磷酸镁水泥砂浆无机锚固剂的基本性能研究

吴凌壹，张洋，戴梦希，丁铸

（1.深圳大学土木与交通工程学院，广东深圳 518060；2.深圳市大鹏新区大鹏办事处，广东深圳 518116）

由于各种原因引起的原有建筑物功能和结构不能满足生产和生活的需要，需要对原有建筑结构进行改造加固。目前，对于建筑结构加固改造的方法主要有6种：外包混凝土加固法、置换混凝土加固法、预应力加固法、外包钢加固法、粘结纤维复合加固法和增设支点加固法[1-2]。其中，外包钢加固法利用到锚固植筋技术，而决定锚固植筋技术效果优劣的关键在于所采用的锚固剂的粘结锚固性能[3-4]。由于目前所采用的有机锚固剂与钢筋界面只存在物理粘结，而无机锚固剂的品种非常少。因此，需要进一步探索与钢筋粘结锚固性能好的无机锚固剂，例如可同时与钢筋具有高粘结性且对钢筋锈蚀进行防护的新型锚固剂，以满足实际工程的需要[5-6]。

由重烧镁砂和磷酸盐加水搅拌而成的磷酸盐水泥（MPC）也被称为化学结合磷酸盐陶瓷，主要的水化反应为酸碱中和反应，其反应速率较快，一般需添加硼酸或硼砂作为缓凝剂[7-9]。磷酸镁水泥具有凝结硬化快、早期抗压和粘结强度高等诸多优点，在普通混凝土道路快速修补等工程领域广泛应用[10-12]。此外，已有初步研究表明[13]，MPC砂浆还可以作为无机锚固剂使用，其临界锚固深度为钢筋直径的17.5倍。由于磷酸镁水泥水化硬化后可在钢筋表面形成磷酸铁的络合物，从而使得钢筋具有较强的抗腐蚀性能[11，14]。但目前关于磷酸镁水泥作为无机锚固剂的基本工作性能和力学性能研究很少。

本研究制备一种适用于植筋锚固加固工程需要的MPC砂浆无机锚固剂，测试并分析MPC砂浆的工作性能、力学性能、收缩性能和微观结构，为MPC砂浆作为植筋锚固技术中的无机锚固剂提供参考。

1 试 验

1.1 原材料和配合比

（1）MPC砂浆原材料

重烧镁砂：海城华宇集团生产；粉煤灰：Ⅰ级，东莞市火力发电厂，重烧镁砂和粉煤灰的主要化学成分见表1；磷酸二氢钾（MPP）：分析纯，成都科龙化工试剂厂生产；硼砂（Na2B4O7·10H2O）：分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司生产；砂：标准砂。

表1 重烧镁砂和粉煤灰的主要化学成分 %

（2）混凝土原材料

水泥：广州市珠江水泥有限公司产粤秀牌P·Ⅱ42.5R水泥；石：4.75～31.5 mm连续级配天然碎石；砂：河砂，中砂；拌合用水：自来水。为便于观察磷酸镁水泥与钢筋界面粘结的微观结构，采用光圆钢筋；通过试验发现，由于钢筋直径越大，临界锚固深度越深，考虑到单轴锚固拉拔试验所用的混凝土块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，所用钢筋直径为8 mm，最终选用Φ8 mm的HPB300钢筋。

MPC砂浆配比为：磷镁比（磷酸二氢钾与重烧镁砂的质量比）为1∶1、硼砂与重烧镁砂的质量比为1∶3；水胶比（水与磷酸二氢钾+重烧镁砂的质量比）为0.17、胶砂比（磷酸二氢钾+重烧镁砂与标准砂的质量比）为1、粉煤灰与磷酸二氢钾+重烧镁砂的质量比为1.08∶1。

