微細(xì)鋼纖維磷酸鎂水泥砂漿的基本力學(xué)性能

馮虎，趙曉聰，高丹盈，趙軍

（鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引言

磷酸鎂水泥（Magnesium Phosphate Cement，簡(jiǎn)稱(chēng) MPC）是一種新型高性能建筑材料，一般由重?zé)趸V和磷酸鹽配制而成，相對(duì)普通硅酸鹽水泥而言，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：凝結(jié)快、早強(qiáng)、低溫下可水化（-20℃）、耐高溫、粘結(jié)強(qiáng)度高和施工方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于市政道路、公路路面、橋面、機(jī)場(chǎng)跑道和碼頭等快速修復(fù)和加固。20世紀(jì)50年代開(kāi)始用做建筑材料，美國(guó)Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[1]通過(guò)磷酸二氫銨和氧化鎂配制了磷酸銨鎂膠凝材料，用于路面快速修復(fù)，并對(duì)其水化機(jī)理和水化產(chǎn)物進(jìn)行了研究。之后，有大量文獻(xiàn)圍繞磷酸鎂水泥的制備、耐水性、緩凝劑以及摻入粉煤灰和硅粉的影響等方面展開(kāi)了研究。前期研究表明，磷酸鎂水泥的性能主要受氧化鎂與磷酸鹽摩爾比（M/P）、氧化鎂顆?；钚?、緩凝劑種類(lèi)和摻量、水摻量和環(huán)境溫度等方面的影響[2-6]。緩凝劑方面，楊建明等[7]通過(guò)添加十二水合磷酸氫二鈉來(lái)改良力學(xué)性能和控制凝結(jié)時(shí)間；段新勇等[8]還研發(fā)了復(fù)合緩凝劑。Zheng和李九蘇等[9-10]研究了磷酸鎂水泥和磷酸鎂水泥混凝土的耐水性和耐久性能。楊楠[11]研究了磷酸鎂水泥的粘結(jié)性能，結(jié)果表明，鋼纖維與磷酸鎂水泥基體的粘結(jié)強(qiáng)度顯著高于普通硅酸鹽水泥。

相對(duì)于普通鋼纖維，微細(xì)鋼纖維抗拉強(qiáng)度更高、單位摻量下根數(shù)更多、在基體中分布更加均勻，因此其增強(qiáng)、增韌效果更加顯著[12]，活性粉末混凝土為了實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度，普遍采用微細(xì)鋼纖維進(jìn)行增強(qiáng)，文獻(xiàn)[13-14]也基于此特性，配制了高強(qiáng)和快硬的高性能混凝土，開(kāi)展了力學(xué)性能試驗(yàn)研究。

基于磷酸鎂水泥優(yōu)異特性以及微細(xì)鋼纖維對(duì)脆性水泥基材料優(yōu)異改性作用，本文配制了微細(xì)鋼纖維磷酸鎂水泥砂漿，通過(guò)分別單摻硼砂和復(fù)合緩凝劑，研究砂灰比、水灰比和纖維摻量在不同齡期下微細(xì)鋼纖維磷酸鎂水泥砂漿的力學(xué)性能，并與快硬硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥對(duì)比，分析微細(xì)鋼纖維對(duì)不同水泥基體的增強(qiáng)增韌效果。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

氧化鎂（M）：重?zé)V砂，粒度325目，MgO含量92%，新密市正陽(yáng)鑄造材料廠提供。磷酸二氫鉀（P）：白色結(jié)晶性粉末，相對(duì)密度2.338，熔點(diǎn)252.6℃，工業(yè)級(jí)，純度98%，粒度80目，吳江市偉通化工有限公司生產(chǎn)。緩凝劑：硼砂（B），工業(yè)級(jí)，粒度80～100目，純度95%，遼寧硼達(dá)科技有限公司生產(chǎn)；復(fù)合緩凝劑（CR），由硼砂、氯化鈣和十二水合磷酸氫二鈉復(fù)合而成。氯化鈣：分析純，純度≥96.0%。十二水合磷酸氫二鈉（Na2HPO4·12H2O）：結(jié)晶狀，分析純，純度≥99.0%，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。砂：天然中細(xì)河砂，細(xì)度模數(shù)2.06。P·O42.5水泥：河南孟電集團(tuán)水泥有限公司提供；42.5級(jí)硫鋁酸鹽水泥：安達(dá)特種水泥有限公司提供。鋼纖維：微細(xì)端鉤型鋼纖維，上海真強(qiáng)纖維有限公司提供，形狀見(jiàn)圖1，規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 微細(xì)鋼纖維形貌

