磷酸鎂水泥在快速修補(bǔ)工程中的應(yīng)用研究進(jìn)展*

杜杰貴，王雄鋒，陳 波，張 豐

(1.昭通市宜昭高速公路投資開(kāi)發(fā)有限公司，云南 昭通 657000； 2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

0 引言

磷酸鎂水泥(magnesium phosphate cement，MPC)已有80多年的發(fā)展歷史，最早由Prosen[1]提出，通過(guò)氧化鎂和磷酸反應(yīng)制備了快速硬化磷酸鹽陶瓷材料，但由于反應(yīng)過(guò)快、凝結(jié)前可操作時(shí)間短，未能應(yīng)用于建筑工程中。Stierli等[2]添加硼酸作為緩凝劑，有效減小了反應(yīng)速率，制備了磷酸鎂水泥凝膠材料。磷酸鎂水泥是由氧化鎂、可溶性磷酸鹽、緩凝劑、輔助組分(摻合料、外加劑等)按一定比例配制而成的新型氣硬性膠凝材料，其水化過(guò)程是以磷酸鹽與氧化鎂的酸堿中和反應(yīng)為基礎(chǔ)的放熱反應(yīng)[3]，具有凝結(jié)速度快、早期強(qiáng)度高、力學(xué)性能好、耐久性好、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，使其在快速修補(bǔ)工程中具有良好的應(yīng)用前景。磷酸鎂水泥作為混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)加固材料之一，已被廣泛應(yīng)用于橋梁、機(jī)場(chǎng)跑道、公路、污水處理池等工程中。有機(jī)類修補(bǔ)材料具有黏結(jié)強(qiáng)度高、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但耐疲勞和耐沖擊性能差，還存在易老化、價(jià)格昂貴、不利于環(huán)保等問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法大范圍推廣應(yīng)用[4]。磷酸鎂水泥與普通硅酸鹽水泥硬化體的線膨脹系數(shù)和彈性模量相近，使用磷酸鎂水泥對(duì)普通硅酸鹽水泥混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)加固，有利于后期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的發(fā)展。相比同樣具有早強(qiáng)性能的硫鋁酸鹽水泥和堿激發(fā)水泥，磷酸鎂水泥擁有10min～1h的可調(diào)控操作時(shí)間，且用水量低，發(fā)生反應(yīng)時(shí)放熱量大，使其可在負(fù)溫條件下反應(yīng)生成凝膠體。低溫環(huán)境下，硫鋁酸鹽水泥養(yǎng)護(hù)條件要求高[5]，堿激發(fā)水泥需50～60℃熱水促進(jìn)堿活性反應(yīng)，影響施工效率[6]。

我國(guó)對(duì)磷酸鎂水泥的研究始于20世紀(jì)末[7-8]，目前已在磷酸鎂水泥水化機(jī)理及性能研究方面取得大量成果。本文重點(diǎn)對(duì)磷酸鎂水泥水化機(jī)理及影響因素、修補(bǔ)機(jī)理及性能研究進(jìn)行綜述與展望。

1 磷酸鎂水泥制備工藝

磷酸鎂水泥是由氧化鎂、可溶性磷酸鹽、緩凝劑和輔助組分按一定比例混合而成的。氧化鎂活性對(duì)磷酸鎂水泥水化性能起決定性影響，這與氧化鎂顆粒細(xì)度或比表面積有關(guān)，細(xì)度越大，活性越低[9]。煅燒溫度高于1 500℃時(shí)，氧化鎂化學(xué)活性會(huì)大幅度降低[10]，因此采用經(jīng)1 600℃高溫煅燒、顆粒比表面積180～300m2/kg鎂砂制備的磷酸鎂水泥具有較好的早期強(qiáng)度和可操作性能[11]。由于氧化鎂與可溶性磷酸鹽反應(yīng)過(guò)程快，為更好地調(diào)控磷酸鎂水泥凝結(jié)硬化過(guò)程，緩凝劑是必不可少的組分。磷酸鎂水泥中的緩凝組分包括可溶性硼氧化物(硼砂、硼酸)、聚磷酸鹽、堿金屬氯化物[12]，其中，硼氧化物緩凝效果較好，且不影響磷酸鎂水泥使用性能，因此常用于磷酸鎂水泥的制備。為配制不同特性的磷酸鎂水泥，原材料中通常摻入礦物摻合料，常用的礦物摻合料包括粉煤灰、高爐礦渣、鋼渣、偏高嶺土、硅灰、石灰石粉等[13]，這表明磷酸鎂水泥對(duì)不同摻合料具有較好的包容性。

