負(fù)溫環(huán)境下磷酸二氫鈉對(duì)磷酸鎂水泥力學(xué)性能的影響

摘 要：本研究主要采用磷酸二氫鈉（SDP）部分替代磷酸二氫鉀制備磷酸鎂水泥，研究磷酸二氫鈉對(duì)磷酸鎂水泥負(fù)溫環(huán)境早期力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，磷酸二氫鈉可以縮短磷酸鎂水泥凝結(jié)時(shí)間，當(dāng)磷酸二氫鈉用量質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到75%時(shí)，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間為6min 30s。﹣-10℃環(huán)境下，當(dāng)磷酸二氫鈉完全替代磷酸二氫鉀時(shí)，MPC基材料的增強(qiáng)效果最好，但凝結(jié)時(shí)間卻最短，不足6min。復(fù)合磷酸二氫鈉和磷酸二氫鉀可提高M(jìn)PC的早期抗折強(qiáng)度及粘接強(qiáng)度，且磷酸二氫鈉的摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0到～50%范圍內(nèi)，粘接強(qiáng)度隨著磷酸二氫鈉含量的增加而增加；當(dāng)磷酸二氫鈉摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于50%時(shí)，粘接強(qiáng)度開(kāi)始下降。

關(guān) 鍵 詞：磷酸鉀鎂水泥；負(fù)溫環(huán)境；力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ172.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）08-00001199-0×4

我國(guó)北方冬季，對(duì)除冰鹽的使用會(huì)導(dǎo)致路面及周?chē)Y(jié)構(gòu)物發(fā)生嚴(yán)重的鹽凍破壞[1，-2]。處在低溫環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)期外部荷載和環(huán)境因素的影響下會(huì)遭到破壞；一些大體積的混凝土結(jié)構(gòu)由于熱脹冷縮，其表面裂縫在冬季會(huì)張開(kāi)到最大，危害最為嚴(yán)重。若這些缺陷得不到及時(shí)修補(bǔ)，會(huì)給居民的出行安全和社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)影響。搶修搶建工程的難度和規(guī)模通常較大，不僅要求短時(shí)間內(nèi)修補(bǔ)完成，而且對(duì)時(shí)效性要求高（結(jié)構(gòu)物使用功能快速恢復(fù)）。所以用于工程搶修搶建膠凝材料必須具備如下性能：高強(qiáng)早強(qiáng)、施工性能好、耐久性及體積穩(wěn)定性好、良好的界面粘接能力等，以滿足搶修搶建工程需求[3，-4]。磷酸鎂水泥（MPC）是一種由可溶性磷酸鹽和 MgO 通過(guò)中和反應(yīng)得到的新型磷酸鹽膠凝材料。因具有早強(qiáng)快硬、水化放熱量大且集中、與舊界面粘接性好、抗寒耐高溫等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于道路橋梁、機(jī)場(chǎng)跑道、民用建筑和部分軍事應(yīng)急搶修工程中，是一種具有巨大前景的修補(bǔ)材料。磷酸二氫鈉作為磷酸鹽組分能為體系提供最高的水化溫度，以抵御外部負(fù)溫環(huán)境所帶來(lái)的負(fù)面影響，且與磷酸二氫鉀復(fù)摻具有更高的力學(xué)性能，是提高M(jìn)PC早期強(qiáng)度的一個(gè)手段。因此，本研究主要采用磷酸二氫鈉（SDP）部分替代磷酸二氫鉀制備磷酸鎂水泥，研究磷酸二氫鈉對(duì)磷酸鎂水泥負(fù)溫環(huán)境早期力學(xué)性能的影響。

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

本實(shí)驗(yàn)中采用重?zé)趸V由菱鎂礦（MgCO3）在工業(yè)窯爐中經(jīng)1700℃高溫煅燒制成。本試驗(yàn)磷酸二氫鉀。磷酸二氫鉀、磷酸二氫鈉以及硼砂為，分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不少于99%由，天津市大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，含量不少于99%。本試驗(yàn)所用的水均為自來(lái)水，，磷酸鎂水泥對(duì)水的溫度與用量都比較敏感，如果溶液溫度過(guò)低或者過(guò)高都會(huì)影響磷酸鎂水泥凝結(jié)時(shí)間。在進(jìn)行低溫環(huán)境試驗(yàn)前，將水放置于（0±2）℃的低溫試驗(yàn)箱中備用。

1.2 試驗(yàn)方法

參照前面的研究結(jié)果[5-7]，本研究選用磷酸鹽與氧化鎂的質(zhì)量比為1/3，由于SDP的摻入會(huì)加速水化速率、縮短凝結(jié)時(shí)間[8]并考慮后續(xù)加入偏高嶺土?xí)档蚆PC凈漿流動(dòng)度[9]，再加上前期的實(shí)驗(yàn)可行性驗(yàn)證，設(shè)置水灰比為0.2、硼鎂比為12%，在此基礎(chǔ)上改變SDP對(duì)KDP的取代量，分別摻入0、25%、50%、75%和100%，如表1所示。