PC砂浆配比为：水胶比为0.4，胶砂比为1。

混凝土配比为：单轴锚固拉拔试验所用的基材混凝土强度等级为C50，水胶比为0.4，m（水泥）∶m（砂）∶m（石）=1∶1.58∶1.52。

1.2 试验方法

1.2.1 工作性能试验

（1）流动度试验：按照MPC砂浆配比计算并称量各种原材料后，先将磷酸二氢钾、重烧镁砂、粉煤灰、硼砂和标准砂混合，用砂浆搅拌机慢速档（140 r/min）搅拌2 min；再加入水慢速搅拌2 min至砂浆变稠，最后再快速档（285 r/min）搅拌2 min。参照文献[9]中的试验方法测试流动度，如图1所示，将用湿抹布擦拭的玻璃板水平放置在测试台上，随后将润湿后的扩展度筒（下底和顶部内径分别为18 mm和30 mm、高60 mm、壁厚6 mm）放在玻璃板中央。将搅拌好的砂浆倒入扩展度筒中并抹平上表面，在0.5 min内将扩展度筒垂直提起；用钢尺测量砂浆停止流动后所形成圆饼的直径，取其平均值作为流动度值。

图1 新拌MPC砂浆流动性试验

（2）凝结时间测试：参照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间检验方法》进行。

1.2.2 力学性能试验

（1）抗压强度试验：按照MPC砂浆配比和上述搅拌方法制备MPC砂浆，将其注入模具（30 mm×30 mm×30 mm）中，将模具放置在振捣台上振捣2 min，随后将模具上表面浆体刮平，放在室内环境下[温度为（25±1）℃，相对湿度大于65%]养护。利用济南时代试金集团有限公司生产的YAW-300B型试验机测试1、3、7、28 d抗压强度，加载速率为2.4 kN/s，每个龄期各6块，取平均值作为抗压强度。

（2）单轴拉拔锚固试验：根据配比制备100 mm×100 mm×100 mm立方体混凝土试块，浇筑时使用长为130 mm、直径Φ25 mm的PVC管（在管身90 mm处做标记）制作预留孔洞，浇筑后在室内环境[温度（25±1）℃，相对湿度大于65%]养护24 h，随后脱模并拔出PVC管；而预埋钢筋组需在浇筑混凝土试块时插入钢筋。脱模后放在混凝土养护室内[温度为（20±1）℃、相对湿度大于90%]养护28 d后取出，自然晾干以使混凝土表面及孔道内壁达到面干状态。将搅拌好的MPC砂浆注入混凝土试块的预留孔洞中，随后插入长度为200 mm的Φ8 mmHPB300钢筋（插入前钢筋表面用角磨机除锈并用无水乙醇清洗）；将制作好的拉拔试件放在室内（25±1）℃、相对湿度大于65%环境下养护，使用深圳市瑞格尔仪器有限公司制造的微机控制电子万能试验机（型号：RGM-4100，规格100 kN）测试1、3、7、28 d拉拔强度，加载速度为5 mm/min。每组配比的每个龄期各测试4个拉拔试件，取平均值为拉拔强度。

1.2.3 收缩性能试验

按照1.2.1的配比制备新拌MPC砂浆，使用棱柱体三联试模制作6个尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的试件，在试件40 mm×40 mm的2个端部预埋球形测头，浇筑后振捣2 min，放在室内环境下[（25±1）℃、相对湿度大于65%]养护24 h拆模。采用天津港源仪器厂生产的SP-540型比长仪，参照GB/T 29417—2012《水泥砂浆和混凝土干燥收缩开裂性能试验方法》测试MPC砂浆的收缩应变，计算收缩率结果精确至0.001%。

1.2.4 微观结构测试

为研究MPC砂浆与钢筋之间的界面粘结性能，取拉拔试验后的样品试块，采用FEI公司生产的Quanta TM 250型扫描电子显微镜电镜进行测试分析。

单轴拉拔锚固试验结束后，选取近似圆柱体（圆柱直径约9 mm，高约10 mm）形状试样，利用XCT法（使用Avizo 8软件）进行3D重构，通过图像形式展现MPC砂浆中孔隙的分布状态。试验使用XRADIA公司生产的XCT仪器（型号为MICRO XCT-400）进行微米尺度的断层扫描（电压为60 kV、电流为133 μA、分辨率为10.8099 μm）。

