磷酸镁水泥的性能机理及其具体运用

3.0 闻远设计 2023-05-09 48 4 26.86KB 5 页 2光币

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磷酸镁水泥的性能机理及其具体运用

　　摘　　　　　要：凝结硬化快的磷酸镁水泥 (MPC) 具备早期强度高、耐磨抗冻等特点, 这使得其

在工程中逐渐开始得到应用。本文综述了 MPC 材料的研究现状、性能的主要影响因素、缓凝

机理、水化硬化机理及在土木工程中的实际应用, 以期提高其工程应用价值。

　　关键词：磷酸镁水泥; 影响因素; 缓凝机理; 水化机理; 应用;

　 1 　、引言

Mg O、磷酸盐、粉煤灰、缓凝剂等是 MPC 的主要成分, 将这些原材料按比例混合, 发生酸碱中

和反应, 形成粘结性较强的无机胶凝材料。与普通的硅酸盐水泥相比, 凝结过程、硬化过程对应

的总的时间较短、材料相互反应后发挥出的早期强度较高、使用过程中的磨损度较低、低温情

况下的抗冻性较高、微小的干缩度、可低温作业等是 MPC 独有的优势[1]。

上世纪 40 年代, 国外范围内便做出了 MPC 的相关报道, 随后 80 年代逐渐迅速发展起来。但是,

90 年代我国才开始做 MPC 方面的研究, 起步较慢, 这也是目前仍未能形成 MPC 相关规范或者标

准的原因之一。大步跨入 21 世纪, MPC 研究逐渐深入, 发展迅速起来, 研究探讨了其水化硬化原

理、力学性能增强及改良、道路路面等结构迅速修补的应用等, 近年来研究更多, 从宏观到微观

做了相对明确的说明、解释, 但是原材料的加工处理 (氧化镁的细度等) 、各成分的最优配比、

搅拌加入先后顺序等方面的研究不够精确, 仍然需要进一步的研究[2]。因此, 本文在总结了已有

研究成果的基础上, 对MPC 材料的研究现状、性能的主要影响因素、缓凝机理、水化硬化机理

及在土木工程中的实际应用进行详细阐述。

　 2　、研究现状

前期 Sugama[3]采用 Mg O、NH4H2PO4 配制磷酸镁水泥, 然后就针对其水化产物力学性质、水

化过程原理等方面做了较细致研究。但 NH4H2PO4 这种物质参与反应, 并完成反应后会释放氨

气, 对环境造成一定污染, 很大程度上限制了其在工程中的推广、应用。随后 Wagh 和丁铸[4]开

发出了新的 MPC 配方, 即使用磷酸二氢钾(KH2PO4) 代替NH4H2PO4 与氧化镁反应, 避免了前

期制备方法中的氨气产生, 克服了污染空气这一缺点。国内杨全兵[5]、汪宏涛[6]等探讨了对

MPC 性能的影响因素:M/P、W/C、硼砂掺量等, 还做了多组实验, 探讨粉煤灰对其的影响, 得出

粉煤灰的适量掺加对改善MPC 力学性能有益。姜洪义[7]使用被二次煅烧的轻质碳酸镁得到的

过烧Mg O、NH4H2PO4 配制出超过40MPa 的3h 强度的 MPC。丁铸[8,9]对MPC 的力学性能、

干缩性能做了大量极具重大意义的研究, 最为凸显的是他配制的 MPC 其拥有70Mpa 的28d 抗压

强度。夏锦红[10]将NH4H2PO4、Mg0 (高温煅烧菱镁矿制备) 、硼砂混合制备出了磷酸铵镁水

泥, 其拥有早期强度高、快速凝结的优势, 随之结合工程实际应用, 用其来快速修补破损的部分

混凝土结构。杨建明[11]、常远[12]、齐召庆[13]试验探究了其中一个重要因素对 MPC 力学性

能等方面的影响, 那便是不同原料粒度。周启兆[14] 将镁砂(电工级) 、磷酸二氢钾、硼砂及其

他所需材料混合制备出 MPC, 其拥有良好的凝结时间、43MPa 的3d 抗压强度、6.2MPa 的3d 粘

结强度。由于此时配制的 MPC 所需凝结时间较短, 短期强度还很高, 于是乎被考虑去修补混凝

土路面, 达到了很好的修补效果, 保证了正常的交通通行。

　 3　、性能的主要影响因素

　　 3.1 　、氧化镁

细粒度的 Mg O, 极易接触到其它反应物, 并触发反应的进行, 加快促进Mg O、磷酸盐混合反应

