快速修補(bǔ)水泥研究現(xiàn)狀

趙曉航

摘 要：結(jié)合水泥混凝土路面快速修補(bǔ)的行業(yè)特點(diǎn)，總結(jié)水泥混凝土路面快速修補(bǔ)的實(shí)際應(yīng)用需求，分析現(xiàn)有的快速修補(bǔ)材料的力學(xué)性能、耐久性能等。重點(diǎn)介紹磷酸鎂水泥、氯氧鎂水泥和堿式硫酸鎂水泥的優(yōu)缺點(diǎn)，綜述了國內(nèi)外學(xué)者在三種快硬水泥性能方面的研究進(jìn)展，總結(jié)這三種快硬水泥存在的問題，并展望未來的應(yīng)用前景，探討快速修補(bǔ)材料的發(fā)展新途徑。

關(guān)鍵詞：快速修補(bǔ) 磷酸鎂水泥 氯氧鎂水泥 堿式硫酸鎂水泥 力學(xué)性能

一、引言

作為全球應(yīng)用最廣泛的建筑材料，水泥混凝土在耐久性能方面表現(xiàn)不足需要學(xué)者進(jìn)行深層探索。季凍區(qū)的水泥混凝土路面在車輛荷載、環(huán)境因素的耦合作用過程中經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的破損，常見的破壞形式為橫向斷裂、板角斷裂、錯(cuò)臺(tái)、填縫料損壞、坑洞、唧泥等，這些病害影響道路的壽命和交通安全。因此路面出現(xiàn)破壞后需要進(jìn)行快速修補(bǔ)從而恢復(fù)道路正常使用，為了盡可能降低路面維修對交通的延誤影響，分別從修補(bǔ)材料、施工工藝等不同的方面進(jìn)行探索。

目前，水泥混凝土路面的相關(guān)修補(bǔ)材料有很多種，但大多都無法滿足實(shí)際路用性能。如在繁忙的交通路段，快速修補(bǔ)材料的作用就是能夠快速開放交通，不影響正常的交通運(yùn)輸。因此，應(yīng)對以上問題，需要開發(fā)早期強(qiáng)度高、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，而且與舊水泥混凝土的黏結(jié)性能好、材料的韌性高、收縮性能和耐磨性能好的水泥混凝土路面快速修補(bǔ)材料。

隨著工業(yè)民用技術(shù)的快速發(fā)展，特種水泥行業(yè)涌現(xiàn)出不少佼佼者。普通水泥混凝土養(yǎng)護(hù)周期長，對交通影響大。快硬水泥可以很好地解決這一問題。目前主要的快硬水泥有快硬硅酸鹽水泥、高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥、磷酸鎂水泥、堿式硫酸鎂水泥等。其中磷酸鎂水泥和堿式硫酸鎂水泥憑借其出色力學(xué)性能和耐久性能得以快速發(fā)展。

二、磷酸鎂水泥

磷酸鎂水泥是重?zé)V砂和磷酸二氫鉀在常溫下加水后，經(jīng)過酸堿中和反應(yīng)，生成的新型氣硬性膠凝材料。該材料具有快速凝結(jié)硬化、體積穩(wěn)定性好、早期強(qiáng)度高、耐久性能好、黏結(jié)性能優(yōu)異等特點(diǎn)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，磷酸鎂水泥可作為修補(bǔ)材料應(yīng)用在水泥混凝土路面快速修補(bǔ)領(lǐng)域。

Sugama等對MPC的水化機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)等開展研究。Wagh等提出采用KH2PO4代替（NH4）2HPO4制備磷酸鎂鉀水泥，后者在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生氨氣。我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校對MPC的水化機(jī)理、性能改善展開研究。磷酸鎂水泥性能主要包括強(qiáng)度、黏結(jié)性、工作性等，這些性能與重?zé)V砂顆粒細(xì)度、磷鎂（磷酸鹽/氧化鎂）質(zhì)量比、緩凝劑和摻合料的種類與摻量、水膠比等因素有關(guān)。

磷酸鎂水泥的一系列優(yōu)異性能使其能夠滿足多種特殊條件的使用要求。然而它是一種高脆性材料，磷酸鎂水泥在受到?jīng)_擊等外部作用力時(shí)表現(xiàn)出延性差、易斷裂，在潮濕環(huán)境下耐水性差。未來的發(fā)展方向?qū)⒅塾谕ㄟ^添加其他材料進(jìn)行改性，使得磷酸鎂水泥在延展性、柔性得到提升。