2 试验结果与分析

2.1 MPC砂浆的工作性能

2.1.1 新拌MPC砂浆浆体的流动性

通过试验观察发现，MPC砂浆在制备过程中经历了3种状态：即干粉状、面团状、稀泥状。

干粉状：由于水灰比较小（为0.17），MPC砂浆的新拌浆体在搅拌初期（从加水开始0～1 min）呈固体粉末的干粉状，从浆体表面看不到水分，这是因为固体粉末多而自由水少，搅拌只是将水分充分浸润到固体粉末表面。同时，用手触摸搅拌锅，可以稍微感觉到搅拌锅外表面变凉，说明有一部分磷酸二氢钾和硼砂已经开始溶解，由于盐的溶解通常会吸收环境中的热量。

面团状：继续搅拌（从加水开始1～2 min），干粉状的新拌浆体表面突然变湿润并不断聚集成面团状，此时硼砂中的结晶水几乎全部溶解，也由于硼砂的缓凝作用，新拌浆体中的酸碱化学中和反应仍未开始。但此时，可以明显感觉到搅拌锅外表面很凉，说明新拌浆体中的绝大部分盐已经溶解，吸收大量环境中的热。

稀泥状：随着慢速搅拌2 min的结束，改为快速搅拌（从加水开始2～4 min），新拌浆体的流动性和粘性迅速增大，由面团状快速转变为稀泥状，至此新拌浆体搅拌结束。

按照1.2.1测得MPC砂浆的流动度为145 mm且泌水率为0，该泌水率符合GB/T 37127—2018《混凝土结构工程用锚固胶》中对无机类锚固胶泌水率为0的要求。

2.1.2 MPC砂浆的凝结时间

通过测试发现，MPC砂浆的初凝、终凝时间分别为23、37 min。这与JGJ/T 271—2012《混凝土结构工程无机材料后锚固技术规程》中规定无机锚固剂初凝时间不少于30 min相差不多；而GB/T 37127—2018中规定，改性环氧树脂类锚固胶的可操作时间不少于20 min。故MPC砂浆作为加固的锚固剂满足工程操作时间要求，既有足够的时间灌胶和植筋，又不会因为凝结时间过长而造成植筋后的扰动等破坏。此外，与普通硅酸盐水泥相比，MPC水泥具有明显的快凝快硬特性，更适合于抢险救灾工程和其他需要紧急建设和维护的工程。

通常不加缓凝剂的磷酸盐水泥凝结时间在5 min左右，试验中使用硼砂作为缓凝剂后，初凝时间可以延长18 min左右。目前关于硼砂的缓凝机理一般认为，由于硼砂在水中溶解的速度远大于MgO，硼砂电离出的B4O72-与溶液中已有的Mg2+生成MgB4O7并包裹在未溶解的MgO颗粒表面，对MgO的溶解形成包裹膜，从而达到缓凝的作用；但随着磷酸盐的不断溶解，形成的H2PO4-等离子穿透并使得MgO包裹膜破裂，随后MgO继续在酸性溶液中溶解并与磷酸盐发生酸碱中和反应，随着MPC的水化产物鸟粪石和其他水化产物的不断生成，磷酸盐水泥达到终凝并释放大量的热量[15]。此外试验采用的配合比中含有大量的粉煤灰，由于粉煤灰水化较慢，也适当延长了MPC砂浆的凝结时间，尤其是终凝时间；因为一般磷酸盐水泥的初凝时间和终凝时间相差在5 min左右，而本试验测试结果表明，终凝时间与初凝时间相差14 min。