為模擬低溫施工環(huán)境，在進(jìn)行試驗(yàn)前24h小時(shí)將磷酸鹽、緩凝劑、摻合料和40mm×40mm×160mm模具放入相應(yīng)溫度的低溫試驗(yàn)箱中提前進(jìn)行冷凍。試件澆鑄成型后立即放入低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，溫度根據(jù)試驗(yàn)條件設(shè)定為﹣-10℃。參照GB/T 1346《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》、JC/T2537-—2019《磷酸鎂修補(bǔ)砂漿》來(lái)測(cè)量磷酸鎂水泥的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及粘接強(qiáng)度。

KDP代表磷酸二氫鉀，SDP代表磷酸二氫鈉，B代表硼砂，M代表氧化鎂。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝結(jié)時(shí)間

圖1為在﹣-10℃環(huán)境下，不同磷酸二氫鈉摻和物的磷酸鎂水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間。

根據(jù)圖1知，隨著磷酸二氫鈉的加入，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間急劇減小。未添加磷酸二氫鈉時(shí)，SDP0組最終凝結(jié)時(shí)間為72min。加入磷酸二氫鈉后，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間明顯縮短，當(dāng)磷酸二氫鈉用量達(dá)到75%時(shí)，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間為6min 30s。當(dāng)磷酸二氫鈉全部替代磷酸二氫鉀時(shí)，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間最短僅為5min 12s，說(shuō)明用磷酸二氫鈉代替磷酸二氫鉀縮短了磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間。Liu等[10]通過(guò)對(duì)氧化鎂改性的研究發(fā)現(xiàn)，鎂離子濃度對(duì)磷酸鎂水泥凝固時(shí)間有顯著影響。磷酸二氫鈉的可溶性更強(qiáng)，更容易形成酸性環(huán)境，所以磷酸二氫鈉的加入加速了Mg2+在MgO顆粒表面的溶解，反過(guò)來(lái)又加速了的水化反應(yīng)速度縮短了磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間。與未摻磷酸二氫鈉的磷酸鎂水泥凈漿相比，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四組凈漿凝結(jié)時(shí)間分別縮短了56.1%、79.2%、90.9%、91.9%。

2.2 抗折強(qiáng)度

圖2顯示了在﹣-10℃環(huán)境下，不同磷酸二氫鈉摻量對(duì)MPC試塊抗折強(qiáng)度的影響。

從圖2中可以看出，在未摻入磷酸二氫鈉時(shí)，SDP0試塊抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)隨齡期的增加而增加的趨勢(shì)，2h抗折強(qiáng)度僅為1.6MPa，水化到3d后抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)到5.3MPa。相較于空白組SDP0，在摻入磷酸二氫鈉后，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四組試塊抗折強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，其中這四組試塊在養(yǎng)護(hù)齡期為1d時(shí)抗折強(qiáng)度最高，抗折強(qiáng)度分別為7.2MPa、7.6MPa、9.2MPa和8.1 MPa，相較于SDP0組的4.5 MPa，抗折強(qiáng)度分別提高60%、68.9%、104.4%和80%?？梢园l(fā)現(xiàn)，復(fù)合磷酸二氫鈉和磷酸二氫鉀可提高M(jìn)PC的早期抗折強(qiáng)度，且說(shuō)明復(fù)合磷酸鹽的比例和抗折強(qiáng)度提升有關(guān)，其中在各齡期下，SDP75組試件相較于其他四組試件抗折強(qiáng)度都為最高，說(shuō)明磷酸二氫鈉替代量為75%時(shí)，對(duì)磷酸鎂水泥抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果最好。養(yǎng)護(hù)齡期為3d時(shí)SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四組試件較1d抗折強(qiáng)度略有下降，抗折強(qiáng)度分別降低4.3%、16.9%、2.2%和12.5%。

2.3 抗壓強(qiáng)度

圖3顯示了在﹣-10℃環(huán)境下，不同磷酸二氫鈉摻量對(duì)磷酸鎂水泥凈漿試塊抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，對(duì)于所有MPC試塊，隨著凝結(jié)時(shí)間的縮短，其抗壓強(qiáng)度都有不同程度的提高。相較于空白組SDP0，其試塊抗壓強(qiáng)度不隨齡期的增長(zhǎng)而發(fā)生大幅度的改變，但在摻入磷酸二氫鈉的磷酸鎂水泥凈漿中，試塊的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出隨著磷酸二氫鈉含量的增加而增加的趨勢(shì)。其中，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四組試件的抗壓強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)齡期為1 d以前，強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，SDP100組試在養(yǎng)護(hù)1 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較小。

