磷酸镁水泥在高湿度和不同水体下的性能评价

范水军　王中良　刘凯

（1.苏州科利源施工技术研究所有限公司　江苏　苏州　215004　2.苏州混凝土水泥制品研究院检测中心　江苏　苏州　215004　3.中国建材检验认证集团苏州有限公司　江苏　苏州　215008）

磷酸镁水泥在高湿度和不同水体下的性能评价

范水军1王中良2刘凯3

（1.苏州科利源施工技术研究所有限公司江苏苏州2150042.苏州混凝土水泥制品研究院检测中心江苏苏州2150043.中国建材检验认证集团苏州有限公司江苏苏州215008）

磷酸镁水泥（MPC）是一种新型绿色胶凝材料，兼具化学结合陶瓷和水泥的属性。本文以重烧MgO、KH2PO4和硼砂为主要原料制备胶凝材料，研究了浆体在5种养护环境下的力学性能和体积稳定性。结果表明，干燥条件（RH=60％）最适宜MPC材料的结构发展；高湿度或水会造成材料力学性能下降，明显改变胀缩规律，而且酸和碱对材料还具有侵蚀作用。最后，鉴于不同水体对材料宏观性能的影响，本文对材料的应用提出了进一步的改善措施。

磷酸镁水泥；养护环境；高湿度；水体；耐久性

磷酸镁水泥（MPC）是一种新型快硬、早强的胶凝材料，具有粘结强度高、抗盐冻能力强、耐磨性能优异等一系列优点[1]。早在20世纪70、80年代，欧美发达国家就已将MPC用于土建修补工程中，如道路、桥梁、工业厂房和机场等[2]。

近年来，MPC已经引起国内众多科研人员的持续关注。杨全兵等人[2]对MPC的水化产物、硼砂的缓凝机理和水化机理进行了研究[3]；姜洪义[4～5]等着重从凝结时间、强度、与旧混凝土的粘结性能、水化动力学等方面探讨了其影响因素。丁铸等人[6]以MgO含量较低的镁砂和粉煤灰为主要原料成功制备出凝结快、早期强度高的磷硅酸盐水泥。李鹏晓等人[7]发现M/P比对MPC耐水性有重要影响，并讨论了强度倒缩机理。陈兵等人[8]发现MPC具有优异的耐化学侵蚀性能，在浸渍于NaCl和Na2SO4溶液后，材料表面无脱落，28d强度损失率低于10％。

本文将研究5种养护条件下MPC材料的耐久性，其中以干燥条件养护的试样与另外4组试样进行对比，以便对材料在高湿度和不同水体下宏观性能进行评价。

1　实验

1.1原材料

死烧MgO：济南鲁东耐火材料公司，氧化镁含量96.8％，比表面积354.5m2/kg；

磷酸二氢钾：工业级，KH2PO4含量98％，常州市川磷化工有限公司；

硼砂：分析纯。

1.2试验方法

氧化镁（M）和磷酸二氢钾（P）按照M：P摩尔比按8：1进行配料，硼砂用量占胶凝材料总掺量的12wt％。另外，水灰比固定为0.09。

研究养护条件对水泥耐久性的影响时，采用两种不同的评价方法：力学性能和线膨胀率。试件成型后1h脱模，在干燥条件（20±3℃、相对湿度55±5％）下养护3h后转移至不同的养护环境继续养护28d，测定1d、3d、7d、28d抗压强度和1d、3d、7d、14d、28d试件长度。

力学性能实验参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB17671-1999），净浆试样在2cm×2cm×2cm模具中成型。

线膨胀率为试件养护至规定龄期相对于初始长度的负（收缩）或正（膨胀）变化。采用1cm×1cm×6cm的净浆试模，成型、养护制度与抗压强度测试方法相同。试件成型3h后进行首次测量且以此结果为初始长度，尺寸变化率按式（1）进行计算，用百分数表示并精确至0.01％：

式中：L0-为试件成型后在干燥空气中养护3h的初始长度；Lt-为试件在不同环境下养护至规定龄期时所测得的长度。

2　结果与讨论

在不同养护制度下，磷酸镁水泥基材料会体现不同的力学行为。MPC兼具化学结合陶瓷和气硬性胶凝材料的属性[1]。众所周知，陶瓷与气硬性胶凝材料在接触水体时，耐久性能表现大相径庭。陶瓷耐酸、碱侵蚀性能优异，气硬性胶凝材料在水侵蚀时结构极易溃散。磷酸镁水泥性质区别于两者，其耐久性在不同的环境介质作用下也会有所不同。

采用5种不同养护环境：干燥环境（RH=60％）、潮湿空气（RH=95％）、水养护、酸性介质（0.02mol/L HCl溶液）和碱性介质（0.02mol/L KOH溶液），对比研究在不同养护条件下MPC净浆的力学性能和体积稳定性。其中，干燥条件养护的试样用于实验对比，以便评价材料的具体性能。

