磷酸鎂水泥砂漿性能試驗(yàn)研究

馬鋒玲，王 剛，徐 耀，王少江，方銘典

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.水利部水工程建設(shè)與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；3.山西省小浪底引黃工程建設(shè)管理局，山西 太原 030000；4.北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

1 研究背景

混凝土長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于老化病害、自然災(zāi)害或維護(hù)不及時(shí)等原因常引起局部損壞或結(jié)構(gòu)失效，如災(zāi)后水工建筑物受損，應(yīng)盡快對(duì)受損部位進(jìn)行快速修補(bǔ)，以滿足搶險(xiǎn)救災(zāi)和渡汛期間對(duì)建筑物強(qiáng)度和變形的要求。磷酸鎂水泥(MPC)是一種新型環(huán)保膠凝材料，是由重?zé)趸V和磷酸鹽及緩凝劑按適當(dāng)比例配制、加水發(fā)生酸-堿反應(yīng)、快速硬化的一種特種膠凝材料，最早出現(xiàn)于美國(guó)，1970年開(kāi)始作為結(jié)構(gòu)加固、快速修補(bǔ)材料等得到大家關(guān)注。1983年，Sugama等對(duì)磷酸鹽材料的水化機(jī)理、顯微結(jié)構(gòu)及緩凝機(jī)理進(jìn)行了研究[1]；1989年，Abdelrazig等對(duì)磷酸鹽材料的強(qiáng)度、孔結(jié)構(gòu)、水化產(chǎn)物進(jìn)行了研究[2]；2001年，Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以磷酸二氫鉀代替銨鹽，發(fā)明了水化性能較好的磷酸鉀鎂水泥，并研究該系列水泥固化各種廢棄物的能力[3]；西方發(fā)達(dá)國(guó)家利用其快硬高強(qiáng)的特點(diǎn)，把它大量用于混凝土路面、公路、橋梁、飛機(jī)跑道及工業(yè)廠房等的快速修復(fù)上。我國(guó)于1990年末期開(kāi)始關(guān)注，此后MPC在我國(guó)關(guān)注度持續(xù)增加。2010年，曹巨輝等[4]研究了水泥比表面積、膠砂比、水膠比、緩凝劑和養(yǎng)護(hù)方式等因素對(duì)磷酸鎂水泥砂漿強(qiáng)度的影響。2011年，周啟兆等[5]研究了一種用于水泥混凝土路面修補(bǔ)的磷酸鎂水泥，3d、28d粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)6.2、8.6MPa。2014年，田正宏等[6]研究了人工砂摻量對(duì)磷酸鉀鎂水泥(MKPC)砂漿強(qiáng)度及體積穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，人工砂摻量為50%的MKPC砂漿強(qiáng)度最高，體積變形表現(xiàn)出微膨脹性，體積穩(wěn)定性良好。2016年，楊全兵等[7]研究了粉煤灰對(duì)磷酸鹽水泥砂漿與混凝土之間粘結(jié)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉煤灰摻量小于20%時(shí)，MPC砂漿7d后的粘結(jié)抗折強(qiáng)度和ld后的粘結(jié)拔拉強(qiáng)度均超過(guò)硅酸鹽水泥混凝土基體。2018年，丁鑄等[8]制備了工作性能適宜錨固要求的磷酸鎂水泥砂漿，體現(xiàn)了MPC砂漿優(yōu)良的植筋錨固性能。2019年，馮哲等[9]研究了磷酸鹽水泥砂漿修復(fù)材料的性能，并與硅酸鹽基材料與硫鋁酸鹽基材料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明磷酸鹽水泥修補(bǔ)材料具有更好的修復(fù)與黏結(jié)性能。

目前對(duì)磷酸鎂水泥的研究主要集中于混凝土老化病害的薄層修補(bǔ)，但少有工程應(yīng)用實(shí)例。本文采用不同粒徑砂，在不同工況下對(duì)磷酸鎂水泥砂漿基本性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，為磷酸鎂水泥在水工建筑物應(yīng)急搶險(xiǎn)與快速修補(bǔ)加固中的應(yīng)用提供技術(shù)依托。

2 原材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用自制磷酸鎂水泥，并采用R.SAC42.5快硬硫鋁酸鹽水泥作為對(duì)比組。磷酸鎂水泥制備原材料主要包括：①重?zé)趸V(MgO，縮寫(xiě)為M)，密度3.47g/cm3，細(xì)度195m2/kg，氧化鎂含量96.8%，燒失量0.8%，可溶于酸或銨鹽，難溶于水，溶液呈弱堿性。②磷酸二氫銨(NH4H2PO4，縮寫(xiě)為P)，密度1.80g/cm3，純度98%，易溶于水，溶液呈弱酸性，主要為磷酸鎂水泥水化提供酸性環(huán)境和磷酸根離子。③硼砂(Na2B4O7，縮寫(xiě)為B)，密度1.73g/cm3，純度95%，易溶入水，水溶液呈弱堿性，作為緩凝劑以調(diào)節(jié)磷酸鎂水泥的凝結(jié)硬化速度。根據(jù)前期研究成果，磷酸鎂水泥配方為：P/M=1∶3，硼砂摻量B/M=10%。用于對(duì)比試驗(yàn)的硫鋁酸鹽水泥，密度2.87g/cm3，比表面積490m2/kg，初凝時(shí)間13.5min，3、28d抗壓強(qiáng)度分別為46.2、60.5MPa。硫鋁酸鹽水泥的外加劑為聚羧酸高性能減水劑(粉劑)和有機(jī)酸緩凝劑(粉劑)。