表1 微細(xì)鋼纖維參數(shù)

1.2 物料配比

試驗(yàn)中固定磷酸鎂水泥（MPC）組分，即氧化鎂和磷酸二氫鉀的摩爾比（M/P）固定為4，分別采用硼砂（B）和復(fù)合緩凝劑（CR），復(fù)合緩凝劑為硼砂、十二水合磷酸氫二鈉和氯化鈣質(zhì)量比 1∶3∶1 的混合物[9]。砂灰比（S/C）為砂與磷酸鎂水泥的質(zhì)量比，水灰比（W/C）為水與磷酸鎂水泥的質(zhì)量比，纖維摻量為體積摻量，緩凝劑摻量按占氧化鎂質(zhì)量計(jì)。

為了分析微細(xì)鋼纖維對(duì)不同水泥基體的增強(qiáng)效果，本文還進(jìn)行了快硬硫鋁酸鹽水泥（SAC）和普通硅酸鹽水泥（OPC）微細(xì)鋼纖維砂漿的強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。3種砂漿的砂灰比均為1.0，MPC的水灰比為0.16，摻9%復(fù)合緩凝劑；OPC的水灰比為0.34，SAC的水灰比為0.36，未摻緩凝劑。

1.3 試塊制作

原材料的投放順序?yàn)椋簩⒐腆w顆粒按配合比稱(chēng)量后倒入攪拌鍋低速攪拌混勻，然后，緩慢添加微細(xì)鋼纖維并保持低速攪拌，最后加水?dāng)嚢?。將攪拌好的漿體迅速澆筑到40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)鋼模中，置于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)，用刮刀壓實(shí)抹平。采用磷酸鎂水泥、硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的試塊分別在澆筑成型30 min、3 h和6 h后脫模，置于室內(nèi)養(yǎng)護(hù)（室溫18～22℃，相對(duì)濕度50%）。

1.4 測(cè)試方法和儀器

抗壓和抗折強(qiáng)度測(cè)試：根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行，每組3個(gè)試件，試件尺寸40 mm×40 mm×160 mm，抗折強(qiáng)度測(cè)試后的斷塊在受壓面積為40 mm×40 mm的壓頭下進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。微細(xì)鋼纖維磷酸鎂水泥砂漿試塊測(cè)試了養(yǎng)護(hù)齡期6 h、12 h、l d、3 d和7 d的抗壓和抗折強(qiáng)度。普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的試塊只測(cè)試了7 d齡期的抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 摻加復(fù)合緩凝劑MPC的力學(xué)性能

2.1.1 砂灰比的影響

水灰比為0.18，微細(xì)鋼纖維摻量為1.2%，復(fù)合緩凝劑摻量為9%時(shí)，不同砂灰比下MPC各齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，各組試件的抗壓強(qiáng)度隨齡期的延長(zhǎng)發(fā)展很快，1 d齡期時(shí)強(qiáng)度可達(dá)7 d齡期的70.8%～89.6%。砂灰比過(guò)大時(shí)（S/C=1.2），膠凝物生成量不足以充分包裹細(xì)骨料和鋼纖維，同時(shí)，拌合物的工作性能變差，抗壓強(qiáng)度有下降的趨勢(shì)；砂灰比太小時(shí)（S/C=0.8），砂用量偏少，沒(méi)有充分發(fā)揮砂的骨料作用，同時(shí)在拌合、澆筑過(guò)程中發(fā)現(xiàn)拌合物流動(dòng)性較大，實(shí)際用水量可能已經(jīng)超過(guò)理論需水量，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度在早齡期時(shí)小于砂灰比為1.0的情況。各齡期下抗折強(qiáng)度隨砂灰比的變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度類(lèi)似。

圖2 砂灰比對(duì)MPC各齡期強(qiáng)度的影響

2.1.2 水灰比的影響

砂灰比為1.0，微細(xì)鋼纖維摻量為1.2%，復(fù)合緩凝劑摻量為9%時(shí)，不同水灰比下MPC各齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 水灰比對(duì)MPC各齡期強(qiáng)度的影響