2 磷酸鎂水泥水化機(jī)理及其影響因素

2.1 水化機(jī)理

快速修補(bǔ)工程中要求修補(bǔ)材料具有較高的早期強(qiáng)度和較快的凝結(jié)速度。影響磷酸鎂水泥早期強(qiáng)度、凝結(jié)速度等的主要因素是水化過(guò)程和物料組分含量。磷酸鎂水泥水化過(guò)程主要為過(guò)燒的氧化鎂與磷酸鹽反應(yīng)，磷酸鹽主要為二氫鹽。

目前，磷酸鎂水泥水化機(jī)理主要包括溶解擴(kuò)散機(jī)理和局部化學(xué)反應(yīng)機(jī)理[14]。溶解擴(kuò)散機(jī)理認(rèn)為磷酸鎂水泥遇水后，磷酸鹽開(kāi)始溶解并電離出氫離子、磷酸根離子，此時(shí)溶液呈酸性；在pH值低的酸性溶液中，氧化鎂溶解，逐漸釋放出鎂離子，并以結(jié)合水的形式存在于水溶液中；在酸性溶液中，鎂離子與磷酸根離子、銨根陽(yáng)離子或鉀離子、鈉離子等反應(yīng)生成水化產(chǎn)物磷酸銨鎂或磷酸鉀鎂、磷酸鈉鎂，此過(guò)程為酸堿中和反應(yīng)，不斷消耗氫離子，體系pH值逐漸升高；最終磷酸銨鎂晶體析出，包裹在氧化鎂顆粒表面，填充顆粒之間的縫隙，并與氧化鎂顆粒相互膠結(jié)，形成一定強(qiáng)度的硬化體?；谌芙鈹U(kuò)散機(jī)理，Wagh[15]提出了磷酸鎂水泥水化凝結(jié)的5個(gè)階段：①第1階段 氧化鎂溶解釋放鎂離子；②第2階段 鎂離子與水分子絡(luò)合形成水合溶膠；③第3階段 在酸性條件下，水合溶膠與鉀離子、磷酸根離子反應(yīng)生成水化產(chǎn)物；④第4階段 溶膠之間相互接觸和連生，逐漸形成網(wǎng)絡(luò)化凝膠結(jié)構(gòu)；⑤第5階段 凝膠飽和結(jié)晶包裹在氧化鎂顆粒表面，形成以氧化鎂顆粒為骨架、水化產(chǎn)物為膠結(jié)材料的硬化體。

