磷酸鎂水泥性能及發(fā)展前景

劉 飛 潘寶峰 王 磊 何奎亮

(1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116023; 2.遼寧省交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心建設(shè)養(yǎng)護(hù)部，遼寧 沈陽 110005; 3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引言

磷酸鎂水泥(MPC)是由重?zé)趸V、可溶性磷酸鹽、礦物摻合料、緩凝劑和水按照一定的比例混合，其主要利用磷酸鹽和氧化鎂迅速發(fā)生的酸堿中和反應(yīng)，生成較強(qiáng)黏度的無機(jī)膠凝結(jié)合材料，由于其產(chǎn)物的結(jié)晶度高而被稱為磷酸鹽化學(xué)陶瓷結(jié)合材料。因此在建筑材料、工程搶修材料、固化重金屬污染物、耐火材料和生物醫(yī)學(xué)工程材料等方面均有著非常好的應(yīng)用前景，是新型膠凝材料方面關(guān)注研究的熱點(diǎn)之一[1]。

20世紀(jì)初，MPC材料開始應(yīng)用于鑄造業(yè)。1970年，美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)磷酸鉀鎂水泥具有更優(yōu)異的水化性能，并將MPC成功用于固化放射性和有毒廢物，隨后又將其開發(fā)用于凍土地區(qū)或具有地?zé)岬貐^(qū)深層油井的加固。

我國(guó)對(duì)磷酸鎂水泥的研究較晚，姜洪義、汪宏濤[2]等開展了有關(guān)磷酸鎂水泥的水化機(jī)理和工程應(yīng)用等相關(guān)研究。在路面快速修補(bǔ)方面，李九蘇[3]等國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磷酸鎂水泥在實(shí)際工程中的修補(bǔ)應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。

1 磷酸鎂水泥水化機(jī)理及水化產(chǎn)物

基于可溶性磷酸鹽與呈堿性的重?zé)趸V發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，反應(yīng)過程伴隨熱量的產(chǎn)生，Wagh[4]通過XRD,DTA，F(xiàn)T-IR等一系列表征手段分析其水化產(chǎn)物，推斷出MKPC的主要成分為MgKPO4·6H2O(MKP，水化磷酸鎂鉀，鳥糞石)：

MgO+KH2PO4+5H2O→MgKPO4·6H2O

隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，飽和的MgKPO4·6H2O晶體析出，將氧化鎂顆粒之間的縫隙逐漸填充密實(shí)，最終形成以氧化鎂顆粒為骨架MgKPO4·6H2O晶體為水化凝膠具有一定強(qiáng)度的硬化體。

2 磷酸鎂水泥性能的影響因素

2.1 氧化鎂顆粒

Soudee等[5]的研究認(rèn)為氧化鎂比表面積越大，凝結(jié)時(shí)間越短。常遠(yuǎn)等[6]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)度對(duì)鳥糞石的早期強(qiáng)度沒有明顯影響。齊召慶等[7]通過改變MgO顆粒的級(jí)配體系改善MPC的收縮性能，使MPC不收縮或者產(chǎn)生微膨脹，提高修補(bǔ)質(zhì)量。如要延長(zhǎng)磷酸鎂水泥的凝結(jié)時(shí)間，可以提高M(jìn)gO煅燒溫度或降低MgO比表面積[8]。提高M(jìn)gO活性可以改善磷酸鎂水泥的體積穩(wěn)定性[8]。

2.2 P/M質(zhì)量比(磷酸鹽/氧化鎂)

作為磷酸鎂水泥強(qiáng)度的主要來源，磷鎂質(zhì)量比是對(duì)性能影響較大的因素。齊召慶等[9]發(fā)現(xiàn)磷酸鎂水泥收縮達(dá)到最大值后會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，并且膨脹值隨著P/M比值的增大而減小。齊浩霖等[10]發(fā)現(xiàn)當(dāng)P/M=1∶3時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，此時(shí)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物為結(jié)晶度很好的板狀晶體。孫春景等[11]發(fā)現(xiàn)自然養(yǎng)護(hù)條件下MKPC漿體的強(qiáng)度較高，水養(yǎng)護(hù)條件下有更多的MgO和KH2PO4發(fā)生溶解，導(dǎo)致MKPC漿體的抗壓強(qiáng)度較低。

2.3 緩凝劑

磷酸鎂水泥凝結(jié)速度快源于快速發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。需采取高效的緩凝措施以減緩反應(yīng)速率，同時(shí)降低對(duì)材料自身性能的影響。有研究表明，磷酸鎂水泥抗壓強(qiáng)度隨著硼砂摻量的增加先升后降，段新勇等[12]以硼砂、氯化鈣為原料制備復(fù)合緩凝劑，使得水化產(chǎn)物的結(jié)晶度和微裂紋得到了一定改善。因此，在延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間的同時(shí)，復(fù)合緩凝劑更有利于改善磷酸鎂水泥的整體性能。

