负温环境下磷酸二氢钠对磷酸镁水泥力学性能的影响

摘 要：本研究主要采用磷酸二氢钠（SDP）部分替代磷酸二氢钾制备磷酸镁水泥，研究磷酸二氢钠对磷酸镁水泥负温环境早期力学性能的影响。研究结果表明，磷酸二氢钠可以缩短磷酸镁水泥凝结时间，当磷酸二氢钠用量质量分数达到75%时，磷酸镁水泥净浆的最终凝结时间为6min 30s。﹣-10℃环境下，当磷酸二氢钠完全替代磷酸二氢钾时，MPC基材料的增强效果最好，但凝结时间却最短，不足6min。复合磷酸二氢钠和磷酸二氢钾可提高MPC的早期抗折强度及粘接强度，且磷酸二氢钠的掺量质量分数在0到～50%范围内，粘接强度随着磷酸二氢钠含量的增加而增加；当磷酸二氢钠掺量质量分数高于50%时，粘接强度开始下降。

关 键 词：磷酸钾镁水泥；负温环境；力学性能

中图分类号：TQ172.72 文献标志码： A 文章编号： 1004-0935（2024）08-00001199-0×4

我国北方冬季，对除冰盐的使用会导致路面及周围结构物发生严重的盐冻破坏[1，-2]。处在低温环境下的混凝土结构，在长期外部荷载和环境因素的影响下会遭到破坏；一些大体积的混凝土结构由于热胀冷缩，其表面裂缝在冬季会张开到最大，危害最为严重。若这些缺陷得不到及时修补，会给居民的出行安全和社会的正常运转带来影响。抢修抢建工程的难度和规模通常较大，不仅要求短时间内修补完成，而且对时效性要求高（结构物使用功能快速恢复）。所以用于工程抢修抢建胶凝材料必须具备如下性能：高强早强、施工性能好、耐久性及体积稳定性好、良好的界面粘接能力等，以满足抢修抢建工程需求[3，-4]。磷酸镁水泥（MPC）是一种由可溶性磷酸盐和 MgO 通过中和反应得到的新型磷酸盐胶凝材料。因具有早强快硬、水化放热量大且集中、与旧界面粘接性好、抗寒耐高温等特点，广泛应用于道路桥梁、机场跑道、民用建筑和部分军事应急抢修工程中，是一种具有巨大前景的修补材料。磷酸二氢钠作为磷酸盐组分能为体系提供最高的水化温度，以抵御外部负温环境所带来的负面影响，且与磷酸二氢钾复掺具有更高的力学性能，是提高MPC早期强度的一个手段。因此，本研究主要采用磷酸二氢钠（SDP）部分替代磷酸二氢钾制备磷酸镁水泥，研究磷酸二氢钠对磷酸镁水泥负温环境早期力学性能的影响。

1 原材料及实验方法实验部分

1.1 原材料

本实验中采用重烧氧化镁由菱镁矿（MgCO3）在工业窑炉中经1700℃高温煅烧制成。本试验磷酸二氢钾。磷酸二氢钾、磷酸二氢钠以及硼砂为，分析纯，质量分数不少于99%由，天津市大茂化学试剂厂生产，含量不少于99%。本试验所用的水均为自来水，，磷酸镁水泥对水的温度与用量都比较敏感，如果溶液温度过低或者过高都会影响磷酸镁水泥凝结时间。在进行低温环境试验前，将水放置于（0±2）℃的低温试验箱中备用。

1.2 试验方法

参照前面的研究结果[5-7]，本研究选用磷酸盐与氧化镁的质量比为1/3，由于SDP的掺入会加速水化速率、缩短凝结时间[8]并考虑后续加入偏高岭土会降低MPC净浆流动度[9]，再加上前期的实验可行性验证，设置水灰比为0.2、硼镁比为12%，在此基础上改变SDP对KDP的取代量，分别掺入0、25%、50%、75%和100%，如表1所示。

为模拟低温施工环境，在进行试验前24h小时将磷酸盐、缓凝剂、掺合料和40mm×40mm×160mm模具放入相应温度的低温试验箱中提前进行冷冻。试件浇铸成型后立即放入低温试验箱中进行养护，温度根据试验条件设定为﹣-10℃。参照GB/T 1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》、JC/T2537-—2019《磷酸镁修补砂浆》来测量磷酸镁水泥的抗压强度、抗折强度及粘接强度。

KDP代表磷酸二氢钾，SDP代表磷酸二氢钠，B代表硼砂，M代表氧化镁。

2 结果与讨论

2.1 凝结时间

图1为在﹣-10℃环境下，不同磷酸二氢钠掺和物的磷酸镁水泥净浆的凝结时间。

根据图1知，随着磷酸二氢钠的加入，磷酸镁水泥净浆的最终凝结时间急剧减小。未添加磷酸二氢钠时，SDP0组最终凝结时间为72min。加入磷酸二氢钠后，磷酸镁水泥净浆的最终凝结时间明显缩短，当磷酸二氢钠用量达到75%时，磷酸镁水泥净浆的最终凝结时间为6min 30s。当磷酸二氢钠全部替代磷酸二氢钾时，磷酸镁水泥净浆的最终凝结时间最短仅为5min 12s，说明用磷酸二氢钠代替磷酸二氢钾缩短了磷酸镁水泥净浆的最终凝结时间。Liu等[10]通过对氧化镁改性的研究发现，镁离子浓度对磷酸镁水泥凝固时间有显著影响。磷酸二氢钠的可溶性更强，更容易形成酸性环境，所以磷酸二氢钠的加入加速了Mg2+在MgO颗粒表面的溶解，反过来又加速了的水化反应速度缩短了磷酸镁水泥净浆的最终凝结时间。与未掺磷酸二氢钠的磷酸镁水泥净浆相比，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四组净浆凝结时间分别缩短了56.1%、79.2%、90.9%、91.9%。