形成水化产物。掺入等量缓凝剂, Mg O 比表面积越大, 单个 Mg O 分得的缓凝剂越少, 致使 MPC

的凝结时间越来越快[15]。减小Mg O 细度, 会增加标准稠度的用水量, 随之出现较快的初凝、

终凝[16]。大比表面积的Mg O, 其抗折、抗压强度值增长显着加快, 但就 3d 后的强度, Mg O 比

表面积变化的影响不大[2]。水泥成分若为高含量 Mg O 材料和较细镁砂, 其强度值较高, 这是因

为部分未水化的镁砂填充了空隙。

　 3.2 　、P/M 比

过高 P/M, 产生磷酸盐剩余, 磷酸盐易吸湿, 水分丢失后基体易开裂。另一方面, 减小P/M, 会出

现较短的 MPC 凝结时间。特别是过小的 P/M, 水化物不充分, 出现较多的空隙。姜洪义[2]等试

验研究了磷镁比较小时, MPC 干燥收缩较严重, 经过多次试验得出最佳P/M 范围是 1/5～

1/4[17]。

　 3.3 　、水胶比

材料用量来看, 水的用量并不是很大, 提供较低的水胶比水化产物便可以产生。随着越来越大的

水胶比, 缓凝作用凸显出来, 不好的是过高水胶比, 含水较多, 一旦蒸发, 会出现较多空隙, 耐久性

无法得到保证[2]。

3.4　、缓凝剂

硼砂是首当其冲的缓凝剂, 被使用的频率最高。缓凝剂缠绕着 Mg O 并对其起作用[16], 而且越

大硼砂掺量, 会使得 MPC 凝结时间被拉长, 若其值从 2.5%增到 8%, MPC 凝结时间可延长到半小

时左右[18]。杨建明[19]试验研究发现 MPC 最高抗压强度对应的硼砂掺量为 5%, 此时即为最佳

硼砂掺量。

　　 3.5 　、掺合料

掺合料主要是粉煤灰、碳酸钙晶须、硅灰等。细小的呈球形的粉煤灰在水泥泥浆中易混合, 使

浆体流动度高, 易于浇筑, 而且其能填充较大空隙, 反应产物得到进一步密实。李宗津等[20]试验

研究加入 30%～50%粉煤灰, MPC 早期、长期抗压强度均提高。汪宏涛[21]试验研究得出增大

粉煤灰掺量, 出现较长的MPC 凝结时间。若掺入的粉煤灰比较少, 甚至不足水泥总量的8%, 会

出现差异不大的 MPC 凝结时间, 但掺入的粉煤灰比较多, 甚至多于水泥总量的12%, 会出现较为

显着的长凝结时间。

　 4 　、缓凝机理

众多学者[3,10]认为 MPC 缓凝过程是易溶于水的硼砂形成的 B4O72-和Mg2+反应得到 Mg-

B4O7, 快速窜到氧化镁颗粒表面, 形成对 PO43-、H+和K+与Mg O 接触的阻碍, MPC 反应速度

降下来。磷酸盐离子一旦过量, 阻碍膜两侧会出现渗透压, 但慢慢地磷酸盐分子窜入阻碍膜内,

与Mg O 接触得到 Mg KPO46H2O, 但由于窜出的磷酸盐分子较少, 反应较慢, 但反应的累积效应

导致产物增多, 增加了氧化镁体积, 突破了保护膜束缚, 越来越多的磷酸盐离子可以轻松接触 Mg

O, 反应加快, 减弱了硼砂所起的缓凝效果。除此之外, 对于硼砂、KH2PO4, 加速溶解是二者对

对方的贡献, 但会吸热, 随之产生较低的反应温度, Mg O 溶解不再那么顺利。于此同时, 硼砂在

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磷酸镁水泥的性能机理及其具体运用　　摘　　　　　要：凝结硬化快的磷酸镁水泥(MPC)具备早期强度高、耐磨抗冻等特点,这使得其在工程中逐渐开始得到应用。本文综述了MPC材料的研究现状、性能的主要影响因素、缓凝机理、水化硬化机理及在土木工程中的实际应用,以期提高其工程应用价值。　　关键词：磷酸镁水泥;影响因素;缓凝机理;水化机理;应用;　1　、引言MgO、磷酸盐、粉煤灰、缓凝剂等是MPC的主要成分,将这些原材料按比例混合,发生酸碱中和反应,形成粘结性较强的无机胶凝材料。与普通的硅酸盐水泥相比,凝结过程、硬化过程对应的总的时间较短、材料相互反应后发挥出的早期强度较高、使用过程中的磨损度较低、低温情况...

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