Soudée等[16]認(rèn)為磷酸銨鎂晶體的形成是局部化學(xué)反應(yīng)，提出氧化鎂遇水后表面形成團(tuán)簇，通過(guò)氫鍵與溶液中溶解的磷酸根離子和鈉離子、銨根陽(yáng)離子、鉀離子聚集，在氧化鎂表面形成磷酸銨鎂。此過(guò)程形成的水化產(chǎn)物會(huì)因環(huán)境pH值的不同而不同，當(dāng)pH值>7時(shí)，產(chǎn)物主要為磷酸銨鎂；當(dāng)pH值≤7時(shí)，產(chǎn)物成分不純[17-20]。Le Rouzic等[21]研究表明，在鉀系磷酸鎂水泥體系中，pH值<6時(shí)生成的水化產(chǎn)物是鎂磷石，pH值為6～7時(shí)鎂磷石逐漸轉(zhuǎn)化為六水磷酸鉀鎂，當(dāng)pH值>7時(shí)磷酸氫鎂將全部轉(zhuǎn)化為六水磷酸鉀鎂，磷酸鎂水泥強(qiáng)度不斷增加?？梢?jiàn)，磷酸鎂水泥實(shí)際水化反應(yīng)過(guò)程較復(fù)雜。成分過(guò)多的體系或磷酸銨鎂占比小的體系會(huì)導(dǎo)致磷酸鎂水泥強(qiáng)度減小，因而氧化鎂與磷酸鹽質(zhì)量比應(yīng)控制在合理范圍，以構(gòu)建pH值>7的體系，促進(jìn)磷酸銨鎂的生成。

2.2 水化影響因素

影響磷酸鎂水泥水化硬化的因素較多，其中磷酸鹽成分、氧化鎂細(xì)度和活性、氧化鎂與磷酸鹽質(zhì)量比、緩凝劑和摻合料等的影響較大。應(yīng)選擇合理的原材料配合比，使磷酸鎂水泥具有不同的工作性能(流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、力學(xué)性能等)，從而滿足不同工況下的修補(bǔ)需求。

磷酸鹽有磷酸二氫銨、磷酸一氫銨、磷酸二氫鉀、磷酸一氫鉀和磷酸二氫鈉，因?yàn)槎潲}為酸性，一氫鹽為堿性，所以磷酸二氫鉀和磷酸二氫銨較常用[22-23]。采用磷酸二氫鉀時(shí)，磷酸鎂水泥放熱速率慢，放熱量小，未釋放氣體，抗壓和抗折強(qiáng)度低。采用磷酸二氫銨時(shí)，磷酸鎂水泥放熱速率快，放熱量大，釋放氨氣，抗壓和抗折強(qiáng)度高。為使磷酸鎂水泥性能更優(yōu)越，現(xiàn)階段部分研究將磷酸二氫鉀與磷酸二氫銨混合，作為復(fù)合磷酸鹽使用。

氧化鎂是制備磷酸鎂水泥的重要原材料之一，一方面氧化鎂可溶解出鎂離子參與反應(yīng)，另一方面未反應(yīng)的氧化鎂顆?？勺鳛楣羌埽匝趸V活性和細(xì)度對(duì)磷酸鎂水泥基本性能具有重要影響。常用的氧化鎂主要由鎂磷礦在1 700℃高溫下煅燒磨細(xì)而成。Wagh等[24]指出，煅燒后的氧化鎂活性降低，溶解速率下降，中和反應(yīng)速率下降，有利于調(diào)節(jié)磷酸鎂水泥水化凝結(jié)時(shí)間。汪宏濤[25]、楊建明等[26]研究認(rèn)為氧化鎂比表面積越大，磷酸鎂水泥凝結(jié)速度越快，水化升溫速度越快。常遠(yuǎn)等[11]研究發(fā)現(xiàn)磷酸鉀鎂水泥流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間受粒徑30μm以下氧化鎂顆?？刂?，磷酸鉀鎂水泥早期強(qiáng)度受氧化鎂細(xì)度影響較小，而后期強(qiáng)度主要受粒徑30～60μm氧化鎂顆?？刂?。結(jié)合實(shí)際工程，為控制水泥水化速率和后期強(qiáng)度，宜將氧化鎂比表面積控制在238～322m2/kg。上述研究表明，可通過(guò)控制氧化鎂煅燒、研磨調(diào)整磷酸鎂水泥水化過(guò)程。

