應(yīng)用前景，并對(duì)傳統(tǒng)的成纖維增強(qiáng)普通水泥混凝土造成較大的沖擊。

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