磷酸镁水泥改性研究进展

2024-03-19岑会

科技风 2024年7期

关键词：改性

摘要：磷酸镁水泥（MPC）是一种早期强度大、体积收缩率小、耐磨性能好的新型水泥，已在工程中得到大量应用。但掺合物对MPC性能影响巨大，论文针对掺合物对MPC的抗压强度、韧性、凝结速度等性能影响进行了综述，总结了现有研究成果，给出了未来研究建议与展望，为MPC改性研究提供了相关参考。

关键词：磷酸镁水泥；掺合物；改性

MPC发现于上世纪40年代，起初主要用于医学相关领域。上世纪80年代开始，随着各种添加剂的改性作用，MPC开始作为新型水泥应用于建筑行业[1]。与传统水泥相比，其早期强度高、耐磨性好、收缩率低、抗侵蚀能力强，在机场跑道、公路、桥梁等领域具有广泛的应用前景。但MPC的综合成本高、韧性相对差、凝结速度过快等缺点一定程度上限制了MPC应用推广[2-5]。为改善MPC综合性能，大量学者通过加入不同添加剂的方法对MPC进行改性研究。本文总结了学者们的研究成果，综述了不同添加剂对MPC的抗压强度、韧性、凝结速度等性能的影响，为MPC改性研究提供一定参考。

一、抗压强度

抗压强度是衡量水泥性能好坏的主要指标之一，其影响因素复杂多变。MPC具有早期抗压强度高的特点，但中后期抗压强度性能平常。MPC抗压强度除了受初始原材料配比影响外，添加剂也是重要的影响因素。通过适当的添加剂改性，可在一定程度上提高其综合抗压性能。目前常用的增强抗压强度的添加剂有钢渣、粉煤灰、偏高岭土、石灰石粉、硼砂、钢纤维等。

李悦等[6]研究了钢渣对MPC抗压强度的影响，对比了不同钢渣掺量和不同龄期MPC抗压强度的变化。结果表明，抗压强度随钢渣掺量存在先增加后降低的变化趋势。峰值点出现在掺量为15%时，28d抗压强度相比未添加钢渣样本提高11.4%，增强效果显著。马越等[7]从原理出发分析，认为钢渣能提高抗压强度的根本原因在于钢渣的微集效应和水化活性以及对物料分布的改善，整体来说对早期强度影响更明显。

李国新等[8]采用粉煤灰对MPC性能进行改善，研究表明，粉煤灰对各龄期MPC抗压强度均有一定的提升作用，但随着掺量增大，强度反而减小。在掺量为10%时，抗压强度达到最大。张思宇等[9]通过实验的方法得到了近似的结论，并对比得到晚期MPC受抗压强度受粉煤灰影响更大。粉煤灰影响抗压强度的关键在于低掺量时其作为填充物使得水泥浆空隙得到改善，提高抗压性能；而高掺量时粉煤灰中的多孔颗粒吸水，抑制了磷酸镁铵晶体的发育。

偏高岭土通过产生大量水化产物对提升MPC抗压强度起到一定的效果。杨辉等[10]综合研究了偏高岭土的掺量对MPC各阶段力学性能和凝结时间等性能的影响。结果表明各龄期MPC抗压强度均由提高，当掺量为15%时力学性能达到最佳，其28d抗压强度相比未添加样本提升43.8%。偏高岭土掺量过大反而会导致水化产物减少，从而降低力学性能。

齐浩霖等[11]对硼砂掺量对不同龄期MPC性能的影响进行了研究，实验结果显示，硼砂对MPC后期强度提升较大，掺量在11%时，抗压强度提升效果最佳，而后抗压强度急剧下降。SEM结果表明，MPC水化产物在硼砂掺量过大时会出现大量裂缝和缺陷，这是抗压强度降低的根本原因。卢俊伯[12]分析了MPC原料配比对抗压强度和初凝时间的影响，通过正交实验，表明硼砂掺量11%时，综合力学性能最好，其中28d抗压强度达到36.4MPa。

贾兴文等[13]分析了钢纤维对MPC力学性能增长的机制和影响规律，对比了不同纤维尺寸和掺量对MPC抗压强度的影响。钢纤维的加入整体提高了MPC抗压强度，其中25mm钢纤维对早期抗压强度提升效果最好，而13mm钢纤维则对长期综合性能有更明显的提升，最佳掺量为2.5%。文献[14-15]在实验中得到了类似的结果，均表明钢纤维对提升MPC抗压性能效果显著。

掺合物对MPC抗压性能影响总结如表1。综合来看，上述掺合物对提升MPC抗压强度均由一定成效，掺量对抗压强度的影响趋势均为先增加后降低的趋势，原理上大多为添加剂替补了水泥浆缝隙，提高了水化产物。

