纤维改性磷酸镁水泥性能的研究

李 悦，孙 佳，施同飞

（1.北京工业大学，北京 100124；2.城市与工程安全减灾教育部重点实验室 北京 100124；3.工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京 100124）

0 引言

磷酸镁水泥（MPC）是由 MgO、磷酸盐和缓凝剂等按一定比例混合而成.它是一种在室温下通过化学反应形成的新型胶凝材料.目前许多学者对磷酸镁水泥进行了研究并取得了一定的成果，包括制备方法、反应机理、耐久性等方面[1-3].和传统硅酸盐水泥相比，磷酸镁水泥具有快凝、早强、黏结强度高、干缩小、低温环境下施工、耐久性良好等特点.目前磷酸镁水泥主要用于道路、桥梁、机场跑道等快速修补.近期研究表明，采用磷酸二氢钾替代传统磷酸二氢氨作为磷酸盐制备MPC能够克服传统磷酸镁水泥在反应过程中释放氨气的缺点[4]，而且还可以大掺量地胶结各种工业废弃物如粉煤灰、矿渣等[5-6].对于普通硅酸盐水泥混凝土，通过掺加纤维从而产生一种优于任何一种组成材料的复合材料的研究有很多，但是对于掺加纤维改善MPC试件的性能的研究甚少.

针对这个问题，试验把聚丙烯腈纤维与聚丙烯纤维掺加到了MPC中，并对纤维复合磷酸镁水泥的流动性、强度和微观形貌进行了研究.

1 实验

1.1 原材料

煅烧MgO，颜色为浅黄色，由菱镁矿在1600℃下煅烧而成，真实密度3.46g/cm3，堆积密度为1.67g/cm3.煅烧MgO物理化学指标及成分的质量分数如表1所示.磷酸二氢钾为工业级白色晶体粉末，KH2PO4质量分数为98%.硼砂作为缓凝剂，为白色晶体粉末，Na2B4O710H2O质量分数为99.5%.聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维产品物理力学性能见表2.

表1 MgO的物理化学指标Tab.1 Basic propertiesofmagnesia and fly ash

表2 纤维物理力学性能Table 2 Physicalandmechanicalof fiber

1.2 试验方法

MPC试样的制备：按设计比例将各种原材料先混合搅拌1m in，然后加入纤维，继续搅拌，得到纤维改性MPC试件.试件中硼砂掺量为5%；P/M取1/4；No.1和No.5试件中掺加的纤维为聚丙烯腈，掺量分别为0%、0.33%、0.66%、0.99%、1.3%、1.6%；No.6和No.10试件中掺加的纤维为聚丙烯0%、0.33%、0.66%、0.99%、1.3%、1.6%.

试件强度检测参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T17671-1999进行，试件采用40mm×40mm×160mm模具尺寸，试件成型后1 h脱模，放置在温度为（20±2）℃，相对湿度为（50%±5%）的实验室环境中养护至测试龄期.水泥净浆流动度参考《混凝土外加剂匀质性试验方法》GB/T 8077-2000进行测定.采用FEI公司的Quanta200扫描电子显微镜观察MPC水化产物的形貌.

2 结果与讨论

2.1 纤维种类与掺量对MPC试件流动性的影响

图1为聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维两种纤维在不同的掺量下MPC浆体的流动度测试结果.可以看出，随着纤维的掺量的增加，MPC浆体的流动性逐渐降低.掺加聚丙烯的MPC浆体流动性降低平缓；而掺加聚丙烯腈的MPC浆体，其流动度降低幅度较大，当掺量大于0.33%时，流动度急剧下降，聚丙烯腈掺量为0.99%比掺量为0.33%的流动度降低44%.因此聚丙烯腈纤维对MPC浆体的流动性影响要大于聚丙烯纤维对其流动性的影响.

2.2 纤维对MPC试件抗压强度的影响

图1 两种纤维不同掺量下的MPC浆体流动度Fig.1 MPC slurry fluidity of the two fibersunder differentdosage

图2 为聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维在不同的掺量下MPC试件抗压强度试验结果.可以看出，掺加和不掺加纤维的试件，其抗压强度都随着龄期的增加而提高，水化龄期从1 d增加到3 d时抗压强度增加显著，而在3 d后增加幅度不明显，接近28 d抗压强度.另外，随着纤维掺加量的增加，试件抗压强度并没有明显变化，因此掺加聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维对MPC试件的抗压强度都没有明显影响.

图2 两种纤维不同掺量下的MPC试件抗压强度Fig.2 MPC compressive strength of the two fibersunder differentdosage

2.3 纤维对MPC试件抗折强度的影响

图3 为聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维两种纤维在不同的掺量下MPC试件抗折强度结果.由图可以看出，随着纤维掺量的增加，MPC试件抗折强度先增加然后趋于稳定；由图3a）可以看出，掺加聚丙烯腈纤维对MPC试件的抗折强度有较大的影响，1 d龄期时，纤维掺加量超过0.33%时，MPC试件抗折强度急速增加，当掺量超过0.99%时候，抗折强度不再增加，因此，掺加适量的聚丙烯腈纤维对MPC抗折强度有很好的提高作用，由图3b）可以看出，掺加聚丙烯纤维对MPC试件的抗折强度影响不是很明显，整体来看，纤维掺加对试件早期强度影响较大，随着龄期的增加，MPC试件的本身抗折强度逐渐增加，纤维对试件抗折强度的提高不再明显.

图3 两种纤维不同掺量下的MPC试件抗折强度Fig.3 MPC flexuralstrength of the two fibersunder differentdosage

2.4 掺加不同纤维的MPC微观结构特征

图4 为掺加两种纤维的MPC试件SEM测试结果.由图4a）和c）可以看出，掺加聚丙烯腈纤维的试件，纤维有集束状情况出现；由图4b）和d）可以看出，掺加聚丙烯纤维试件中纤维丝都得到了很好的分散，较均匀分布于试件基体中.因此，对于MPC试件来说，聚丙烯纤维的分散性好于聚丙烯腈纤维；另外，由图4c）和d）放大倍数较高的SEM图可以看出，MPC试件中的纤维并没有产生腐蚀的痕迹，因此，纤维在试件中能够保持其应有的物理性能，试件中的化学反应不会对其造成损伤.

图4 掺加纤维MPC试件的SEM结果Fig.4 The SEM resultsofMPC specimenmixingw ith fiber

3 结论

1）随着纤维的掺量的增加，MPC浆体的流动性逐渐降低，聚丙烯腈纤维对MPC浆体的流动性影响要大于聚丙烯纤维对其流动性的影响.

2）在一定掺量范围内，掺加聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维对MPC试件的抗压强度都没有明显影响，而抗折强度先增加后趋于稳定.

3）微观分析发现，对于MPC试件，掺加聚丙烯纤维的分散性好于聚丙烯腈纤维.

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