試驗(yàn)采用三種不同粒徑砂，其顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。三種砂分別為級(jí)配不良砂(SP)、含細(xì)粒土砂(SF)和粉土質(zhì)砂(SM)，細(xì)度模數(shù)分別為2.45、2.97和1.72，其中SM為細(xì)砂，SP和SF為中砂，主要區(qū)別在細(xì)粒含量上。

圖1 砂顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

采用微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試砂漿強(qiáng)度。試件尺寸為40mm×40mm×160mm，成型1～2h后拆模放入標(biāo)養(yǎng)室中養(yǎng)護(hù)。自流平、泵送、常態(tài)工況下流動(dòng)度分別控制為260～300mm、160～180mm、140～160mm(砂漿跳桌流動(dòng)度)，干硬性工況下采用最佳用水量；硬化時(shí)間約為30～60min，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)工程具體情況可調(diào)。圖2為磷酸鎂水泥砂漿流動(dòng)度測(cè)定，圖3為自流平灌注成型砂漿試件，自密實(shí)、無(wú)敲搗等輔助措施。

圖2 磷酸鎂水泥砂漿流動(dòng)度測(cè)定

圖3 自流平灌注成型磷酸鎂水泥砂漿試件

3 磷酸鎂水泥砂漿試驗(yàn)結(jié)果

采用自配的磷酸鎂水泥(P/M=1∶3，B/M=10%)與三種不同粒徑的天然砂(SP、SF、SM)，針對(duì)自流平、泵送、常態(tài)、干硬四種工況進(jìn)行磷酸鎂水泥砂漿的強(qiáng)度試驗(yàn)，研究不同類型磷酸鎂水泥砂漿的基本性能，并采用R.SAC42.5快硬硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，積累基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為不同條件下實(shí)際工程的應(yīng)用提供技術(shù)依托。

3.1 水膠比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

對(duì)于硅酸鹽水泥，混凝土強(qiáng)度與膠水比具有線性相關(guān)性，磷酸鹽水泥是否也具有同樣的關(guān)系需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在三種工況下，對(duì)磷酸鎂水泥砂漿抗壓強(qiáng)度與膠水比進(jìn)行了一元線性回歸分析，配合比及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，強(qiáng)度與膠水比的回歸關(guān)系曲線如圖4所示。試驗(yàn)表明磷酸鎂水泥砂漿抗壓強(qiáng)度與膠水比也具有線性相關(guān)性，強(qiáng)度隨膠水比增加而增加。

圖4 磷酸鎂水泥砂漿抗壓強(qiáng)度與膠水比的關(guān)系

表1 磷酸鎂水泥砂漿配合比及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)采用級(jí)配不良砂SP，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(20℃±5℃，相對(duì)濕度95%以上)、標(biāo)養(yǎng)室水中養(yǎng)護(hù)、室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)三種養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)灰砂比1∶3，水膠比0.32，砂漿跳桌流動(dòng)度160mm，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和圖5。試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)磷酸鎂水泥砂漿強(qiáng)度影響較大，室內(nèi)自然條件養(yǎng)護(hù)下，由于90d之前正值夏天，室內(nèi)溫度較高，因此強(qiáng)度最高，并且發(fā)展較快，與7d強(qiáng)度相比，28、90d強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為151%和173%，之后進(jìn)入秋冬季節(jié)，強(qiáng)度發(fā)展緩慢，270d強(qiáng)度與90d相比增長(zhǎng)率為104%(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)的同期增長(zhǎng)率為23.9%)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和水中養(yǎng)護(hù)條件下，其強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律相近，與7d強(qiáng)度相比，28、90、270d強(qiáng)度增長(zhǎng)率平均值分別為101%、134%和166%；與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，水中養(yǎng)護(hù)時(shí)其強(qiáng)度降低，且齡期越長(zhǎng)降低幅度越大，1、7、28、90d齡期抗壓強(qiáng)度降低幅度分別為6%、11%、16%和27%。其原因可能在于當(dāng)周圍水分含量較大時(shí)，在滲透水的作用下，部分未反應(yīng)的磷酸鹽緩慢溶解出來(lái)，使后期參與水化的磷酸鹽減少，導(dǎo)致生成物的數(shù)量降低；同時(shí)磷酸鹽水化產(chǎn)物在水中也受到一定的溶蝕和水解造成結(jié)構(gòu)密實(shí)度下降，從而造成磷酸鎂水泥砂漿強(qiáng)度的下降。由此可見(jiàn)，磷酸鹽水泥的長(zhǎng)期耐水性較差，應(yīng)盡量避免用于長(zhǎng)期接觸水的環(huán)境中。

