磷酸镁水泥净浆的制备及试验研究

李十泉，吴丽雅，陈蓓， 蒋邵轩，葛佳龙

（1.南京理工大学泰州科技学院，江苏 南京 225300；2.泰州市同一建设工程质量检测有限公司，江苏 泰州 225300；3.江苏大学土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013）

0 引言

磷酸镁水泥(magnesium phosphate cement，简称MPC)是一种新型胶凝材料，由重烧氧化镁、磷酸盐以及缓凝剂按一定比例混合加水制成。 MPC 具有早强高强、黏结耐久、纤维相容性好等优点，可用于工程结构加固，道路紧急修补，固化放射性核废料[1-3]。

通过试验研究， 分析缓凝剂 （硼砂） 用量对MPC 凝结时间、强度的影响，确定其合适用量；分析水胶比W/B（“胶”为氧化镁+磷酸二氢钾+硼砂的总质量）、镁磷比M/P（氧化镁与磷酸二氢钾质量之比）、养护龄期对MPC 试件强度的影响。 为MPC的配合比设计、制备流程、施工工艺提供了参考。

1 试验介绍

1.1 试验材料

氧化镁：200? 目重烧镁粉， 由华耐镁业有限公司生产。 磷酸二氢钾（KH2PO4）：工业级，KH2PO4含量≥98%，粒度200 目，由上海剑诚化工有限公司生产。 硼砂 （Na2B4O7·10H2O）： 工业级， 含量≥99.5%，无锡展望化工试剂有限公司生产。 水为自来水。

1.2 施工方法

MPC 净浆试件的制作、 强度测试、 计算均参照ISO 法[4]。 实验仪器主要有NJ-I60B 水泥净浆搅拌机，DY-208 型全自动水泥强度试验机。 将称取好的氧化镁、磷酸二氢钾、硼砂依次倒入润湿过的搅拌锅中；先手工搅拌，缓慢加入水（开始记时），继续搅拌至粉末全部湿润；安装搅拌锅，进行机械搅拌，低速搅拌120 s，停15 s，再高速搅拌120 s，至净浆均匀，流动性良好。参考文献[5]进行凝结时间测定。将MPC净浆浇筑于试模，振捣密实，抹平，静置养护。

2 试验设计及结果分析

2.1 硼砂用量

缓凝剂可调节MPC 的凝结时间， 选用硼砂作为缓凝剂[6-7]。 缓凝剂不参与反应，但影响MPC 强度。为明确硼砂用量对MPC 净浆凝结时间、强度的影响，以水胶比W/B= 0.15，选用不同用量的硼砂制作试件。 养护3 d 后，进行抗折、抗压强度测试，结果见表1、图1。

图1 缓凝剂用量对MPC 净浆强度的影响

据表1 和试验观察，随硼砂用量增加，初凝时间逐渐增加，MPC 净浆拌合物的流动性越好， 对施工有利。 据图1，随硼砂用量增加，MPC 净浆试件的抗折、抗压强度先增加后减小。 由于硼砂用量越少，MPC 净浆凝结过快，施工难度大，施工质量差，其强度降低。 若硼砂使用过多，虽施工方便，但强度会降低。 当M:P:B=100:85:5 时，初凝时间为20 min，抗折强度达到9.2 MPa、抗压强度达到42.3 MPa，均较理想；同时，MPC 净浆施工性能较好。

2.2 水胶比（W/B）

水胶比增大能改善MPC 净浆流动性[7-8]，初凝时间也会增加。为分析水胶比对MPC 净浆抗折、抗压强度的影响， 取配合比M:P:B= 100:85:5，W/B=0.11、0.13、0.15、0.17，制作MPC 试件，养护3 d，进行抗折、抗压强度测试，结果见表2、图2。

图2 水灰比对MPC 净浆强度的影响

据表2，W/B 越小，MPC 净浆的强度越高；对于W/B =0.11 的试件，其抗折强度9.9 MPa，抗压强度达到45.0 MPa，达到42.5 的硅酸盐水泥强度；W/B= 0.17 时，其强度下降明显。 可见，减小W/B 是增大MPC 净浆抗折、抗压强度最有效的方式。但W/B太小，拌合物的和易性差，施工性能差，且初凝时间也会减少。 故W/B=0.11 是能保证MPC 净浆和易性，强度及施工性能的最佳值。

