磷酸镁水泥砂浆性能试验研究

2020-08-10马锋玲王少江方铭典

水利规划与设计 2020年8期

马锋玲，王刚，徐耀，王少江，方铭典

(1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.水利部水工程建设与安全重点实验室，北京 100038；3.山西省小浪底引黄工程建设管理局，山西太原 030000；4.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044)

1 研究背景

混凝土长期使用过程中，由于老化病害、自然灾害或维护不及时等原因常引起局部损坏或结构失效，如灾后水工建筑物受损，应尽快对受损部位进行快速修补，以满足抢险救灾和渡汛期间对建筑物强度和变形的要求。磷酸镁水泥(MPC)是一种新型环保胶凝材料，是由重烧氧化镁和磷酸盐及缓凝剂按适当比例配制、加水发生酸-碱反应、快速硬化的一种特种胶凝材料，最早出现于美国，1970年开始作为结构加固、快速修补材料等得到大家关注。1983年，Sugama等对磷酸盐材料的水化机理、显微结构及缓凝机理进行了研究[1]；1989年，Abdelrazig等对磷酸盐材料的强度、孔结构、水化产物进行了研究[2]；2001年，Argonne国家实验室以磷酸二氢钾代替铵盐，发明了水化性能较好的磷酸钾镁水泥，并研究该系列水泥固化各种废弃物的能力[3]；西方发达国家利用其快硬高强的特点，把它大量用于混凝土路面、公路、桥梁、飞机跑道及工业厂房等的快速修复上。我国于1990年末期开始关注，此后MPC在我国关注度持续增加。2010年，曹巨辉等[4]研究了水泥比表面积、胶砂比、水胶比、缓凝剂和养护方式等因素对磷酸镁水泥砂浆强度的影响。2011年，周启兆等[5]研究了一种用于水泥混凝土路面修补的磷酸镁水泥，3d、28d粘结强度达6.2、8.6MPa。2014年，田正宏等[6]研究了人工砂掺量对磷酸钾镁水泥(MKPC)砂浆强度及体积稳定性的影响，结果表明，人工砂掺量为50%的MKPC砂浆强度最高，体积变形表现出微膨胀性，体积稳定性良好。2016年，杨全兵等[7]研究了粉煤灰对磷酸盐水泥砂浆与混凝土之间粘结性能的影响，发现当粉煤灰掺量小于20%时，MPC砂浆7d后的粘结抗折强度和ld后的粘结拔拉强度均超过硅酸盐水泥混凝土基体。2018年，丁铸等[8]制备了工作性能适宜锚固要求的磷酸镁水泥砂浆，体现了MPC砂浆优良的植筋锚固性能。2019年，冯哲等[9]研究了磷酸盐水泥砂浆修复材料的性能，并与硅酸盐基材料与硫铝酸盐基材料进行对比，结果表明磷酸盐水泥修补材料具有更好的修复与黏结性能。

目前对磷酸镁水泥的研究主要集中于混凝土老化病害的薄层修补，但少有工程应用实例。本文采用不同粒径砂，在不同工况下对磷酸镁水泥砂浆基本性能进行试验研究，为磷酸镁水泥在水工建筑物应急抢险与快速修补加固中的应用提供技术依托。

2 原材料及试验方法

试验采用自制磷酸镁水泥，并采用R.SAC42.5快硬硫铝酸盐水泥作为对比组。磷酸镁水泥制备原材料主要包括：①重烧氧化镁(MgO，缩写为M)，密度3.47g/cm3，细度195m2/kg，氧化镁含量96.8%，烧失量0.8%，可溶于酸或铵盐，难溶于水，溶液呈弱碱性。②磷酸二氢铵(NH4H2PO4，缩写为P)，密度1.80g/cm3，纯度98%，易溶于水，溶液呈弱酸性，主要为磷酸镁水泥水化提供酸性环境和磷酸根离子。③硼砂(Na2B4O7，缩写为B)，密度1.73g/cm3，纯度95%，易溶入水，水溶液呈弱碱性，作为缓凝剂以调节磷酸镁水泥的凝结硬化速度。根据前期研究成果，磷酸镁水泥配方为：P/M=1∶3，硼砂掺量B/M=10%。用于对比试验的硫铝酸盐水泥，密度2.87g/cm3，比表面积490m2/kg，初凝时间13.5min，3、28d抗压强度分别为46.2、60.5MPa。硫铝酸盐水泥的外加剂为聚羧酸高性能减水剂(粉剂)和有机酸缓凝剂(粉剂)。

试验采用三种不同粒径砂，其颗粒分析试验结果如图1所示。三种砂分别为级配不良砂(SP)、含细粒土砂(SF)和粉土质砂(SM)，细度模数分别为2.45、2.97和1.72，其中SM为细砂，SP和SF为中砂，主要区别在细粒含量上。

图1 砂颗粒分析试验结果

采用微机控制全自动压力试验机测试砂浆强度。试件尺寸为40mm×40mm×160mm，成型1～2h后拆模放入标养室中养护。自流平、泵送、常态工况下流动度分别控制为260～300mm、160～180mm、140～160mm(砂浆跳桌流动度)，干硬性工况下采用最佳用水量；硬化时间约为30～60min，实际应用中根据工程具体情况可调。图2为磷酸镁水泥砂浆流动度测定，图3为自流平灌注成型砂浆试件，自密实、无敲捣等辅助措施。