氧化鎂與磷酸鹽質(zhì)量比對(duì)磷酸鎂水泥性能起重要作用。汪宏濤等[27]研究表明，氧化鎂與磷酸鹽質(zhì)量比的增大會(huì)使磷酸鎂水泥水化放熱速率減小，且總放熱量和放熱峰值降低。戴豐樂(lè)等[28]研究認(rèn)為，隨著氧化鎂與磷酸鹽質(zhì)量比的增加，磷酸鎂水泥水化放熱量及半衰期呈逐漸減小趨勢(shì)，氧化鎂與磷酸鹽質(zhì)量比過(guò)大或過(guò)小均會(huì)導(dǎo)致磷酸鎂水泥強(qiáng)度降低，最佳的氧化鎂與磷酸鹽質(zhì)量比為(3∶1)～(4∶1)。

由于氧化鎂與磷酸鹽反應(yīng)較快，常需摻入緩凝劑以減小水化凝結(jié)速率。硼砂緩凝作用機(jī)理為：硼砂電離四硼酸根離子與鎂離子形成非晶薄膜層，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，磷酸鹽水化物結(jié)晶破壞薄膜層，鎂離子與磷酸根離子、銨根陽(yáng)離子結(jié)合形成大量磷酸鹽水化合物[29]。Hall等[30]研究發(fā)現(xiàn)，硼砂和硼酸的緩凝作用最多可使水泥凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)至1h，而三聚磷酸鈉最多可使水泥凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)至15min。段新勇等[31]以硼砂、十二水磷酸氫二鈉、氯化鈣為原料，制備了復(fù)合緩凝劑，與單摻等量(摻量為10%)硼砂相比，摻復(fù)合緩凝劑磷酸鎂水泥流動(dòng)性改善更明顯，放熱速率更小，放熱更遲，從而凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，水化產(chǎn)物結(jié)晶度、微裂紋均得到一定程度的改善。

與普通硅酸鹽水泥相同，磷酸鎂水泥中可摻摻合料(主要包括粉煤灰、礦渣、磷渣粉、硅灰等)，其目的是減少水化放熱量、降低成本和改善性能等。胡華潔等[32]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉煤灰摻量增大時(shí)，磷酸鎂水泥凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)；摻10%～30%粉煤灰時(shí)，磷酸鎂水泥早期強(qiáng)度減小，但后期強(qiáng)度明顯提高，這是因?yàn)榉勖夯翌w粒中金屬陽(yáng)離子對(duì)磷酸根離子具有吸附作用，延緩了其與氧化鎂的反應(yīng)，進(jìn)而影響了磷酸鎂水泥水化反應(yīng)過(guò)程，延緩了體系凝結(jié)；磷酸鎂水泥中粉煤灰最佳摻量為10%～20%。

3 磷酸鎂水泥修補(bǔ)性能

3.1 修補(bǔ)機(jī)理

目前，磷酸鎂水泥主要應(yīng)用于修補(bǔ)工程中，磷酸鎂水泥砂漿、凈漿均可作為修補(bǔ)材料使用。磷酸鎂水泥具有較強(qiáng)的黏結(jié)能力和自身致密特性，使其可在混凝土快速修補(bǔ)工程中得到應(yīng)用。Qin等[33]認(rèn)為磷酸鎂水泥與普通硅酸鹽水泥基體存在機(jī)械錨固、化學(xué)黏結(jié)和物理黏結(jié)等作用，掃描電鏡觀測(cè)到普通硅酸鹽水泥基體孔洞、裂縫處有滲入的磷酸鎂結(jié)晶產(chǎn)物，二者間產(chǎn)生了機(jī)械錨固作用。Li等[34]研究發(fā)現(xiàn)黏結(jié)界面區(qū)產(chǎn)物X射線衍射圖譜中存在碳酸鎂鈣，認(rèn)為是酸性磷酸鹽與基體中氫氧化鈣的二次反應(yīng)產(chǎn)物，形成的化學(xué)黏結(jié)作用提高了磷酸鎂水泥與基體間的黏結(jié)性能。