表2 不同養(yǎng)護(hù)條件下磷酸鎂水泥砂漿的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖5 養(yǎng)護(hù)條件與磷酸鎂水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

3.3 磷酸鎂水泥與硫鋁酸鹽水泥對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

采用不同粒徑砂，在自流平、泵送、常態(tài)工況下，磷酸鎂水泥(MPC)砂漿和硫鋁酸鹽水泥(SAC)砂漿的試驗(yàn)配合比及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3及圖6，硫鋁酸鹽水泥中均摻入了占水泥質(zhì)量0.3%的減水劑和0.3%的緩凝劑。試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：①磷酸鹽水泥砂漿和硫鋁酸鹽水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度均與齡期呈對(duì)數(shù)關(guān)系，強(qiáng)度早期迅速增加，后期增長(zhǎng)緩慢。②與硫鋁酸鹽水泥砂漿相比，磷酸鎂水泥砂漿3h抗壓強(qiáng)度平均提高約30%，其他齡期抗壓強(qiáng)度均低于硫鋁酸鹽水泥，平均降低約36%?？梢?jiàn)，磷酸鎂水泥的優(yōu)勢(shì)在超早強(qiáng)，當(dāng)灰砂比1∶1，水膠比0.18時(shí)，其3h抗壓強(qiáng)度高達(dá)34.6MPa。③從強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律看，磷酸鎂水泥砂漿的早期強(qiáng)度發(fā)展更快，與7d抗壓強(qiáng)度相比，磷酸鎂水泥砂漿3h、1d、3d強(qiáng)度增長(zhǎng)率平均值分別為60%、84%和93%，硫鋁酸鹽水泥砂漿分別為36%、75%和94%。④相同試驗(yàn)條件下，兩種水泥砂漿的折壓比相近。磷酸鎂水泥SP、SF、SM砂漿的折壓比平均值分別為0.16、0.19和0.21。⑤隨著膠砂比的降低和水膠比的提高，磷酸鎂水泥砂漿強(qiáng)度顯著降低，高早強(qiáng)磷酸鎂水泥砂漿的膠砂比不應(yīng)低于1∶1，水膠比以控制0.18～0.20為宜，水膠比增大，3h強(qiáng)度很難到達(dá)30MPa以上，磷酸鎂水泥將失去其優(yōu)勢(shì)。

表3 不同砂漿配合比及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖6 不同工況下兩種水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

干硬性工況下，磷酸鎂水泥和硫鋁酸鹽水泥的砂漿配合比及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4及圖7。表中水泥用量、用水量均為其與砂的質(zhì)量百分比，硫鋁酸鹽水泥中均摻入了占水泥質(zhì)量0.4%的緩凝劑。干硬性工況下采用最佳用水量，人工擊實(shí)成型。由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，磷酸鎂水泥用量10%時(shí)，干硬性SP、SF砂漿的3h、1d、3d抗壓強(qiáng)度在1.2～4.3MPa之間，SM砂漿在0.87～1.9MPa之間；磷酸鎂水泥用量20%時(shí)，干硬性SP、SF砂漿3h、1d、3d抗壓強(qiáng)度為6.8～15.9MPa，SM砂漿為4.2～6.0MPa。磷酸鎂水泥用量由10%提高到20%時(shí)，干硬性砂漿抗壓強(qiáng)度顯著提高，早期強(qiáng)度提高3倍以上，長(zhǎng)期強(qiáng)度提高1.5倍以上。相同水泥摻量下，磷酸鎂水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度均明顯低于硫鋁酸鹽水泥，平均降低約64%。

4 結(jié)論

(1)磷酸鹽水泥砂漿和硫鋁酸鹽水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度均與齡期呈對(duì)數(shù)關(guān)系，強(qiáng)度早期迅速增加，后期增長(zhǎng)緩慢。

(2)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，水中養(yǎng)護(hù)條件下磷酸鎂水泥砂漿抗壓強(qiáng)度降低約6%～27%，且齡期越長(zhǎng)降低幅度越大，說(shuō)明磷酸鹽水泥的長(zhǎng)期耐水性較差，應(yīng)盡量避免用于長(zhǎng)期接觸水的環(huán)境中。

(3)與硫鋁酸鹽水泥砂漿相比，磷酸鎂水泥砂漿3h抗壓強(qiáng)度平均提高約30%，其他齡期抗壓強(qiáng)度均低于硫鋁酸鹽水泥，平均降低約36%。磷酸鎂水泥的優(yōu)勢(shì)在超早強(qiáng)，當(dāng)灰砂比1∶1，水膠比0.18時(shí)，其3h抗壓強(qiáng)度高達(dá)35MPa。

(4)磷酸鎂水泥砂漿強(qiáng)度隨膠砂比的降低和水膠比的提高而顯著降低，高早強(qiáng)磷酸鎂水泥砂漿的膠砂比不應(yīng)低于1∶1，水膠比以控制在0.18～0.20為宜，水膠比增大，磷酸鎂水泥將失去其優(yōu)勢(shì)。