2.4 摻合料

將礦物摻合料取代部分磷酸鎂水泥是為了降低磷酸鎂水泥的成本。蔣正武等[13]發(fā)現(xiàn)礦物摻和料參與水化進(jìn)程中，形成的無定形物質(zhì)是對(duì)磷酸鎂水泥砂漿強(qiáng)度的補(bǔ)償；礦物摻合料的火山灰活性是改善磷酸鎂水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的重要原因。

3 磷酸鎂水泥改性

3.1 聚合物改性磷酸鎂水泥

適量聚合物的摻入讓混凝土脆性降低，柔性增大，變形能力增加。聚合物填充了基體內(nèi)部孔隙并形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使混凝土材料的抗磨損能力明顯改善，便于道路修補(bǔ)。黃煜鑌等[14]研究發(fā)現(xiàn)聚合物乳液粘度大，漿體流動(dòng)度減小，可延長(zhǎng)磷酸鎂水泥凝結(jié)時(shí)間。

3.2 纖維改性磷酸鎂水泥

20世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始將纖維加入混凝土中以提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。姜自超等[15]摻加0.5%～2.0%(體積分?jǐn)?shù))的玻璃纖維和微鋼纖維，發(fā)現(xiàn)可增強(qiáng)磷酸鎂水泥的抗壓強(qiáng)度和耐磨性。錢覺時(shí)等[16]研究表明玄武巖纖維增韌的磷酸鎂水泥材料在性能上比玻璃纖維具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

4 MPC性能

4.1 力學(xué)性能

MPC砂漿的強(qiáng)度與各組分的摻量均有不同程度的關(guān)系，綜合選取適當(dāng)?shù)脑蠐搅磕軌蛱岣吡姿徭V水泥的強(qiáng)度、韌性和粘結(jié)性能。摻加礦物摻合料既可以優(yōu)化配合比，提升MPC力學(xué)性能，又可以降低成本。汪宏濤[17]通過優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)使磷酸鎂水泥砂漿3 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到40 MPa以上、抗折強(qiáng)度達(dá)到6 MPa以上。

目前筆者開展的研究中，玄武巖纖維增韌磷酸鎂水泥砂漿具有良好的力學(xué)性能。其微觀測(cè)試如圖1所示。

4.2 水穩(wěn)定性

李東旭等[18]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水養(yǎng)條件下與自然養(yǎng)護(hù)條件下相比，MPC抗壓強(qiáng)度是下降的。因?yàn)樗B(yǎng)條件下水泥基體中少量未反應(yīng)的磷酸鹽溶出，使得周圍pH下降呈酸性環(huán)境，鳥糞石晶體逐漸溶解，使體系孔隙率增大，因此出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象。學(xué)者們積極研究改善磷酸鎂水泥耐水性能的措施。楊建明發(fā)現(xiàn)水玻璃對(duì)MPC漿體有增稠作用，不僅增強(qiáng)漿體的抗?jié)B性，還可固化鳥糞石，阻止其溶出[19]。

4.3 抗凍性能

吳發(fā)紅等[20]實(shí)驗(yàn)測(cè)得磷酸鎂水泥凈漿經(jīng)過400次凍融循環(huán)后仍具有較好的抗凍性。因此磷酸鎂水泥非常適用于寒冷地區(qū)的道路橋梁快速修補(bǔ)。

4.4 耐腐蝕性能

混凝土長(zhǎng)時(shí)間受到海水沖擊和有害離子侵蝕，往往伴隨著水工混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剝落、破損現(xiàn)象。甄樹聰?shù)萚21]發(fā)現(xiàn)摻加10%粉煤灰的MPC砂漿抗氯離子侵蝕性明顯優(yōu)于水泥砂漿。俞佳歡等[22]發(fā)現(xiàn)磷酸鹽快速修補(bǔ)材料耐鹽腐蝕性能較強(qiáng)，耐酸堿腐蝕性能較差。

5 綜合評(píng)述

磷酸鎂水泥(MPC)，一種在常溫下通過酸—堿中和反應(yīng)形成的新型快速膠凝材料。與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥相比，磷酸鎂水泥，具有強(qiáng)度發(fā)展快、抗凍、耐鹽腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，力學(xué)性能雖受到原材料占比的影響，但通過摻加聚合物和纖維可以得到有效改善。此外，礦物摻合料的摻入不僅降低成本，還改善磷酸鎂水泥的水穩(wěn)定性和抵抗酸堿腐蝕的能力。目前迎合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，廢棄物應(yīng)用于磷酸鎂水泥改性領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié)語

磷酸鎂水泥耐久性相對(duì)于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥具有明顯的優(yōu)勢(shì)。憑借快速形成強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，磷酸鎂水泥可用于搶修、快速修復(fù)工程。目前研究主要集中在提升磷酸鎂水泥力學(xué)性能的措施方面，而對(duì)實(shí)際應(yīng)用中其與已有構(gòu)造物材料的協(xié)同工作性能尚缺乏研究。因此，未來可研究磷酸鎂水泥修補(bǔ)材料和舊水泥混凝土構(gòu)造物協(xié)同工作特性，為該材料的推廣和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。