三、氯氧鎂水泥

氯氧鎂水泥是由活性較高的氧化鎂與MgCl2溶液發(fā)生反應(yīng)形成的凝膠材料。高活性MgO 的含量，不僅影響反應(yīng)物種類、水化成型速度以及體積穩(wěn)定性，而且對基本力學(xué)性能的影響也較大。國內(nèi)外學(xué)者們進(jìn)行了大量的工作研究氯氧鎂水泥的水化機(jī)理和產(chǎn)物。

目前，氯氧鎂水泥等相關(guān)材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、建筑等行業(yè)中，但是其仍然存在很多不足，如易開裂、熱膨脹大，其中最主要缺陷就是氯氧鎂水泥的抗水性差的問題。馮超對氯氧鎂水泥水分侵蝕機(jī)理及其耐水性進(jìn)行了深入的研究，通過改善氯氧鎂水泥水化晶體形貌、減少水分傳輸通道以及隔離水分接觸等方法可降低水解反應(yīng)面積，添加減水劑或緩凝劑可促進(jìn)水泥水化晶體形貌變化，碳化作用可形成有效保護(hù)層包裹水化產(chǎn)物以阻礙水分滲透。

四、堿式硫酸鎂水泥

堿式硫酸鎂水泥是一種以MgO-MgSO4-H2O體系的膠凝材料為基礎(chǔ)，經(jīng)過添加外加劑改進(jìn)后，形成以堿式硫酸鎂晶須為主要水化產(chǎn)物的新型鎂質(zhì)水泥。

吳成友等研究了堿式硫酸鎂水泥的基本性能，結(jié)果表明該材料具有快速凝結(jié)硬化、早期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。對于堿式硫酸鎂水泥，外加劑是核心技術(shù)，目前合理的配制及性能研究非常有限，因此對堿式硫酸鎂水泥的配料規(guī)律和基本性能探討對其在建筑材料應(yīng)用的推廣具有重要意義。

目前，堿式硫酸鎂水泥大多應(yīng)用在建筑保溫材料、輕質(zhì)混凝土砌塊等裝飾裝修工程，但其在路面修復(fù)工程中也具有巨大的應(yīng)用前景。遼寧海城擁有全國最大的美菱礦儲(chǔ)備，但遠(yuǎn)沒有白云石分布廣泛。硫酸鎂的價(jià)格很大程度地影響著堿式硫酸鎂水泥的生產(chǎn)成本，積極投身于尋找或開發(fā)更為廉價(jià)的原料來源，勢必推動(dòng)堿式硫酸鎂水泥制品的廣泛應(yīng)用。為了降低生產(chǎn)成本、秉承環(huán)保理念，研究使用輕燒白云石與工業(yè)廢硫酸制備堿式硫酸鎂水泥的生產(chǎn)工藝還有待進(jìn)一步研究。

五、綜合評(píng)述

綜合來看，磷酸鎂水泥具有快速硬化的優(yōu)勢，然而屬于脆性材料，容易斷裂，耐水性差。未來的研究重點(diǎn)可致力于改性方面，使得磷酸鎂水泥既可以快速施工、快速恢復(fù)構(gòu)造物正常運(yùn)營，又可以使修補(bǔ)材料具有足夠的柔韌性，很好地與舊水泥混凝土構(gòu)造物協(xié)同工作。國內(nèi)外有很多學(xué)者和工程技術(shù)人員對氯氧鎂水泥進(jìn)行研究，通過研制各種外加劑、使用填充料、改變水泥生產(chǎn)工藝等方法試圖提高抗水性、解決吸潮返鹵、提高鋼筋防銹能力，并已經(jīng)取得一系列成果，但是未能在根本上解決氯氧鎂水泥的缺陷問題。堿式硫酸鎂水泥擁有更加全面的綜合性能，然而原料中輕燒氧化鎂的組成成分、α-MgO/MgSO4配比、化學(xué)外加劑種類及摻量均對堿式硫酸鎂水泥的性能有重要影響，其中化學(xué)外加劑技術(shù)是制備堿式硫酸鎂水泥的核心，積極開發(fā)新型經(jīng)濟(jì)實(shí)用的外加劑，以便最低限度地降低維修養(yǎng)護(hù)行為對民眾出行和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的負(fù)面影響，使水泥混凝土基礎(chǔ)設(shè)施更好地服務(wù)于國民生產(chǎn)。

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