磷酸镁水泥快速修补材料的性能试验

温金保,唐修生,黄国泓,祝烨然,马进南

(1.南京水利科学研究院瑞迪高新技术有限公司,江苏 南京 210024;2.江苏省(瑞迪)水工新材料工程技术研究中心,江苏 南京 210024)

磷酸镁水泥快速修补材料的性能试验

温金保1,2,唐修生1,2,黄国泓1,2,祝烨然1,2,马进南1,2

(1.南京水利科学研究院瑞迪高新技术有限公司,江苏 南京 210024;2.江苏省(瑞迪)水工新材料工程技术研究中心,江苏 南京 210024)

为了客观评价磷酸镁水泥材料的快速修补性能,以普通硅酸盐水泥砂浆为基准,在两种砂浆28 d抗压强度相当的条件下进行了磷酸镁水泥砂浆快速修补应用性能的对比试验。结果表明,相对于普通硅酸盐水泥砂浆,磷酸镁水泥砂浆作为快速修补材料具有更为优异的性能:新拌砂浆具有高流动度及快速凝结硬化的特点,凝结时间不到20 min;硬化砂浆早期力学性能好,3 h抗压强度和黏结强度分别为42.5 MPa和1.45 MPa;弹性模量低,28 d静力抗压弹性模量和抗拉弹性模量分别降低了13.5%和8.9%;拉伸应变高,28 d极限拉伸值提高了38.8%;耐久性优异,56 d干缩应变仅为118 μm/m,降低了86.4%,28 d抗冲磨强度则提高了45.8%。

磷酸镁水泥;快速修补材料;凝结时间;黏结强度;抗冲磨强度

目前，混凝土高性能修补材料的应用研究是热点,用于混凝土结构工程修补的材料种类很多[1-6],主要有无机材料、有机材料以及有机聚合物改性材料三大类。无机类修补材料主要以传统水泥基材料为主,该类修补材料小时强度偏低,早期需要严格的养护措施,且与普通水泥一样干缩大,与基材之间的界面过渡区相对薄弱,易出现脱落而导致修补失效；而采用特种水泥则存在水泥不易保存[7],且有的特种水泥水化产物高温下不稳定，容易发生晶型转变而破坏[8]等缺陷。有机修补材料以环氧树脂类以及沥青修补材料为主,环氧树脂类修补材料与基材之间存在较大的相容性差异,二者的变形不一致,容易导致脱落,且易老化,耐久性差。有机聚合物改性材料存在有机聚合物影响水泥水化,导致聚合物改性修补砂浆早期水化程度低和砂浆早期强度低等问题。此外,上述材料都无法满足工程真正意义上的快速修补需要,因此势必影响结构工程投入应用的速度。

磷酸镁水泥是一种以通过酸碱中和化学反应产生化学键而形成强度的胶凝材料,具有与陶瓷类似的结构性能特点,被称为“陶瓷水泥”,是一种很有应用潜力的新型胶凝材料,具有以下特点[9-17]:①早期强度高;②能在-20～5℃的低温环境中快速凝结硬化;③与不同基材的黏结能力强;④变形性能、耐磨性和抗冻性良好;⑤耐化学侵蚀性能好;⑥防火耐高温;⑦固化有害和放射性物质的效果好。

目前磷酸镁水泥应用研究主要集中于作为快速修补材料的应用以及对重金属的固化等方面。马保国等[18]研究了磷酸镁水泥对铅离子的固化,重点探讨了体系pH值对铅离子浸出率的影响。杨全兵等[9]进行了磷酸镁水泥砂浆作为快速修补混凝土材料的研究,重点探讨了胶砂比、水灰比、粉煤灰掺量、拌和物体积量及温湿度对磷酸镁水泥砂浆的流动性及力学性能的影响。Qiao等[19]进行了磷酸镁水泥砂浆作为快速修补材料的性能研究,重点探讨了不同磷镁比下的抗压强度、黏结强度性能,并以普通硅酸盐水泥砂浆同流动度为前提,进行了磷酸镁水泥砂浆不同磷镁比、胶砂比对干缩性能影响的研究。磷酸镁水泥基材料的诸多优良特性使得其作为一种快速修补材料备受关注,但研究大都集中于磷酸镁水泥自身性能,较少与传统水泥基材料进行性能对比,使得性能的评价相对孤立,评价方式缺乏领域内横向的比较;偶有与传统水泥的比较,也未见以28 d抗压强度且强度限定在某个有限范围内为相同点的性能对比报道。对于水泥基材料而言,材料的强度对材料其他性能有着显著的影响,同样,不同的强度对其他性能的影响规律也不一样。本文基于快速修补材料的特性,通过与普通硅酸盐水泥对比试验,对磷酸镁水泥快速修补材料进行一个较为全面的性能评价,为磷酸镁水泥基材料的快速修补应用提供一个相对可靠的参考依据。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及砂浆配合比的确定