由圖3可見(jiàn)，各組試件的抗壓強(qiáng)度隨齡期延長(zhǎng)發(fā)展迅速，1 d齡期時(shí)強(qiáng)度可達(dá)7 d齡期的72.5%～80.5%；抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而先提高后降低，在水灰比為0.16時(shí)達(dá)到最大，即砂灰比1.0時(shí)，水灰比在0.16達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)水灰比為0.14時(shí)，實(shí)際用水量偏少，造成拌合不均勻，水化產(chǎn)物對(duì)砂和纖維包裹不均勻，因而強(qiáng)度反而比水灰比0.16低；水灰比為0.18時(shí)，實(shí)際用水量偏大，過(guò)量水使得早期強(qiáng)度發(fā)展較慢，后期水分蒸發(fā)導(dǎo)致試塊內(nèi)部孔隙率增加，進(jìn)而削弱了強(qiáng)度。各水灰比下抗折強(qiáng)度隨著齡期延長(zhǎng)逐漸提高，其中3 d齡期以?xún)?nèi)，增加尤為迅速；隨著水灰比的增大，早期抗折強(qiáng)度無(wú)太大差別，但后期抗折強(qiáng)度整體先提高后降低，原因與抗壓強(qiáng)度變化類(lèi)似。

2.1.3 微細(xì)鋼纖維摻量的影響

砂灰比為1.0，水灰比為0.16，復(fù)合緩凝劑摻量為9%時(shí)，不同微細(xì)鋼纖維摻量下MPC各齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 摻復(fù)合緩凝劑時(shí)微細(xì)鋼纖維摻量對(duì)MPC強(qiáng)度的影響

由圖4可見(jiàn)，各微細(xì)鋼纖維摻量下MPC的抗壓強(qiáng)度隨齡期的延長(zhǎng)迅速提高，6 h抗壓強(qiáng)度最高為37.3 MPa，達(dá)到7 d的66.4%；1 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到7 d的80%～83%。各齡期抗壓強(qiáng)度隨微細(xì)鋼纖維摻量增加而提高，與不摻微細(xì)鋼纖維的相比，7 d齡期時(shí)增幅達(dá)70%，短齡期時(shí)增幅更大。磷酸鎂水泥水化產(chǎn)物與鋼纖維的粘結(jié)強(qiáng)度顯著優(yōu)于普通硅酸鹽水泥[11]，同時(shí)，微細(xì)鋼纖維相同摻量下較普通鋼纖維具有更多的根數(shù)，因此微細(xì)鋼纖維對(duì)于提高磷酸鎂水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的效果顯著。

各微細(xì)鋼纖維摻量下MPC的抗折強(qiáng)度隨齡期延長(zhǎng)而提高，3 d內(nèi)增長(zhǎng)迅速，3 d達(dá)到7 d強(qiáng)度的87%～97%。各齡期抗折強(qiáng)度隨微細(xì)鋼纖維摻量的增加而提高，與不摻微細(xì)鋼纖維的相比，最大增幅可達(dá)297%，微細(xì)鋼纖維對(duì)于提高磷酸鎂水泥砂漿抗折強(qiáng)度的效果較抗壓強(qiáng)度更為顯著。

2.2 緩凝劑類(lèi)型對(duì)MPC力學(xué)性能的影響

2.2.1 摻硼砂緩凝劑試樣的力學(xué)性能

砂灰比為0.8，水灰比為0.16，硼砂緩凝劑摻量為6%時(shí)，不同微細(xì)鋼纖維摻量下MPC各齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 摻硼砂緩凝劑時(shí)微細(xì)鋼纖維摻量對(duì)MPC強(qiáng)度的影響

由圖5可見(jiàn)，隨著齡期的延長(zhǎng)，各微細(xì)鋼纖維摻量下MPC的抗壓強(qiáng)度均顯著提高，早強(qiáng)特性明顯，1 d強(qiáng)度達(dá)到7 d的62.2%～75.5%。隨著微細(xì)鋼纖維摻量的增加，各齡期下的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，摻量在0.8%以?xún)?nèi)時(shí)增加顯著，超過(guò)0.8%后增幅減小。與不摻微細(xì)鋼纖維的相比，微細(xì)鋼纖維摻量為1.6%時(shí)7d抗壓強(qiáng)度可提高53%。強(qiáng)度整體略高于摻復(fù)合緩凝劑的情況，復(fù)合緩凝劑相對(duì)硼砂進(jìn)一步減緩了磷酸鎂水泥的水化反應(yīng)，早齡期強(qiáng)度較摻硼砂的有所降低，有文獻(xiàn)表明[8]，7 d以后摻2類(lèi)緩凝劑的強(qiáng)度趨于一致。

隨齡期延長(zhǎng)，各微細(xì)鋼纖維摻量下MPC的抗折強(qiáng)度逐漸提高，1 d以?xún)?nèi)時(shí)增加迅速，1 d達(dá)到7 d強(qiáng)度的80%～89%；隨微細(xì)鋼纖維摻量的增加各齡期抗折強(qiáng)度也逐漸提高，且提高幅度較抗壓強(qiáng)度更加顯著，與不摻微細(xì)鋼纖維相比，微細(xì)鋼纖維摻量為1.6%時(shí)，抗折強(qiáng)度最大可提高216%。