3.2 界面黏結(jié)性能

搶修工程中，修補(bǔ)材料不僅要有較高的早期強(qiáng)度和較短的凝結(jié)時(shí)間，還要與普通硅酸鹽水泥基體黏結(jié)修補(bǔ)后具有較好的整體黏結(jié)性、體積穩(wěn)定性和抗?jié)B性等。姜自超等[35]研究發(fā)現(xiàn)，磷酸銨鎂水泥漿體與普通硅酸鹽水泥漿體具有良好的黏結(jié)能力，28d抗折強(qiáng)度可達(dá)6～7MPa，斷裂試件在磷酸銨鎂端有少量普通硅酸鹽水泥砂漿殘留。Li等[34]研究發(fā)現(xiàn)，采用磷酸鎂水泥修補(bǔ)的C30混凝土試件28d抗彎強(qiáng)度較基準(zhǔn)試件提高了24%。

部分研究表明，磷酸鎂水泥砂漿28d收縮率僅為1.83×10-4，360d收縮率僅為2.1×10-4[36]，而普通硅酸鹽水泥砂漿28，400d收縮率分別為11×10-4，210×10-4，2種水泥砂漿收縮率相差較大，磷酸鎂水泥砂漿收縮多發(fā)生在水化早期，更有利于材料體積穩(wěn)定。汪宏濤[25]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得水膠比為0.17的磷酸鎂水泥漿體在4.0MPa水壓持續(xù)24h后的滲透高度僅為7～16mm。范英儒等[37]研究了磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨及其復(fù)合磷酸鹽對(duì)磷酸鎂水泥黏結(jié)性能的影響，結(jié)果表明，磷酸銨鎂水泥抗壓強(qiáng)度雖較小，但其內(nèi)部和界面結(jié)構(gòu)孔洞更少，更有利于保證黏結(jié)性能；磷酸二氫鉀和磷酸二氫銨同時(shí)摻入磷酸鎂水泥體系時(shí)，可改善漿體性能，漿體孔洞少且細(xì)小，強(qiáng)度較單一磷酸鹽磷酸鎂水泥有所提高；相比磷酸銨鎂水泥，復(fù)合磷酸鹽磷酸鎂水泥收縮減小，在有約束的條件下黏結(jié)能力提升。

3.3 護(hù)筋性能

鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一，使用磷酸鎂水泥對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)，須考慮磷酸鎂水泥對(duì)鋼筋的影響。楊全兵等[38]研究發(fā)現(xiàn)，磷酸鎂水泥砂漿具有良好的護(hù)筋性能，12次干濕循環(huán)后，磷酸鎂水泥砂漿內(nèi)鋼筋銹蝕率僅為同強(qiáng)度等級(jí)普通硅酸鹽水泥砂漿的17%。冶金工業(yè)中常采用可溶性磷酸鹽對(duì)金屬表面進(jìn)行化學(xué)處理，其表面會(huì)形成致密的保護(hù)層，可明顯提高金屬的防腐蝕性能[39]。磷酸鎂水泥漿體抗氯離子滲透性高于普通硅酸鹽水泥漿體[40]，提高了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕性能，在沿海工程中的作用更明顯。