二、韧性

MPC的高脆性低韧性是限制其应用的主要缺点之一。增韧一直是MPC改性的重点研究方向之一。实验研究表明钢纤维的掺入对MPC增韧效果显著，当钢纤维掺量为1.6%时，其抗冲击韧性系数达到空白对照组的14.84倍。掺量过大则由于钢纤维表面积过大，浆体对其包裹不充分，导致韧性下降[16]。钢纤维对提高弯曲韧性也有一定的作用。杨正宏等[17]研究了钢纤维对MPC韧性的影响，结果表明微细钢纤维自身的高抗拉强度使之与MPC基体结合有助于控制裂缝发展，提高MPC的韧性，在掺量为1.6%时，MPC综合韧性达到最高，并且其强度性能也有一定增加。聚合物乳液在MPC增韧中也有一定的应用，黄煜镔等[18]研究表明EVA的掺入可以和使MPC水化产物更致密，从而影响其断裂能。EVA掺量<3%时，改性效果不明显；掺量>6%时，断裂能增长趋势放缓；在掺量为12%时，其对MPC断裂能的提升能达到50%以上。杨建明等[19]发现玻璃纤维织物与MPC基体之间有较好的黏结力，能在一定程度上增加MPC韧性，同时可大幅提升试件的抗弯强度。刘军等[20]通过实验研究了不同尺寸玻璃纤维对MPC力学性能的影响，结果表明当玻璃纤维掺量为1.2%时，纤维尺寸为6mm时，MPC韧性最佳。掺合物对MPC韧性影响总结见表2。

三、凝结速度

MPC反应迅速，凝结速度过快，使其工程可控性较差，降低MPC凝结速度是MPC水泥重点研究方向之一。掺合缓凝剂是降低MPC凝结速度的有效方法，常用的缓凝剂有硼砂、硼酸、三聚磷酸钠（STP）等。三种缓凝剂缓凝效果由高到低依次为，硼酸、硼砂、三聚缓磷酸钠。凝剂主要通过降低MPC水化峰值温度、减缓水化反应速率从而达到缓凝效果[21]。然而众多文献研究表明，单一缓凝剂的加入会严重影响MPC的强度性能[22-24]，尤其是早期强度，其中硼酸的加入对力学性能降低最明显，且该趋势随硼酸掺量增加不断增强。复合缓凝剂可以有效解决缓凝和强度降低之间的矛盾。曹佳等[25]研究发现硼砂-木质素磺酸钙复合缓凝剂的掺入对强度几乎无影响，但凝结时间可以延长30%，可有效延缓MPC凝结。杨辉等[26]对比研究了单掺硼砂、蔗糖与二者复合掺入对MPC缓凝与力学性能的影响，表明硼砂-蔗糖复合缓凝剂相比单一缓凝剂不仅能增长凝结时间，还能提高MPC力学性能，可有效改善缓凝和力学性能降低之间的矛盾。段新勇等[27]研制了一种硼砂、十二水合磷酸氢二钠和氯化钙三元复合缓凝劑，实验表明其所制缓凝剂在三种组元比例为1：3：1时，掺入比例为10%时，其缓凝和力学综合性能最佳，其缓凝性能明显优于单掺硼砂的最优效果，后期强度也高于单掺硼砂。表3总结了缓凝剂的最佳比例和效果。

四、总结与展望

MPC的高性能使之在机场、公路、桥梁等基建方面具有广泛的应用前景，但其高成本、韧性差、凝结速度快等缺点也限制了其应用推广。MPC改性研究具有重要工程意义。目前MPC改性在其力学性能改进、增韧、缓凝等方面已取得较多成果。力学性能改进以矿物质单掺为主，可明显改善各阶段力学性能。增韧方面则以纤维类物质单掺为主，通过纤维物质的高强度和黏结力改善MPC高脆性的缺点。缓凝方面由于单掺会较大程度影响其力学性能，而复掺可一定程度克服该弊端，故最新研究以复掺为主，主要以硼砂基础掺合物，辅以其他缓凝物共同作用，整体缓凝性和力学性能更加平衡。

已有的研究成果更多集中在实验数据整理和实验现象总结，在MPC改性原理研究上缺乏深度，掺合物对生产工艺和生产成本的影响也少有研究，是未来值得深入开展的研究方向。MPC的快凝性使得MPC水泥的施工工艺也需要相应改进。

参考文献：

[1]刘进，呙润华，张增起.磷酸镁水泥性能的研究进展[J].材料导报，2021，35（23）：23068-23075.

[2]鞠冬冬.基于不同添加剂下磷酸镁水泥性能试验研究[J].江苏建筑，2022（02）：132-134+154.

[3]孟芹，廖梓珺，李云涛.磷酸镁水泥的研究现状及发展趋势[J].硅酸盐通报，2017，36（04）：1245-1253.

[4]邓恺，黎红兵，李响，等.不同养护条件下钢渣与粉煤灰改性磷酸镁水泥的性能研究[J].材料导报，2019，33（S1）：264-268.

[5]孙佳龙，黄煜镔，范英儒，等.磷酸镁水泥用作道路的快速修补材料研究[J].功能材料，2018，49（01）：1040-1043.

[6]李悦，谢梦洋，林辉，等.钢渣对磷酸镁水泥性能的影响研究[J].硅酸盐通报，2018，37（11）：3373-3378.

[7]马越，周新涛，黄静，等.矿物掺合料对磷酸镁水泥性能影响及机理研究现状[J].过程工程学报，2021，21（06）：629-638.

[8]李国新，仝万亮，张歌，等.粉煤灰和矿粉对磷酸镁水泥性能的影响[J].硅酸盐通报，2016，35（02）：352-357.

[9]张思宇，施惠生，黄少文.粉煤灰掺量对磷酸镁水泥基复合材料力学性能影响[J].南昌大学学报（工科版），2009，31（01）：80-82.

[10]杨辉，袁伟，严思阳，等.超细掺合料改性高强磷酸镁水泥砂浆的性能研究[J].新型建筑材料，2023，50（03）：60-63.