2.2 抗折强度

图2显示了在﹣-10℃环境下，不同磷酸二氢钠掺量对MPC试块抗折强度的影响。

从图2中可以看出，在未掺入磷酸二氢钠时，SDP0试块抗折强度呈现随龄期的增加而增加的趋势，2h抗折强度仅为1.6MPa，水化到3d后抗折强度增长到5.3MPa。相较于空白组SDP0，在掺入磷酸二氢钠后，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四组试块抗折强度随龄期的增长呈现先增加后减小的趋势，其中这四组试块在养护龄期为1d时抗折强度最高，抗折强度分别为7.2MPa、7.6MPa、9.2MPa和8.1 MPa，相较于SDP0组的4.5 MPa，抗折强度分别提高60%、68.9%、104.4%和80%。可以发现，复合磷酸二氢钠和磷酸二氢钾可提高MPC的早期抗折强度，且说明复合磷酸盐的比例和抗折强度提升有关，其中在各龄期下，SDP75组试件相较于其他四组试件抗折强度都为最高，说明磷酸二氢钠替代量为75%时，对磷酸镁水泥抗折强度增强效果最好。养护龄期为3d时SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四组试件较1d抗折强度略有下降，抗折强度分别降低4.3%、16.9%、2.2%和12.5%。

2.3 抗压强度

图3显示了在﹣-10℃环境下，不同磷酸二氢钠掺量对磷酸镁水泥净浆试块抗压强度的影响，结果表明，对于所有MPC试块，随着凝结时间的缩短，其抗压强度都有不同程度的提高。相较于空白组SDP0，其试块抗压强度不随龄期的增长而发生大幅度的改变，但在掺入磷酸二氢钠的磷酸镁水泥净浆中，试块的抗压强度呈现出随着磷酸二氢钠含量的增加而增加的趋势。其中，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四组试件的抗压强度在养护龄期为1 d以前，强度持续增长，SDP100组试在养护1 d后强度增长幅度较小。

当SDP掺量超过50%时，MPC基质开始由磷酸镁钾基水泥向磷酸镁钠基水泥转变，通过文献[11]中SDP对MPC水化产物结构的研究，可以发现钠型鸟粪石以非晶态出现。对于SDP100试件而言，其水化产物只有非晶态的钠型鸟粪石，非晶态的钠型鸟粪石可以填充空隙，细化孔隙结构，因此强度继续增加，而在-10 ℃环境养护1 d，强度达到54.8MPa之后，其抗压强度变化不明显。当养护龄期延长至3 d时，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100组的抗压强度分别为36.6、44.8、51.6和57.3 MPa。SDP25、SDP50、SDP75和SDP100组的抗压强度比未加磷酸二氢钠的SDP0组分别提高了215.5%、286.2%、344.8%和394%。这说明抗压强度的提高与复合磷酸盐（KDP和SDP）的比例有关，其中SDP100组强度的提高最大，说明在-10 ℃环境下，当磷酸二氢钠完全替代磷酸二氢钾时，MPC基材料的增强效果最好，但SDP100组凝结时间却为最短，不足6min，不满足于工程施工。

2.4 粘接强度

图4为磷酸二氢钠掺量对磷酸镁水泥在-﹣10 ℃环境养护1d和4d粘接强度的影响。从图4可见磷酸二氢钠的掺量在0到～50%范围内，粘接强度随着磷酸二氢钠含量的增加而增加，养护龄期为1d时SDP0、SDP25的粘接强度分别为1.7MPa和3.9MPa，SDP50的粘接强度最高为4.2MPa，与SDP0相比提高了147.1%，增幅较大。当磷酸二氢钠掺量高于50%时，粘接强度开始下降，SDP75和SDP100粘接强度为3.2MPa和2.8MPa，较SDP50降低了23.8%和33.3%。养护龄期至4d时，SDP0、SDP25、SDP50、SDP75和SDP100五组试件的粘接强度也是呈现先增加后减小的趋势，磷酸二氢钠掺量为50%时达到峰值；SDP0、SDP25、SDP50、SDP75和SDP100五组试件粘接强度分别为2.3MPa、4.1MPa、4.5MPa、3.7MPa和3.5MPa，相较于1 d的五组试件分别提高了35.3%、5.1%、7.1%、15.6%和25%；从图中可以看到，较养护1 d的试件而言，SDP25和SDP50组在养护4 d后，其粘接强度提高程度不明显。

3 结论

（1）加入磷酸二氢钠后，磷酸镁水泥净浆的最终凝结时间明显缩短，当磷酸二氢钠用量达到75%时，磷酸镁水泥净浆的最终凝结时间为6min 30s。当磷酸二氢钠全部替代磷酸二氢钾时，磷酸镁水泥净浆的最终凝结时间最短仅为5min 12s，说明用磷酸二氢钠代替磷酸二氢钾缩短了磷酸镁水泥净浆的最终凝结时间。

（2）﹣-10℃环境下，当磷酸二氢钠完全替代磷酸二氢钾时，MPC基材料的增强效果最好，但SDP100组凝结时间却为最短，不足6min，不满足于工程施工。

（3）复合磷酸二氢钠和磷酸二氢钾可提高MPC的早期抗折强度，且说明复合磷酸盐的比例和抗折强度提升有关.磷酸二氢钠的掺量在0～50%，粘接强度随着磷酸二氢钠含量的增加而增加；当磷酸二氢钠掺量高于50%时，粘接强度开始下降。

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