1.1.1 原材料

利用磷酸二氢钾、重烧氧化镁、硼砂、Ⅰ级粉煤灰、木质素纤维5种原材料按一定比例混合均匀即制得磷酸镁水泥,其中磷酸二氢钾与重烧氧化镁的摩尔比为1∶5,硼砂用量为重烧氧化镁质量的4%,木质素纤维用量为磷酸镁水泥总质量的0.04%,Ⅰ级粉煤灰用量为磷酸镁水泥总质量的20%。重烧氧化镁及中国海螺P·O42.5水泥的化学组成见表1;砂为ISO标准砂。

表1 原材料化学组成(质量分数) %

1.1.2 砂浆配合比的确定

相对于普通硅酸盐水泥,磷酸镁水泥价格较高,为了降低快速修补材料的成本,采用磷酸镁水泥、细骨料及水按一定比例拌和形成的砂浆作为磷酸盐类水泥基快速修补材料进行相应的试验研究。丁铸等[20]进行了不同胶砂比对砂浆强度性能的影响试验研究,结果表明在胶砂比为1时强度最高,且砂浆抗压强度随着细骨料含量的增加而下降。因此,本试验选择胶砂比为1,同时考虑到试验对比结果的可靠性,细骨料统一采用ISO标准砂。在胶砂比确定的前提下,进行磷酸镁水泥砂浆水胶比与强度关系的试验,结果见图1。由图1可知,磷酸镁水泥砂浆的1 d和28 d抗压强度均随着水胶比的增大而降低。同时进行普通硅酸盐水泥砂浆(胶砂比为1)水胶比与强度关系的试验,结果见图2,可见普通硅酸盐水泥砂浆强度也随水胶比的增大而降低。

图1 磷酸镁水泥砂浆水胶比与抗压强度的关系

图2 普通水泥砂浆水胶比与抗压强度的关系

为了保证磷酸镁水泥砂浆与普通硅酸盐水泥砂浆的性能具有可比性,应在两种砂浆28 d抗压强度相当的条件下进行性能对比试验,结合图1和图2的试验结果,选定两种砂浆的胶砂比均为1,磷酸镁水泥砂浆和普通硅酸盐水泥砂浆的水胶比分别为0.2和0.35,此时两种砂浆28 d抗压强度分别为64.5 MPa和64.9 MPa,抗压强度相当,且均在60～65 MPa范围内。

1.2 试验方法

1.2.1 砂浆的制备

由相应的水泥与砂、水按一定配比混合并慢速搅拌1 min,然后快速搅拌2 min即可制得相应的砂浆。

1.2.2 流动度试验

将拌好的水泥砂浆分两层迅速装入截锥圆模内,截锥圆模顶面直径、底面直径及高分别为70 mm、100 mm和60 mm,第一层装至截锥圆模高约2/3处,用捣棒自边缘至中心均匀捣压15次,继续装第二层砂浆,装至高出截锥圆模20 mm,再用捣棒自边缘至中心均匀捣压10次,把高出截锥圆模的部分砂浆刮除,刮平表面之后轻轻提起截锥圆模,当截锥圆模提起30 s时测试砂浆自坍落的圆形直径作为流动度值。

1.2.3 凝结时间试验

砂浆凝结时间测试参照JGJ 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》的规定进行。其中磷酸镁水泥砂浆贯入阻力值在0.3 MPa之前每3 min测1次,贯入阻力值达到0.3 MPa时,改为每30 s测1次,直至贯入阻力值达到0.7 MPa时为止,最终通过作图求得贯入阻力值为0.5 MPa时对应的时间即为砂浆凝结时间。

1.2.4 抗压强度和黏结强度试验

试验均参照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》中的相应规定进行,其中抗压强度试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,在规定龄期内取出试件进行抗压试验,通过破坏荷载和受压面积计算抗压强度;黏结强度试件采用“8”字形,黏结基底采用标准养护28 d的半个“8”字形的普通硅酸盐水泥砂浆试件,对黏结基底界面打磨去污后,将按配比成型的砂浆与基底黏结成型,并在规定龄期内取出试件进行抗拉试验,通过破坏荷载和断面面积计算黏结强度。