2.2.2 采用不同緩凝劑的試塊強(qiáng)度對(duì)比分析

為了進(jìn)一步分析2類(lèi)緩凝劑的不同效果，對(duì)水灰比為0.16、砂灰比為1.0、纖維摻量為0.8%、分別摻6%硼酸和9%復(fù)合緩凝劑的試件（記為B-0.8%和CR-0.8%）以及水灰比為0.16、砂灰比為0.8、纖維摻量為1.2%，分別摻6%硼酸和9%復(fù)合緩凝劑的試件（記為B-1.2%和CR-1.2%）折壓比進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 緩凝劑對(duì)MPC折壓比的影響

由圖6可見(jiàn)，相同緩凝劑時(shí)微細(xì)鋼纖維摻量1.2%的折壓比在長(zhǎng)齡期時(shí)高于微細(xì)鋼纖維摻量為0.8%的情況；復(fù)合緩凝劑時(shí)的折壓比顯著高于單摻硼砂的情況，說(shuō)明復(fù)合緩凝劑時(shí)微細(xì)鋼纖維對(duì)磷酸鎂水泥砂漿的韌性改良更加顯著。摻量合適的復(fù)合緩凝劑可以使磷酸鎂水泥水化產(chǎn)物（KMgPO4·6H2O）的晶粒減小，堆積緊密，微裂紋也得到了一定改善[9]，這些特征也將改良鋼纖維與基體的界面，進(jìn)而使得微細(xì)鋼纖維增韌效果更加突出。

2.3 水泥類(lèi)型對(duì)基體力學(xué)性能的影響（見(jiàn)圖7）

圖7 水泥類(lèi)型對(duì)基體抗壓強(qiáng)度的影響

由圖7可見(jiàn)，3種水泥的基體抗壓強(qiáng)度都隨微細(xì)鋼纖維摻量的增加而顯著提高，說(shuō)明微細(xì)鋼纖維的增強(qiáng)作用顯著。隨著鋼纖維摻量從0增加到1.6%，MPC、SAC和OPC三種水泥基體抗壓強(qiáng)度分別提高了69.8%、42.0%、26.0%，可見(jiàn)微細(xì)鋼纖維對(duì)MPC基體的增強(qiáng)效果最顯著。相對(duì)于SAC和OPC，MPC漿體在水化初期呈弱酸性，鋼纖維中的金屬離子部分溶出并與溶液中的磷酸鹽結(jié)合，纖維周?chē)纬上鄬?duì)致密的磷酸鹽保護(hù)膜即鈍化膜；界面過(guò)渡區(qū)的微缺陷及裂紋減少、密實(shí)度增加，并且，磷酸鎂水泥基體與鋼纖維的界面過(guò)渡區(qū)范圍更小、結(jié)構(gòu)更密實(shí)，磷酸鎂水泥水化產(chǎn)物能良好生長(zhǎng)并橋接在基體與纖維之間，因此，磷酸鎂水泥基體與鋼纖維粘結(jié)性能更好。有研究表明[12]，鋼纖維與磷酸鎂水泥的粘結(jié)強(qiáng)度和纖維拔出耗能分別是與硅酸鹽水泥的1.96倍和1.66倍。良好的粘結(jié)性能帶來(lái)更顯著的增強(qiáng)效果。

3 結(jié)論

（1）由于磷酸鎂水泥的快速水化，在微細(xì)鋼纖維增強(qiáng)作用下，微細(xì)鋼纖維磷酸鎂水泥砂漿早強(qiáng)特性顯著，6 h抗壓強(qiáng)度可達(dá)37.3 MPa，是7 d強(qiáng)度的66.4%，適用于各類(lèi)搶修工程。

（2）隨纖維摻量增加，微細(xì)鋼纖維磷酸鎂水泥砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度都顯著提高，抗折強(qiáng)度提高更加明顯。

（3）隨微細(xì)鋼纖維摻量的增加，MPC的折壓比逐漸增大，微細(xì)鋼纖維對(duì)于磷酸鎂水泥砂漿的韌性提高比較明顯。

（4）相對(duì)硼砂緩凝劑，摻量合適的復(fù)合緩凝劑改善了基體與鋼纖維的界面，隨纖維摻量的增加，折壓比顯著增大，鋼纖維的增韌效果更突出。