磷酸鎂水泥耐堿性能試驗研究

李 悅，施同飛，孫 佳

（北京工業大學 城市與工程安全減災省部共建重點實驗室，北京 100124）

磷酸鎂水泥（MPC）是由氧化鎂、磷酸鹽和緩凝劑等按一定比例與水混合后發生化學反應得到的具有高度結晶的材料，因而又被稱為化學結合磷酸鎂陶瓷［1－2］.與普通硅酸鹽水泥相比，MPC具有凝結硬化速度快、早期強度和黏結強度高、干燥收縮小、可低溫施工、較高的耐磨和抗凍性能等優點［3－5］，主要用于機場跑道、公路、橋梁等民用建筑的加固和搶修［6］.

近年來，關于MPC的水化與緩凝機理、水化物組成與顯微結構、凝結時間與力學性能、黏結性能與修補性能等進行了大量研究［7］，但是，對其耐堿性方面的研究則相對較少［8］.作為快速修補材料，MPC可能會接觸弱堿性環境，因此，研究其在堿環境作用下的性能具有現實意義.

1 試驗

1.1 原材料

鎂砂（M）由菱鎂礦在1 600℃下煅燒而成，密度為3.46g／cm3，比表面積為806m2／g，其化學組成見表1；二級粉煤灰，密度為2.31g／cm3，比表面積為4 013m2／g，其化學組成見表1；KH2PO4（P），工業級，含量為98%（質量分數）；K2HPO4，工業級，含量為96%（質量分數）.硼砂，其中Na2B4O7·10H2O 含量為99.5%（質量分數）；廈門ISO 標準砂；拌和水（W），自來水.

表1 煅燒MgO和粉煤灰的化學組成Table 1 Chemical compositions（by mass）of magnesia and fly ash %

1.2 配合比

MPC的配合比見表2，其中緩凝劑摻量為緩凝劑占硼砂與鎂砂的質量分數，粉煤灰摻量為粉煤灰占所有膠凝材料的質量分數，膠砂比為砂子與所有膠凝材料的質量比，5＃試件中K2HPO4按摩爾比1∶1取代部分KH2PO4.

表2 MPC的配合比Table 2 Mix design of MPC

1.3 試驗方法

試件尺寸為40mm×40mm×160mm，養護條件：溫度為（20±2）℃，RH 為（50±5）%，齡期1個月.堿溶液由NaOH 與H2O 配制，NaOH 的質量分數分別為0.5%，1.0%，2.0%，4.0%，8.0%.將養護后的試件分別放入堿溶液中，觀察其不同齡期的表觀現象，測量質量損失率.取浸泡3，28d后的試件表面疏松物質進行XRD，SEM／EDS分析.

2 試驗結果與分析

2.1 強度及凝結時間

表3為試件的強度和凝結時間.

表3 試件的強度和凝結時間Table 3 Strength and setting time

從表3可以看出：（1）所有試件的凝結時間較短，摻加粉煤灰及K2HPO4可延長凝結時間.（2）除5＃試件外，其他各試件3d強度發展較快，28d強度較高，而且摻加粉煤灰可提高其28d抗壓強度；砂漿試件與凈漿試件強度相似.（3）摻加K2HPO4可顯著影響試件的3d強度，但對其28d強度影響較小.

2.2 腐蝕后表觀現象

各試件在堿溶液中浸泡后產生的腐蝕現象隨溶液濃度及腐蝕齡期變化而不同.在8.0%的堿溶液中，試件腐蝕最為明顯，其表觀現象如圖1所示.

圖1 試件在8.0%堿溶液中浸泡后的表觀現象Fig.1 Apparent phenomena of 8.0%sodium hydroxide solution

從圖1 可以看出：各試件的耐堿性能較差，在8.0%的堿溶液中浸泡3d就出現了明顯侵蝕，隨著浸泡時間的延長，腐蝕程度加劇.28d后各試件腐蝕非常嚴重.同時還發現，MPC 砂漿的耐堿性比其凈漿的耐堿性差，摻加粉煤灰后，試件的耐堿性得到改善；用K2HPO4取代部分KH2PO4的試件，其耐堿性與MPC凈漿相似.

2.3 質量損失率

試件在0.5%堿溶液中浸泡28d后，其質量損失率均小于1.0%，且質量損失率隨浸泡時間的變化很小.因此，本文選用1.0%～8.0%的堿溶液來浸泡試件，其質量損失率如圖2所示.