當(dāng)SDP摻量超過(guò)50%時(shí)，MPC基質(zhì)開(kāi)始由磷酸鎂鉀基水泥向磷酸鎂鈉基水泥轉(zhuǎn)變，通過(guò)文獻(xiàn)[11]中SDP對(duì)MPC水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的研究，可以發(fā)現(xiàn)鈉型鳥(niǎo)糞石以非晶態(tài)出現(xiàn)。對(duì)于SDP100試件而言，其水化產(chǎn)物只有非晶態(tài)的鈉型鳥(niǎo)糞石，非晶態(tài)的鈉型鳥(niǎo)糞石可以填充空隙，細(xì)化孔隙結(jié)構(gòu)，因此強(qiáng)度繼續(xù)增加，而在-10 ℃環(huán)境養(yǎng)護(hù)1 d，強(qiáng)度達(dá)到54.8MPa之后，其抗壓強(qiáng)度變化不明顯。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)至3 d時(shí)，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100組的抗壓強(qiáng)度分別為36.6、44.8、51.6和57.3 MPa。SDP25、SDP50、SDP75和SDP100組的抗壓強(qiáng)度比未加磷酸二氫鈉的SDP0組分別提高了215.5%、286.2%、344.8%和394%。這說(shuō)明抗壓強(qiáng)度的提高與復(fù)合磷酸鹽（KDP和SDP）的比例有關(guān)，其中SDP100組強(qiáng)度的提高最大，說(shuō)明在-10 ℃環(huán)境下，當(dāng)磷酸二氫鈉完全替代磷酸二氫鉀時(shí)，MPC基材料的增強(qiáng)效果最好，但SDP100組凝結(jié)時(shí)間卻為最短，不足6min，不滿足于工程施工。

2.4 粘接強(qiáng)度

圖4為磷酸二氫鈉摻量對(duì)磷酸鎂水泥在-﹣10 ℃環(huán)境養(yǎng)護(hù)1d和4d粘接強(qiáng)度的影響。從圖4可見(jiàn)磷酸二氫鈉的摻量在0到～50%范圍內(nèi)，粘接強(qiáng)度隨著磷酸二氫鈉含量的增加而增加，養(yǎng)護(hù)齡期為1d時(shí)SDP0、SDP25的粘接強(qiáng)度分別為1.7MPa和3.9MPa，SDP50的粘接強(qiáng)度最高為4.2MPa，與SDP0相比提高了147.1%，增幅較大。當(dāng)磷酸二氫鈉摻量高于50%時(shí)，粘接強(qiáng)度開(kāi)始下降，SDP75和SDP100粘接強(qiáng)度為3.2MPa和2.8MPa，較SDP50降低了23.8%和33.3%。養(yǎng)護(hù)齡期至4d時(shí)，SDP0、SDP25、SDP50、SDP75和SDP100五組試件的粘接強(qiáng)度也是呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，磷酸二氫鈉摻量為50%時(shí)達(dá)到峰值；SDP0、SDP25、SDP50、SDP75和SDP100五組試件粘接強(qiáng)度分別為2.3MPa、4.1MPa、4.5MPa、3.7MPa和3.5MPa，相較于1 d的五組試件分別提高了35.3%、5.1%、7.1%、15.6%和25%；從圖中可以看到，較養(yǎng)護(hù)1 d的試件而言，SDP25和SDP50組在養(yǎng)護(hù)4 d后，其粘接強(qiáng)度提高程度不明顯。

3 結(jié)論

（1）加入磷酸二氫鈉后，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間明顯縮短，當(dāng)磷酸二氫鈉用量達(dá)到75%時(shí)，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間為6min 30s。當(dāng)磷酸二氫鈉全部替代磷酸二氫鉀時(shí)，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間最短僅為5min 12s，說(shuō)明用磷酸二氫鈉代替磷酸二氫鉀縮短了磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間。

（2）﹣-10℃環(huán)境下，當(dāng)磷酸二氫鈉完全替代磷酸二氫鉀時(shí)，MPC基材料的增強(qiáng)效果最好，但SDP100組凝結(jié)時(shí)間卻為最短，不足6min，不滿足于工程施工。

（3）復(fù)合磷酸二氫鈉和磷酸二氫鉀可提高M(jìn)PC的早期抗折強(qiáng)度，且說(shuō)明復(fù)合磷酸鹽的比例和抗折強(qiáng)度提升有關(guān).磷酸二氫鈉的摻量在0～50%，粘接強(qiáng)度隨著磷酸二氫鈉含量的增加而增加；當(dāng)磷酸二氫鈉摻量高于50%時(shí)，粘接強(qiáng)度開(kāi)始下降。

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