2.1力学性能

图1为MPC试件在不同养护条件下的抗压强度发展规律。由图可知，5种养护制度下MPC净浆抗压强度大小顺序为：干燥养护>潮湿环境>水养护>碱或酸溶液。在潮湿环境下，MPC试件在水化早期易吸收空气中水分，这对水化有促进作用，早期强度有所发展，但后期强度略低于干燥环境下的；材料养护于水中时，部分磷酸盐组分因溶解而流失，早期、后期强度涨幅明显受到了负面影响；试块养护于酸性水体时，早期的酸性条件有利于氧化镁的溶解，28d抗压强度却大幅倒缩；碱性条件同样会引起MPC的强度倒缩。除了早期的力学性能有较大差别之外，0.02mol/L的酸液或碱液均不利于材料结构的稳定发展。

图1　磷酸镁水泥试件在不同养护制度下的抗压强度

2.2体积稳定性

图2显示了MPC试件在不同养护条件下的线膨胀率。在干燥养护条件下，MPC试件随龄期增长呈收缩状态，收缩值随龄期逐步增大，但收缩趋势趋于缓和；在潮湿环境中，试件总体呈微收缩态，在成型前3d内收缩率表现为增大，3d以后收缩值逐步减小。在另外3种养护制度下，MPC净浆均呈膨胀性。水养护时，MPC呈微膨胀性，膨胀值随龄期逐步提高；养护于0.02mol/L HCl溶液时，材料同样呈微膨胀性，膨胀率接近水养护的情况；而在KOH溶液中，材料先微收缩，养护14d以后，材料开始呈微膨胀性，这可能是因为OH-离子的入侵消耗了材料内部的部分H+，MPC水化程度受影响，但随着龄期的发展，大量磷酸盐产物吸水肿胀使得材料由为收缩态转为微膨胀性。

图2　磷酸镁水泥试件在不同养护制度下的膨胀率

由此可知，干燥环境是磷酸镁水泥最适宜的养护条件，潮湿环境和水体性质对MPC的力学性能有负面影响，材料的体积稳定性变差。磷酸镁水泥具备一定的短期耐酸、碱侵蚀性能，但不宜长期接触酸或碱等腐蚀介质。

2.3改善措施

文献显示[7]，原料配比对MPC耐水性的影响较大，磷酸盐含量对MPC耐水性影响显著。控制磷酸镁水泥中的磷酸盐含量是关键之一，因此，可以从以下几方面改善磷酸镁水泥在高湿度环境和水体中使用性能：

（1）矿渣、粉煤灰等掺合料。掺合料的分散性可以显著降低材料中磷酸盐用量，并且掺合料自身能够参与水化，丰富材料的微观结构。

（2）有机聚合物。聚合物乳液和胶粉已被广泛用于生产刚性防水材料，它们可以优化材料孔结构，提高材料的密实度。

（3）柔性防水卷材。改性沥青防水卷材等可以有效阻断MPC材料与外界侵蚀介质的接触作用，且具有优良的界面粘结效果，能够显著提高材料的耐水性。

（4）养护制度。成型后，MPC材料在干燥环境下养护时间越长，浆体水化程度越高，越有利于提高材料的抗侵蚀能力。

3　结论

养护条件对磷酸镁水泥的耐久性有重要影响。干燥环境是磷酸镁水泥最适宜的养护条件，潮湿空气或水养护会影响MPC的力学性能发展和体积稳定性；而接触酸性或碱性水体时，磷酸镁水泥的强度在7d后即开始倒缩。

[1]刘凯，李东旭.磷酸镁水泥的研究与应用进展[J].材料导报，2011，25 （7）：97～100.

[2]Jazairi B E.Rapid repair of concrete pavings[J].Concrete，1982，16（9）：12～ 15.

[3]Yang Q，Wu X.Factors influencing properties of phosphate cement-based binder for rapid repair of concrete[J].Cement and Concrete Research，1999，29：389～396.

[4]姜洪义，张联盟.磷酸镁水泥的研究[J].武理工大学学报，2001，23（1）：32～34.

[5]姜洪义，周环，杨慧.磷酸镁水泥水化机理研究[J].武汉理工大学学报，2009，31（9）：25～28.

[6]丁铸，邢锋，李宗津.高早强磷硅酸盐水泥修复性能的研究[J].工业建筑，2008，38（9）：77～81.

[7]李东旭，李鹏晓，冯春花.磷酸镁水泥耐水性的研究[J].建筑材料学报，2009，12（5）：505～510.

[8]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.

TQ172.1

A

1673-0038（2015）27-0143-02

2015-6-21

范水军（1986-），男，汉族，江苏苏州人，助理工程师，大学本科。