图2 磷酸镁水泥砂浆流动度测定

图3 自流平灌注成型磷酸镁水泥砂浆试件

3 磷酸镁水泥砂浆试验结果

采用自配的磷酸镁水泥(P/M=1∶3，B/M=10%)与三种不同粒径的天然砂(SP、SF、SM)，针对自流平、泵送、常态、干硬四种工况进行磷酸镁水泥砂浆的强度试验，研究不同类型磷酸镁水泥砂浆的基本性能，并采用R.SAC42.5快硬硫铝酸盐水泥进行对比试验，积累基础试验数据，为不同条件下实际工程的应用提供技术依托。

3.1 水胶比与抗压强度的关系

对于硅酸盐水泥，混凝土强度与胶水比具有线性相关性，磷酸盐水泥是否也具有同样的关系需进行试验验证。在三种工况下，对磷酸镁水泥砂浆抗压强度与胶水比进行了一元线性回归分析，配合比及强度试验结果见表1，强度与胶水比的回归关系曲线如图4所示。试验表明磷酸镁水泥砂浆抗压强度与胶水比也具有线性相关性，强度随胶水比增加而增加。

图4 磷酸镁水泥砂浆抗压强度与胶水比的关系

表1 磷酸镁水泥砂浆配合比及强度试验结果

3.2 养护条件对强度的影响

试验采用级配不良砂SP，在标准养护(20℃±5℃，相对湿度95%以上)、标养室水中养护、室内自然养护三种养护条件下进行强度对比试验。试验灰砂比1∶3，水胶比0.32，砂浆跳桌流动度160mm，试验结果见表2和图5。试验结果可见，不同养护条件对磷酸镁水泥砂浆强度影响较大，室内自然条件养护下，由于90d之前正值夏天，室内温度较高，因此强度最高，并且发展较快，与7d强度相比，28、90d强度增长率分别为151%和173%，之后进入秋冬季节，强度发展缓慢，270d强度与90d相比增长率为104%(标准养护时的同期增长率为23.9%)。标准养护和水中养护条件下，其强度发展规律相近，与7d强度相比，28、90、270d强度增长率平均值分别为101%、134%和166%；与标准养护相比，水中养护时其强度降低，且龄期越长降低幅度越大，1、7、28、90d龄期抗压强度降低幅度分别为6%、11%、16%和27%。其原因可能在于当周围水分含量较大时，在渗透水的作用下，部分未反应的磷酸盐缓慢溶解出来，使后期参与水化的磷酸盐减少，导致生成物的数量降低；同时磷酸盐水化产物在水中也受到一定的溶蚀和水解造成结构密实度下降，从而造成磷酸镁水泥砂浆强度的下降。由此可见，磷酸盐水泥的长期耐水性较差，应尽量避免用于长期接触水的环境中。

表2 不同养护条件下磷酸镁水泥砂浆的强度试验结果

图5 养护条件与磷酸镁水泥砂浆抗压强度的关系

3.3 磷酸镁水泥与硫铝酸盐水泥对比试验结果

采用不同粒径砂，在自流平、泵送、常态工况下，磷酸镁水泥(MPC)砂浆和硫铝酸盐水泥(SAC)砂浆的试验配合比及强度试验结果见表3及图6，硫铝酸盐水泥中均掺入了占水泥质量0.3%的减水剂和0.3%的缓凝剂。试验结果可见：①磷酸盐水泥砂浆和硫铝酸盐水泥砂浆的抗压强度均与龄期呈对数关系，强度早期迅速增加，后期增长缓慢。②与硫铝酸盐水泥砂浆相比，磷酸镁水泥砂浆3h抗压强度平均提高约30%，其他龄期抗压强度均低于硫铝酸盐水泥，平均降低约36%。可见，磷酸镁水泥的优势在超早强，当灰砂比1∶1，水胶比0.18时，其3h抗压强度高达34.6MPa。③从强度增长规律看，磷酸镁水泥砂浆的早期强度发展更快，与7d抗压强度相比，磷酸镁水泥砂浆3h、1d、3d强度增长率平均值分别为60%、84%和93%，硫铝酸盐水泥砂浆分别为36%、75%和94%。④相同试验条件下，两种水泥砂浆的折压比相近。磷酸镁水泥SP、SF、SM砂浆的折压比平均值分别为0.16、0.19和0.21。⑤随着胶砂比的降低和水胶比的提高，磷酸镁水泥砂浆强度显著降低，高早强磷酸镁水泥砂浆的胶砂比不应低于1∶1，水胶比以控制0.18～0.20为宜，水胶比增大，3h强度很难到达30MPa以上，磷酸镁水泥将失去其优势。

表3 不同砂浆配合比及强度试验结果

图6 不同工况下两种水泥砂浆的抗压强度试验结果

干硬性工况下，磷酸镁水泥和硫铝酸盐水泥的砂浆配合比及强度试验结果见表4及图7。表中水泥用量、用水量均为其与砂的质量百分比，硫铝酸盐水泥中均掺入了占水泥质量0.4%的缓凝剂。干硬性工况下采用最佳用水量，人工击实成型。由试验结果可见，磷酸镁水泥用量10%时，干硬性SP、SF砂浆的3h、1d、3d抗压强度在1.2～4.3MPa之间，SM砂浆在0.87～1.9MPa之间；磷酸镁水泥用量20%时，干硬性SP、SF砂浆3h、1d、3d抗压强度为6.8～15.9MPa，SM砂浆为4.2～6.0MPa。磷酸镁水泥用量由10%提高到20%时，干硬性砂浆抗压强度显著提高，早期强度提高3倍以上，长期强度提高1.5倍以上。相同水泥掺量下，磷酸镁水泥砂浆的抗压强度均明显低于硫铝酸盐水泥，平均降低约64%。