磷酸鎂水泥護(hù)筋主要途徑如下：①未反應(yīng)的磷酸鹽遷移和溶出起抑制銹蝕的作用；②磷酸鎂水泥中的磷酸鹽和鋼筋銹蝕產(chǎn)物反應(yīng)生成磷酸亞鐵，其與磷酸鎂水化產(chǎn)物及未反應(yīng)的氧化鎂形成致密的保護(hù)層；③磷酸鎂水泥致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙了外部粒子對(duì)鋼筋的侵蝕[41]。陳晴[42]的研究表明，磷酸鎂凈漿、砂漿對(duì)鋼筋銹蝕的保護(hù)作用較磷酸鎂混凝土大，水灰比增大會(huì)導(dǎo)致磷酸鎂水泥砂漿對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱，影響?zhàn)そY(jié)層結(jié)構(gòu)完整性、致密性。常遠(yuǎn)[43]研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，酸堿比越小，磷酸鎂水泥抗鋼筋銹蝕性能越好，這是因?yàn)榱姿徭V水泥中的氧化鎂含量富余，酸堿比越小，反應(yīng)產(chǎn)物越多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密；摻加石灰石或礦粉的磷酸鎂水泥抗鋼筋銹蝕性能更穩(wěn)定，石灰石和礦粉可使氧化鎂顆粒更分散，且石灰石可與磷酸鹽反應(yīng)生成磷酸氫鈣，優(yōu)化了磷酸鎂水泥的孔結(jié)構(gòu)。唐浩[44]認(rèn)為氧化鎂與磷酸鹽質(zhì)量比為4∶1和摻加8%～10%緩凝劑時(shí)磷酸鎂水泥基體基本性能較好，且對(duì)鋼筋保護(hù)作用較好，鉀系磷酸鎂水泥由于水化過(guò)程中無(wú)大量氣體產(chǎn)生，基體更密實(shí)，有利于抗鋼筋銹蝕。

3.4 負(fù)溫性能

我國(guó)凍土區(qū)面積較大，凍土區(qū)混凝土路面易受冰水凍融影響而破壞，因而大部分道路已進(jìn)入修補(bǔ)期。磷酸鎂水泥不僅在常溫下具有良好的工程搶修特性，在負(fù)溫環(huán)境下也可水化凝結(jié)硬化，從而達(dá)到一定強(qiáng)度。磷酸銨鎂水泥具有凝結(jié)速度快、早期放熱快且集中、水化產(chǎn)生氣體、水膠比小等特點(diǎn)，使其具有較好的抗凍性，適用于季節(jié)凍土區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)和加固。早期凍害指砂漿或混凝土在養(yǎng)護(hù)階段受凍導(dǎo)致其性能減弱的危害，后期凍害指砂漿或混凝土硬化后受液體的凍融破壞[45]。

汪宏濤[25]研究發(fā)現(xiàn)，在-30～0℃養(yǎng)護(hù)溫度下，隨著溫度的降低，同齡期磷酸鎂水泥砂漿抗壓強(qiáng)度降低，但抗折強(qiáng)度有所提高，且-30℃溫度下養(yǎng)護(hù)1h砂漿抗壓強(qiáng)度可達(dá)10MPa。陶琦等[46]研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)齡期為6h時(shí)，-10，-15，-20℃溫度下養(yǎng)護(hù)磷酸鎂水泥混凝土抗壓強(qiáng)度分別為室溫(20℃)養(yǎng)護(hù)下的71%，64%，57%，-15℃溫度下養(yǎng)護(hù)28d時(shí)磷酸鎂水泥混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)20℃養(yǎng)護(hù)溫度下的82%，這說(shuō)明磷酸鎂水泥混凝土在負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下可達(dá)較高的強(qiáng)度，且后期強(qiáng)度接近常溫養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度。部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)溫和常溫養(yǎng)護(hù)下磷酸鎂水泥混凝土抗凍性差別較小，負(fù)溫(-10℃)養(yǎng)護(hù)下磷酸鎂水泥凝結(jié)時(shí)間較常溫養(yǎng)護(hù)下有所增加[47]。負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，摻加粉煤灰磷酸鎂水泥混凝土強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性均有所改善，且當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，改善效果最佳。對(duì)于早期受凍，磷酸鎂水泥早期強(qiáng)度可快速達(dá)到一般修補(bǔ)工程所需值，因此磷酸鎂水泥適用于季節(jié)凍土區(qū)快速搶修工程。