1.2.5 静力抗压弹性模量及轴向拉伸试验

试验均参照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》中的相应规定进行,其中静力抗压弹性模量试件尺寸为100 mm×100 mm×200 mm,测量标距为100 mm,通过测定变形数据及破坏荷载来计算静力抗压弹性模量。轴向拉伸试件为哑铃型,试件在到达规定龄期时取出、晾干,并贴上电阻应变片,通过测定拉伸破坏荷载及由电阻应变仪测定拉伸应变值而求得抗拉强度、抗拉弹性模量及极限拉伸值。

1.2.6 干缩、抗冻及抗冲磨试验

砂浆干缩试验试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,砂浆试件成型24 h后脱模立即测初长,并立即送至温度为(20±1)℃、相对湿度为55%～65%的干缩室内存放,按相应龄期进行长度测量。抗冻及抗冲磨试验均参照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》中的相应规定进行，其中抗冻试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,成型之后在相应的环境下养护28 d,然后取出进行冻融循环试验,试件中心控制冻结温度为(-18±2)℃、融解温度为(5±2)℃。每经过25次循环进行相对动弹性模量和质量损失率测试,总冻融循环次数为150次。抗冲磨试验采用水下钢球法,试件为圆柱体,内径为300 mm,高度为100 mm,试件下半部分(高度5 mm以下)为C50强度等级的混凝土,上半部分(高度5 mm以上部分)为相应的砂浆。对上半部分砂浆用钢球在转速1 200 r/min的条件下进行72 h水中冲磨,冲磨完毕后洗净擦干表面水分进行质量损失测试,由此可计算出单位面积上磨损单位质量所需的时间,即抗冲磨强度。

图3 水胶比与流动度的关系

图4 水胶比与凝结时间的关系

2 结果与讨论

2.1 流动度和凝结时间

图3和图4分别为砂浆流动度及凝结时间的试验结果。图3显示出磷酸镁水泥在较低的水胶比条件下,流动度明显大于水胶比较高的普通硅酸盐水泥,可见,磷酸镁水泥需水量明显低于普通硅酸盐水泥,且流动度随着水胶比的升高而大幅度增大。图4表明磷酸镁水泥砂浆较普通硅酸盐水泥砂浆凝结时间明显要短,凝结时间均在20 min以内,且随着水胶比的上升而呈线性延长,可见,在一定条件下可以通过调控水胶比来调节凝结时间。磷酸镁水泥砂浆的高流动性及快速凝结的特点赋予了该材料快速修补的功能。

2.2 抗压强度和黏结强度

图5和图6分别为砂浆在不同龄期下的抗压强度和黏结强度试验结果。由图5可知,两种砂浆的28 d抗压强度相当,磷酸镁水泥砂浆为63.9 MPa,普通硅酸盐水泥砂浆为65.6 MPa,可见磷酸镁水泥具有高早强的特性,尤其是小时强度更为突出。

图5 砂浆在不同龄期下的抗压强度

图6 砂浆在不同龄期下的黏结强度

由图6可知,无论是早期的3 h黏结强度还是后期的28 d黏结强度,磷酸镁水泥砂浆均要明显高于普通硅酸盐水泥砂浆,磷酸镁水泥砂浆3 h黏结强度已达1.45 MPa,接近普通硅酸盐水泥的7 d黏结强度1.73 MPa,而磷酸镁水泥砂浆的28 d黏结强度更是高达4.32 MPa,可见,相对于普通硅酸盐水泥砂浆,磷酸镁水泥砂浆具有明显优异的黏结性能。

表3 不同龄期砂浆力学及变形性能试验结果

2.3 静力抗压弹性模量、抗拉强度、抗拉弹性模量及极限拉伸值

表3为砂浆力学及变形性能试验结果,可以看出,相对于普通硅酸盐水泥砂浆,磷酸镁水泥砂浆的3 d、7 d和28 d静力抗压弹性模量分别降低了17.4%、14.3%和13.5%,抗拉弹性模量分别降低了9.4%、5.7%和8.9%,而抗拉强度则提高了48.4%、52.0%和26.5%,极限拉伸值则提高了55.3%、52.8%和38.8%。可见,磷酸镁水泥砂浆在力学变形性能上要明显优于普通硅酸盐水泥砂浆。