圖2 試件在堿溶液中浸泡后的質量損失率Fig.2 Mass loss rate of the specimen after immersion in 1.0%－8.0%solution

從圖2 可以看出，隨著浸泡時間的增長，MPC的質量損失率幾乎呈線性增加；隨著堿溶液濃度的提高，MPC 的腐蝕速率加快，1＃試件在1.0%～8.0%堿溶液中浸泡28d后，其質量損失率分別為4.3%，10.0%，21.8%，70.0%，其他試件也有相似變化規律；在8.0%的堿溶液中，3＃試件的質量損失率最大（85.0%），2＃，5＃試件的質量損失率接近且最小（55%）.

2.4 腐蝕產物形成機理

2.4.1 XRD 分析

未經堿溶液浸泡和在8.0%堿溶液中浸泡3，28d后試件的XRD 分析結果如圖3所示.

由圖3可見，在未浸泡的試件中，存在大量的MgKPO4·6H2O 及未參加反應的MgO，KH2PO4.在堿溶液中浸泡3d 后，各試件除了MgKPO4·6H2O 的衍射峰仍然存在外，還出現了Mg（OH）2的衍射峰，浸泡28d后，Mg（OH）2的衍射峰顯著增強，而MgKPO4·6H2O 的衍射峰明顯減弱，同時還出現了侵蝕溶液結晶物Na（OH）的衍射峰.以上結果表明，MPC基材料在堿溶液中浸泡后發生了如下化學反應：

MPC的水化產物MgKPO4·6H2O 經堿溶液浸泡后分解，生成了膨脹性水化產物Mg（OH）2，可溶性K3PO4和Na3PO4，另外，KH2PO4和NaOH的反應產物K3PO4，Na3PO4也會溶于堿溶液中，從而導致MPC結構疏松剝落.

2.4.2 SEM／EDS分析

未經堿溶液浸泡和在8.0%堿溶液中浸泡28d后試件的SEM 照片如圖4所示.

圖3 未經堿溶液浸泡和在堿溶液中浸泡后試件的XRD 圖譜Fig.3 XRD of the 3dand 28dafter immersion in the alkali solution and without the alkali solution

從圖4可以看出：未經堿溶液浸泡的5種MPC試件微觀結構比較致密，而在堿溶液中浸泡28d后的試件，其內部結構變得疏松，凝膠體已大部分與堿反應，集料裸露，并有裂縫出現.這表明MgKPO4·6H2O 已與堿溶液反應而被消耗，導致結構疏松.表4為試件腐蝕前后的EDS分析結果.

從表4可以看出：試件腐蝕后，P，K 的含量大幅減小，Mg，O 的含量稍有增加，Si，Al的含量變化不大，而Na的含量卻大幅增加.這是由于MPC 的水化產物MgKPO4·6H2O 經堿溶液浸泡后分解，生成了Mg（OH）2，K3PO4和 Na3PO4，同 時KH2PO4和NaOH 反應生成K3PO4，Na3PO4，二者可溶于堿溶液，從而造成腐蝕產物中P，K 的含量顯著減小.上述結果與XRD 分析結果一致.

圖4 未經堿溶液浸泡和在8.0%堿溶液中浸泡28d后試件的SEM 照片Fig.4 SEM photos of the specimen were soaked in 8%alkali solution in 28dand without alkali solution

表4 試件腐蝕前后的EDS分析結果Table 4 Mass fraction of elements %

3 結論

（1）磷酸鎂水泥的耐堿性較差，隨著堿溶液濃度的提高和浸泡時間的延長，其腐蝕速率顯著增加.

（2）磷酸鎂水泥砂漿的耐堿性比其凈漿的耐堿性差，用K2HPO4取代部分KH2PO4后，試件的耐堿性和磷酸鎂水泥凈漿相同；摻加一定量的粉煤灰可提高磷酸鎂水泥的耐堿性.

（3）磷酸鎂水泥耐堿性較差的原因是其中的MgKPO4·6H2O 與堿溶液反應，生成沒有黏結性的Mg（OH）2，另外，磷酸鎂水泥的重要組分之一KH2PO4和NaOH 反應生成能溶于堿溶液的K3PO4，Na3PO4，使其結構疏松剝落.

［1］陳兵，吳震，吳雪萍.磷酸鎂水泥改性試驗研究［J］.武漢理工大學學報，2011，4（33）：29－34.CHEN Bing，WU Zhen，WU Xueping.Experimental research on the properties of modified MPC［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2011，4（33）：29－34.（in Chinese）

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