新型磷酸镁水泥的研究

　　0  前言

　　磷酸镁水泥（Magnesium phosphate cement MPC）具有快凝快硬、高早期强度、高粘接强度、干缩变形小等优良性能，非常适用于高速公路、机场跑道和市政主干道的快速修补，在军事工程的抢修抢建及有害物质的固化方面也有着广阔的应用前景。然而目前制备磷酸镁水泥所用的磷酸盐原料主要是磷酸二氢铵，水化反应过程中会释放出刺激性的氨气。为解决该问题，作者采用磷酸二氢钾替代磷酸二氢铵来制备新型磷酸镁水泥，并就该新型磷酸镁水泥的性能及水化产物进行了初步研究。

　　1  试验原材料与试验方法

　　1.1 试验原材料

　　氧化镁（MgO，缩写为M），由菱镁矿（MgCO₃）经工业窑炉于1500℃高温煅烧后破碎而成，颜色为棕黄色，细度为2610cm²/g，其化学成分见表1。

　　磷酸二氢钾（KH₂PO₄，缩写为P），化学纯；硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O，缩写为B），化学纯。

　　1.2试验方法

　　凝结时间测定：采用维卡仪测定磷酸镁水泥的凝结时间，由于MPC凝结速度太快，搅拌时间要控制在3分钟之内，初始阶段每隔30秒钟测一次，临近初凝时每隔15秒钟测一次。考虑到MPC水泥的初、终凝时间间隔很短，试验中主要测定初凝时间，并作为MPC的凝结时间。室内温度为20℃。

　　净浆强度测定：原材料加水搅拌3分钟后立即成型，试件尺寸为40mm×40mm×160mm，试件必须1h内脱模，在室内空气中自然养护到2h、1d、3d、7d、28d测其抗折与抗压强度，养护温度为(20±2)℃。

　　微观分析：将试样养护至规定龄期，用无水乙醇终止水化，分别用于XRD分析。

　　2  试验结果与讨论

　　2.1 MPC的凝结时间

　　磷酸镁水泥的水化反应实质上是一个以酸碱中和反应为基础的放热过程，反应放出的大量热量会进一步加快体系的反应速度，若不使用缓凝剂，MPC一般在3分钟内就会迅速凝结硬化。

　　为获得相对较长的可操作时间（即初凝时间），制备MPC时必须掺入缓凝剂。本试验采用硼砂作为新型磷酸镁水泥的缓凝剂，图1给出的是硼砂掺量对MPC凝结时间的影响，P:M为1：4。

　　随着缓凝剂掺量（B/M）的增大，凝结时间随着增加，表明硼砂仍可以有效延长新型磷酸镁水泥的凝结时间。

　　2.2 MPC的强度

　　试验同时考察了磷酸二氢钾与氧化镁质量比值（P/M）对MPC强度的影响，缓凝剂硼砂与氧化镁的质量比（B/M）固定为5%，水固比为0.11。

　　P/M比值对MPC强度有较大的影响。P/M为1：4时试件强度最大，其2h抗压强度达35MPa以上，28d抗压强度达80MPa以上。但当P/M较大时（1：2或1：3）或P/M较小（1：6）时，强度的增长速率都有所降低，试件的最终强度也比较低。

　　试验还考察了缓凝剂对MPC水泥强度的影响，试验P/M比值固定为1：4，水固比为0.11，硼砂掺量分别为氧化镁质量的2%、5%、8%、10%、15%。

　　随着硼砂掺量的增加，MPC水泥早期强度迅速降低。在一定掺量范围（不大于10%）情况下，硼砂掺量对后期强度的影响较小。试验结果还表明，用磷酸二氢钾配制的新型MPC材料的早期强度同样发展迅速，其强度基本上7天之前迅速增长，之后发展缓慢。当缓凝剂掺量达到15%时，各龄期强度都很小，28d抗压强度仅为14.0 MPa，仅为掺量2%时2h抗压强度的1/3。在实验过程中还发现，缓凝剂掺量过大（比如15%），试件成型会出现严重的泌水分层现象。因此，在保证施工成型时间的前提下，应尽量减少缓凝剂掺量。

　　2.3 MPC水化产物

　　MPC水泥中主要含有MgO和KH2PO4两种物质，MPC水泥水化1d时，KH2PO4的特征峰基本消失，同时有新的水化产物形成，这些水化分别是：MgKPO4·6H2O、MgKPO4·H2O、Mg3(PO4)2·4H2O,其中以MgKPO4·6H2O为主。MPC水化28d的水化产物与1d的水化产物种类基本一致，都是以MgKH2PO4·6H2O为主。从图6和图7中还可以看出，MPC水泥水化28d时体系中仍含有大量未参与水化的MgO，这部分MgO在体系中起到骨料增强作用，这也是P/M在1/4～1/5之间水泥净浆强度要大于P/M为1/2和1/3的原因之一。当然，过多的MgO（P/M=1:6）时，也会因为胶结料相对不足而使强度降低。

　　3  结论

　　（1）以磷酸二氢钾、氧化镁为主要原料同样可以配制出快硬高强MPC水泥，且反应过程中不会释放氨气。

　　（2）为了获得足够的可操作时间，需要加入缓凝剂来调整新型MPC凝结时间，随着硼砂掺量的不断变大，MPC的凝结时间不断延长。

　　（3）当P/M值范围在1/4时，MPC净浆强度取得最大值。缓凝剂掺量对MPC强度发展有重要影响，随着缓凝剂掺量逐渐增大，MPC强度逐渐降低。

　　（4） 以磷酸二氢钾KH₂PO₄为原料制备MPC的水化产物有：MgKPO₄·6H₂O、MgKPO₄·H₂O、Mg₃(PO₄)₂·4H₂O, 其中以MgKPO₄·6H₂O为主。