2.4 干缩

快速修补材料的体积稳定性对修补质量有着重要的影响,在混凝土结构服役期间,修补材料的收缩导致了拉应力的产生,而拉应力正是导致混凝土结构开裂的主要原因之一[21]。同时由于修补材料主要依靠黏结力与被修补面黏接成整体,如果收缩得不到很好的控制,受限的收缩有可能导致黏结界面脱黏并开裂,从而造成修补质量的下降,甚至影响整个修补工程的性能。图7为两种砂浆的干缩性能试验结果,可知磷酸镁水泥砂浆的干缩值明显小于普通硅酸盐水泥砂浆,且收缩应变在14 d以后已趋于稳定,28 d和56 d的收缩应变值分别为113 μm/m和118 μm/m,明显低于普通硅酸盐水泥砂浆的752 μm/m和870 μm/m。可见,磷酸镁水泥砂浆相对普通硅酸盐水泥砂浆具有更为优异的体积稳定性,这有利于保证修补质量。

图7 砂浆在不同龄期下的收缩应变

2.5 抗冻性能及抗冲磨性能

表4为砂浆28 d抗冻性能测试结果。可以看出,经过150次冻融循环后,磷酸镁水泥砂浆的质量损失率为0.06%,相对动弹性模量为79.6%,表现出了较好的抗冻性能,而普通硅酸盐水泥砂浆抗冻性能试验结果与磷酸镁水泥砂浆抗冻性能试验结果非常接近，可见,无论是磷酸镁水泥砂浆还是普通硅酸盐水泥砂浆,都具有较好的抗冻性能。另外,普通硅酸盐水泥砂浆抗冲磨强度为10.30 h/(kg·m-2),而磷酸镁水泥砂浆的抗冲磨强度达到15.02 h/(kg·m-2),提高了45.8%,表明磷酸镁水泥砂浆具有优异的抗冲磨性能,这对于路面及水工大坝的修补是极为有利的。

表4 砂浆28 d抗冻性能测试结果

3 结 论

a. 磷酸镁水泥砂浆具有较好的快速修补施工性能,主要表现为需水量小,流动性好,凝结时间短。

b. 磷酸镁水泥砂浆早期力学性能好,尤其是3 h抗压强度高达42.5 MPa,3 h黏结强度已达1.45 MPa,3 d抗拉强度比普通硅酸盐水泥砂浆提高了48.4%。

c. 磷酸镁水泥砂浆变形性能好,主要表现为低弹性模量和高极限拉伸值,相比普通硅酸盐水泥砂浆,28 d静力抗压弹性模量降低了13.5%,28 d抗拉弹性模量降低了8.9%, 28 d极限拉伸值则提高了38.8%。

d. 磷酸镁水泥砂浆耐久性能好:体积稳定性好,收缩应变低,56 d收缩应变值仅为118 μm/m,收缩应变值比普通硅酸盐水泥砂浆降低了86.4%;高抗冻性能,经过150次冻融循环后,相对动弹性模量为79.6%,质量损失率仅为0.06%;高耐磨性能,28 d抗冲磨强度比普通硅酸盐水泥砂浆提高了45.8%。

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Performance testing on rapid repair materials of magnesium phosphate cement

WEN Jinbao1,2, TANG Xiusheng1, 2, HUANG Guohong1, 2, ZHU Yeran1, 2, MA Jinnan1, 2

(1.NanjingR&DHighTechnologyCo.,Ltd.,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210024,China; 2.R&DResearchCenteronNewMaterialsinHydraulicStructuresofJiangsuProvince,Nanjing210024,China)

In order to evaluate the performance of magnesium phosphate cement for rapid repair objectively and effectively, ordinary Portland cement mortar was used as a reference mortar, and comparative tests were conducted on the performances of the two kinds of cement mortar for rapid repair with 28 d compressive strength. Test results show that, compared with the ordinary Portland cement mortar, magnesium phosphate cement mortar, as a rapid repair material, shows superior performance. The fresh mortar has a high fluidity and the property of rapid setting and hardening, with a setting time of less than 20 min; the hardened mortar has good mechanical properties in the early stage, with 3 h compressive strength and bonding strength of 42.5 MPa and 1.45 MPa, respectively; the elastic modulus of the magnesium phosphate cement mortar is low, with 28 d static compressive elastic modulus and tensile elastic modulus decreasing by 13.5% and 8.9%, respectively; the tensile strain is high, with 28 d ultimate tensile strain increasing by 38.8%; with the excellent durability, 56 d dry shrinkage strain of the magnesium phosphate cement mortar decreases by 86.4%, with a value of 118 μm/m, while 28 d abrasion resistance strength increases by 45.8%.

magnesium phosphate cement； rapid repair material； setting time； bonding strength； abrasion resistance strength

温金保(1975—),男,高级工程师,主要从事混凝土及混凝土外加剂研究。E-mail:jbwen@nhri.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.02.015

TQ172.79

：A

：1006-7647(2017)02-0082-06

2016-02-15 编辑：熊水斌)