楊全兵等[48]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，磷酸鎂水泥混凝土抗鹽凍剝蝕性能與引氣4.5%～6.5%的普通硅酸鹽水泥混凝土相當(dāng)，抗鹽凍性能良好，磷酸鎂水泥混凝土與引氣普通硅酸鹽水泥混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度比較磷酸鎂水泥混凝土與非引氣普通硅酸鹽水泥混凝土小。熊復(fù)慧[49]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，磷酸鎂水泥砂漿在4%氯化鈉鹽凍試驗(yàn)中的強(qiáng)度損失率較其在水凍試驗(yàn)中的強(qiáng)度損失率大。吳發(fā)紅等[50]將磷酸鉀鎂水泥凈漿分別置于淡水、3.5%氯化鈉溶液、5%硫酸鈉溶液中進(jìn)行凍融試驗(yàn)，結(jié)果表明，在硫酸鈉溶液中凍融循環(huán)400次后，磷酸鉀鎂水泥凈漿質(zhì)量損失率、強(qiáng)度損失率均最大，硫酸根離子對(duì)磷酸鉀鎂水泥具有化學(xué)腐蝕作用，加快了凍融破壞。吳發(fā)紅等[51]研究表明，摻加鋼渣粉、粉煤灰均有助于改善磷酸鉀鎂水泥在硫酸鈉溶液中的抗凍性。陸敬文等[52]研究表明，單摻硅灰或復(fù)摻硅灰與石灰石可提高磷酸鉀鎂水泥混凝土在3.5%氯化鈉溶液中的抗凍性，粉煤灰或硅灰的摻入提高了磷酸鉀鎂水泥硬化后的密實(shí)度。由此可知，通過(guò)調(diào)節(jié)磷酸鎂水泥中摻合料的摻量，可有效改善磷酸鎂水泥混凝土后期受凍危害情況。

4 磷酸鎂水泥工程應(yīng)用

4.1 施工工藝

磷酸鎂水泥材料可采用常規(guī)混凝土工藝和設(shè)備進(jìn)行施工，考慮其具有快速凝結(jié)特性，需滿足以下要求[53]。

1)磷酸鎂水泥早期水化會(huì)放出大量熱量，因此單次攪拌量宜≤500L。

2)磷酸鎂水泥凝結(jié)時(shí)間短，宜通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拌合制備。

3)施工成型環(huán)境溫度宜≤35℃，由于磷酸鎂水泥混凝土水膠比較低，在較高溫度下施工時(shí)，需考慮水分蒸發(fā)，水膠比宜適當(dāng)增大0.01～0.03，夏季高溫施工時(shí)需進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

水泥混凝土建筑物缺陷主要表現(xiàn)為裂縫和塊狀損傷。當(dāng)出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)裂縫時(shí)，可采用凈漿灌漿工藝進(jìn)行修補(bǔ)加固。為防止裂縫繼續(xù)擴(kuò)展及空氣、水等介質(zhì)的侵入，首先對(duì)裂縫處混凝土進(jìn)行鑿毛處理，然后采用加壓灌注的方式施加磷酸鎂水泥材料，進(jìn)行修補(bǔ)。對(duì)于塊狀損傷，可根據(jù)損傷面積進(jìn)行直接補(bǔ)漿修補(bǔ)或立模補(bǔ)漿修補(bǔ)。

4.2 應(yīng)用案例

某高速公路存在坑槽、裂縫等路面損傷[54]，采用磷酸鎂水泥砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。首先對(duì)損傷部位進(jìn)行切割、鑿平，并通過(guò)吸塵器將表面清理干凈；然后配制磷酸鎂水泥砂漿，進(jìn)行填充修補(bǔ)。自前期處理工作至修補(bǔ)后通車(chē)僅需4h，施工便捷、快速，對(duì)高速公路交通的影響較小。