表1 不同硼砂用量时MPC 净浆抗折、抗压强度（3 d）

表2 不同水胶比MPC 净浆抗折、抗压强度（3 d）

2.3 镁磷比（M/P）

M/P 是影响MPC 净浆强度的重要因素[9]，若配比合适，两者之间能完全反应。 但其反应机理尚不明确。参考文献[10-11]，共设计了8 组试件，M:P:B=100:85:5，M/P=0.9～3.0，W/B = 0.11、0.13，制作试件，养护3 d，进行抗折、抗压强度测试，结果见表3、图3。

图3 M/P 对MPC 净浆强度的影响

据图3，在M/P＜1.8 时，随M/P 值的增大，试件强度增大；当M/P＞1.8 后，随M/P 值的增大，试件的强度降低，且幅度较大。M/P 值对MPC 净浆强度的影响规律在其值小于1.8 时是符合的。 M/P 值大于1.8 时，氧化镁的含量增多，需要的用水量增加，拌和物的和易性变差，施工性能降低，试件的强度较低。此时，即使通过增大水胶比来改善MPC 净浆和易性，MPC 净浆的强度无明显提高。 M/P 值在1.2～2.2 之间，MPC 净浆具有较好的强度和施工性能。

2.4 龄期

已有研究表明，龄期对MPC 强度有影响[4,8]。对M/P=1.8，W/B=0.11，配合比=153:85:5 的MPC 净浆进行不同龄期（1 d、3 d、7 d、14 d、28 d）的强度试验。 试件同条件养护至龄期后进行抗折、抗压强度试验，见表4、图4。

图4 龄期对MPC 净浆强度的影响

据表4，MPC 净浆具备明显的早强高强特性，强度随龄期的增加而增加。 由图4，MPC 净浆的1 d强度达28 d 强度的90.1%，3 d 强度达28 d 强度的90.2%；1 d 后的短期强度变化不明显， 后期强度才有较明显上升。M/P=1.8，W/B=0.11，配合比=153:85:5的MPC 净浆抗折、 抗压强度达到52.5R 的硅酸盐水泥强度要求。

表3 不同M/P 值MPC 净浆的抗折、抗压强度（3 d）

表4 不同龄期下MPC 净浆抗折、抗压强度

3 结论

（1）硼砂必须使用，但其用量应严格控制。W/B越小，MPC 净浆的强度越高，但施工性能变差。 当M:P:B=100:85:5 时，MPC 净浆的初凝时间、 抗折强度、抗压强度、施工性能均较理想。

（2）当W/B=0.11，M/P=1.2～2.2 时，MPC 净浆具有较好的强度和施工性能。 M/P=1.8，W/B=0.11，M:P:B=153:85:5 的MPC 净浆强度达52.5R 硅酸盐水泥的强度要求。

（3）MPC 净浆的1 d 强度达28 d 强度的90%；体现出明显的早强性能。

[1] 胡曙光.先进水泥基复合材料[M].北京:科学出版社,2009.

[2] Irene Buj, Josep Torras, Daniel Casellas, et al.Effects of heavy metals and water content on the strength of magnesium phosphate cements[J].J Hazard Mater, 2009,170 (1): 345.

[3] 孙道胜， 孙鹏.磷酸镁水泥的研究与发展前景[J].材料导报, 2013,27(5):74.

[4] GB/T 17671-1999, 水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)[S].

[5] GB/T 1346-2011,水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性[S].

[6] 陈兵，雒亚莉，王菁.磷酸镁水泥性能试验研究[J].水泥,2010(7):14-18.

[7] 李十泉,陈蓓,陆春华,等.磷酸镁水泥的研究与应用[J].江苏建材,2015(1):10-14.

[8] 杨建明，钱春香，张青行，等.原料粒度对磷酸镁水泥水化硬化特性的影响[J].东南大学学报，2010,40(2):373-379.

[9] 蒋江波,薛明.海工磷酸镁水泥基材料的制备及性能研究[J].功能材料，2012,7(43):828-830.

[10] Ding Zh, Li Z.High-early-strength phosphate cement with fly ash[J].ACI Material.Journal,2005,102(6):375-381.

[11] Ding Zh.Research of magnesium phosphosilicate cement[D].Hong Kong:The Hong Kong University of Science and Technology,2005.