2.2 MPC砂浆的力学性能（见表2）

表2 MPC砂浆的抗压强度和拉拔强度

由表2可见：

（1）MPC砂浆的3 h抗压强度可达4.4 MPa，使得浇筑后的无机锚固剂具有较高的硬度和稳定性，有效防止了浇筑后的无机锚固剂在其他外在因素下（如强风和暴雨等）导致的扰动破坏；而1 d抗压强度达15.6 MPa，充分显示了MPC砂浆高早强的特性；3 d和7 d的抗压强度达到20 MPa以上，可达到基材混凝土C50抗压强度的一半；28 d抗压强度可达38.8 MPa，有效避免了与C50基材混凝土抗压强度相差较大而导致的锚固破坏。

（2）MPC砂浆的1 d拉拔强度为1.7 MPa，但3 d后即提高到4.6 MPa；3～7 d以及7～28 d的拉拔强度增长速度逐渐变慢，但28 d拉拔强度达7.7 MPa，高于部分市售有机锚固剂和无机锚固剂相应的单轴拉拔锚固强度，说明MPC砂浆可以作为一种无机锚固剂用于加固工程。

（3）相对于MPC砂浆的抗压强度，其单轴拉拔锚固强度增长速度相对较慢，但增长趋势一致。这主要是由于磷酸镁水泥早期水化反应速率比较快，在3 d后水化速率变慢，故抗压强度和单轴拉拔锚固强度早期增长速度快，3 d后增长速度慢；但随着后期生成的水化产物不断增加，使得抗压强度和单轴拉拔锚固强度不断提高。由于MPC砂浆中一直存在未反应完的MgO和其他一些反应物，这些反应物仍会不断缓慢发生反应，故直至28 d MPC砂浆的抗压强度和单轴拉拔锚固强度还会一直提高，这对于MPC砂浆作为加固工程的无机锚固剂十分有益。

2.3 MPC砂浆的收缩性能

通过对6个试件的收缩应变进行测试，求出其平均收缩应变，其中最小、最大和平均收缩应变如图2所示。

图2 MPC砂浆的收缩应变

从图2可以看出，MPC砂浆脱模后1 d试件即开始收缩，无膨胀现象产生，收缩应力也很小，平均收缩应变仅为64.1×10-5。1～3 d、3～7 d、7～28 d的收缩应变变化和抗压强度及单轴拉拔锚固强度的变化趋势一致，均表现为早期增长速度快，3 d后增长速度变慢，这主要是由于磷酸镁水泥水化特性引起的。同时可以看出，最大和最小收缩应变与平均收缩应变相差比较大，可达-78%～74%，但随着龄期延长，这种差值在逐渐减小，到28 d达到最小，为-34%～43%。这是由于随着磷酸镁水泥水化产物的不断增多，试件水分蒸发引起的收缩与水化产物增多引起的膨胀均变慢，使得不同试件的干燥收缩趋于稳定。此外，收缩应变最小的试件在3～7 d期间，收缩应变变小，这可能主要是由于该试件在此期间生成的水化产物较其他试件多，使得试件因自由水挥发引起的收缩小于水化产物增多引起的膨胀，故试件整体的收缩应变减小。有研究表明，在MPC砂浆掺入较多的粉煤灰，MPC砂浆的收缩应变显著降低，这主要是由于粉煤灰的颗粒填充和化学结合作用共同抑制了MPC砂浆的干燥收缩[16-18]。由于本试验中粉煤灰掺量较多，测得的MPC砂浆收缩应变较小，符合GB/T 37127—2018中规定的无约束线性收缩率为不大于0.3%要求。