內(nèi)蒙古自治區(qū)G110國(guó)道某路段出現(xiàn)坑槽、脫皮、露出麻面等缺陷[55]。施工期溫度為-22～-15℃，道路車(chē)流量大，首先對(duì)路面進(jìn)行清掃和打毛處理；然后稱量磷酸鎂水泥原材料并干攪30s，摻加防凍液攪拌2～3min，摻加粗集料攪拌1min；最后將砂漿倒入修補(bǔ)處，插搗并抹平。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回彈測(cè)試結(jié)果，路面修補(bǔ)2h后抗壓強(qiáng)度達(dá)30MPa，1d后抗壓強(qiáng)度達(dá)48MPa，實(shí)驗(yàn)室2h抗壓強(qiáng)度達(dá)35MPa，1d抗壓強(qiáng)度達(dá)54MPa，實(shí)現(xiàn)了高速公路路面-20℃低溫環(huán)境、2h快速修補(bǔ)的目的。

磷酸鎂水泥工程應(yīng)用案例較多，如我國(guó)將磷酸鎂水泥應(yīng)用于麥積山隧道道面修補(bǔ)、上橫瀝大橋搶險(xiǎn)加固等工程中，英國(guó)利用磷酸鎂水泥砂漿修補(bǔ)了面積>3萬(wàn)m2的混凝土路面，美國(guó)將磷酸鎂水泥作為道路修補(bǔ)材料和地坪材料等[56]。

5 結(jié)語(yǔ)

1)磷酸鎂水泥具有早期強(qiáng)度高、凝結(jié)速度快、早期放熱量大、收縮小等特性，使其在建筑領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其在混凝土快速修補(bǔ)加固工程中的應(yīng)用潛力較大。與有機(jī)類修補(bǔ)材料相比，磷酸鎂水泥性價(jià)比較高。但磷酸鎂水泥中氧化鎂組分需高溫(一般為1 700℃)煅燒磨細(xì)制得，導(dǎo)致成本略有增加。此外，已有研究通過(guò)摻加粉煤灰、硅灰、石灰石粉、礦粉、鋼渣等摻合料的方式改善磷酸鎂水泥性能，同時(shí)降低成本，但上述摻合料對(duì)磷酸鎂水泥水化的影響機(jī)理目前尚不明確，有待進(jìn)一步研究，從而促進(jìn)磷酸鎂水泥的推廣應(yīng)用。

2)磷酸鎂水泥物料組成、水化機(jī)理均與普通硅酸鹽水泥不同，磷酸鎂水泥水化凝結(jié)是化學(xué)反應(yīng)，而普通硅酸鹽水泥水化凝結(jié)是礦物反應(yīng)，存在諸多差異，但目前針對(duì)磷酸鎂水泥的測(cè)試方法多依據(jù)普通硅酸鹽水泥相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，部分測(cè)試方法和分析指標(biāo)不適用于快速凝結(jié)的磷酸鎂水泥，易導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況存在差異。隨著磷酸鎂水泥工程應(yīng)用的增多和研究的深入，宜根據(jù)已有研究數(shù)據(jù)對(duì)磷酸鎂水泥制定專用的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)。

3)目前已有研究多對(duì)磷酸鎂水泥凈漿和砂漿進(jìn)行分析，對(duì)磷酸鎂水泥混凝土的研究較少，需進(jìn)一步研究磷酸鎂水泥混凝土材料組分、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的相關(guān)性。

4)磷酸鎂水泥雖可在負(fù)溫條件下凝結(jié)硬化，但其早期強(qiáng)度較常溫下低，且后期強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯，因此如何進(jìn)一步提高磷酸鎂水泥負(fù)溫下的早期強(qiáng)度，并保持后期強(qiáng)度有效增長(zhǎng)有待深入研究?？赏ㄟ^(guò)定量分析負(fù)溫下磷酸鎂水泥水化產(chǎn)物及水化過(guò)程，得到負(fù)溫下磷酸鎂水泥水化硬化機(jī)理，進(jìn)而采取有效的措施調(diào)控磷酸鎂水泥低溫下早期強(qiáng)度發(fā)展、耐久性提高等。