2.4 MPC砂浆的微观结构

在7 d拉拔试验后，选取MPC砂浆粘结有钢筋的试块，采用SEM观察其微观形貌，如图3所示。

图3 MPC与钢筋之间的粘结界面

从图3（a）可以看出，磷酸镁水泥中的水化产物与粉煤灰颗粒界面粘结较为紧密[如图3（a）中A所示]。有研究表明，粉煤灰单独与磷酸二氢钾溶液浇筑的试块没有强度，而当重烧镁砂加入后，浇筑后的试块抗压强度明显提高，除了MgO与磷酸盐发生反应外，在磷酸盐溶液中，磷酸盐也可能与粉煤灰中的活性组分（如氧化铝）反应生成胶凝产物[18]。从图3（b）可以看出，MPC与钢筋间存在明显的摩擦纹，部分裂纹发生在MPC试块内[如图3（b）中B所示]，说明MPC与钢筋之间的界面粘结非常牢固。已有研究表明，磷酸镁水泥在弱碱性环境下，与铁反应生成一些磷酸铁的化学络合物，如FeH（H2PO4）2、FePO4和FeOOH，这些络合物不仅增强了与钢筋之间的界面粘结，还和MPC中的主要水化产物MgKPO4·6H2O一起形成一层致密的钝化膜，对钢筋的锈蚀起到很强的防护作用[7，14]。

通过对单轴拉拔试验后的试样进行XCT扫描，如图4所示。对试样进行XCT扫描共拍摄1014张照片，所拍摄的照片上每个像素点对应相应的CT数值，通过灰度来体现；材料密度不同，CT数值也不同，材料的密度越高其灰度越小，在照片中显示越亮，反之越暗（如孔隙等）[19]。

图4 MPC砂浆断面扫描二维图像

从图4可以看出，灰度均匀且形状较大的椭圆形为标准砂；在标准砂周围，按灰度由高到低分布着未反应的重烧镁砂（主要为MgO颗粒）、MPC水化产物和孔隙，其中白色小点为未反应的MgO，黑色孔洞为孔隙，而与标准砂灰度接近的为MPC水化产物[20]。从图3中可以明显看出，MPC水化产物将标准砂和未反应的MgO颗粒紧密地包裹在一起，进而使MPC砂浆具有较高的粘结性能，从而能更好地将钢筋和混凝土粘结在一起，充分发挥MPC砂浆的锚固性能。虽然MPC砂浆断面显示，其内部有一些大小不一的封闭气泡，这些气泡是在搅拌和浇筑过程中产生的，但这些气泡并未连通，故对MPC砂浆的力学性能和收缩性能有一定程度的影响，若改善搅拌和浇筑工艺，MPC砂浆的力学性能和收缩性能将会得到进一步改善。

对XCT扫描的1014张二维图像进行3D重构，即得到MPC砂浆的三维图像，如图5（a）所示；将MPC砂浆中的标准砂和未反应的MgO颗粒抽取后得到MPC砂浆的骨料分布效果图，如图5（b）所示。

图5 3D重构效果

从图5（b）可以看出，在粒径较大的骨料（标准砂）之间均匀分布着粒径较小、数量较多的微细镁砂颗粒，即未水化的镁砂颗粒充当了微细骨料的功能，改善了MPC砂浆微观尺度上的连续性，从而使得MPC水化产物能均匀分布在MPC砂浆的骨料之间，有利于将骨料粘结在一起，这是MPC砂浆锚固粘结性能较好的主要原因。

3 结论

（1）MPC砂浆的新拌浆体，扩展流动度为145 mm。MPC砂浆的初、终凝时间分别为23、37 min。说明MPC砂浆的工作性能可以适应实际工程对锚固剂的工作性能要求。

（2）MPC砂浆硬化3 h后抗压强度即为4.44 MPa，24 h后达到15.6 MPa，3 d后抗压强度为21.4 MPa，由此可见MPC砂浆的高早强特性；MPC砂浆28 d单轴锚固拉拔强度可达7.7 MPa，明显高于实际工程中使用的部分市售有机锚固剂和无机锚固剂相应的单轴拉拔锚固强度，说明MPC砂浆可以满足加固工程对锚固剂的力学性能要求。

（3）试验测得的MPC砂浆收缩应变较小；通过SEM、XCT扫描和3D重构分析可以看出，MPC水化产物均匀分布在砂和未反应的MgO颗粒间，将二者牢固粘结在一起，因而MPC砂浆具有较高的抗压强度和单轴锚固拉拔强度。