玻璃粉對磷酸鎂水泥耐水性的影響

不同于鈣質水泥，磷酸鎂水泥（MPC）具有凝結速度快，粘結強度高等優點，因此常用于市政道路修補及搶險救災工程中。MPC的良好耐久性如耐磨性好，耐腐蝕性好，抗凍性良好等均使得MPC得到快速應用發展，但同時研究也發現MPC的耐水性較差，即在水養條件下，MPC的強度倒縮較為嚴重。李東旭的研究表明［1］，與空氣養護相比，標準養護條件下和水養條件下，磷酸鎂水泥凈漿28d抗壓強度分別降低了29.6%和44.2%。雖然在MPC的應用中可以盡量避免用在潮濕環境中，但是作為修補材料和搶險救災工程中不可避免會遇到降水情況，而此時必定會對MPC耐久性和力學強度產生不良影響。因此研究MPC耐水性的改善方法具有現實意義。

MPC是一般由KH2PO4和MgO按一定比例混合配置而成，

其中KH2PO4主要提供酸性離子H+和，MgO提供堿性離子OH-和Mg2+，因此MPC的反應本質是酸堿中和反應，MPC強度的來源主要是反應后生成的磷酸鉀鎂（MKP）凝膠體。MKP的結構與磷酸銨鎂（MgNH4PO4·6H2O）類似，均是四面體、MgO·6H2O八面體及絡合而成的凝膠體結構。MKP凝膠的成核生成是在堿性環境條件下的，即pH＞7的時候，而且pH值對MKP的絡合有直接影響。pH值越大，MKP的絡合越快，若pH值減小，MKP的絡合減慢且有溶解趨勢，當漿體呈酸性時，MKP的溶解度進一步增大。因此，在水養條件下，MPC的漿體處于水條件下，而水的pH值是呈弱酸性的，當水滲透進入MPC漿體中后，會減小漿體內部的pH值，使得MKP凝膠逐步溶解隨水流出，從而增大MPC漿體的內部孔隙率，強度下降，耐久性降低。

由MPC水化機理可知，MPC耐水性差的根本原因在于水化主要產物MKP的溶解，因此改善MPC耐水性的措施在于固化MKP，使MKP在水養條件下不會溶出，同時增大MPC漿體的密實度，減少水的滲透。目前常用的改善措施有摻加粉煤灰等無機礦物摻和料，改善漿體密實度，提高抗滲性；摻加聚合物乳液，改善其耐水性；優化MgO/KH2PO4（M/P）比值，研究表明，MPC中MgO所占的比例越高，MPC耐水性越好。Weil［2］研究表明，MgO在磷酸鎂水泥漿體中若是過量的，則氧化鎂為磷酸鉀鎂提供成核附著點，加快磷酸鉀鎂絡合物的形成；但M/P比值過大，即氧化鎂含量過高的話，反應過快，放熱量過大，也不宜使用。

2011年，楊建明［3］的研究發現，水玻璃對MPC漿體有增稠作用，不僅可以增強漿體的抗滲性，還可以固化MKP絡合物，阻止其溶出。水玻璃中含有SiO2-3，SiO2-3可以與MPC漿體中的PO43-及H+產生較強的締合作用，增強MPC漿體的稠度，加強MKP膠粒之間的黏結，減小溶出。在磷酸鎂水泥中添加的水玻璃的濃度越高，MPC漿體的稠度越大，膠體數量越多，形成的MPC水泥的密實度越大，水越難進入，即磷酸鎂水泥耐水性越好。另一方面，MPC漿體中的Mg2+還會與水玻璃中的SiO2-3反應生成水化硅酸鎂凝膠，水化硅酸鎂凝膠不僅可以填充MPC漿體的孔隙，還可以包裹在MKP凝膠的表面，當MPC用在潮濕環境中時，可以適當阻止MKP凝膠的溶出。

粉煤灰在普通硅酸鹽水泥砂漿及混凝土中發揮的活性效應及微集料填充效應均已得到證實，其活性效應均是由于粉煤灰中含有的無定形硅酸根。而林瑋的研究［4］也已證實，把粉煤灰添加到磷酸鎂水泥熟料中之后，在后期水化過程中，粉煤灰會表現出活性。粉煤灰與磷酸鎂水泥反應后生成一種含有硅、磷、鉀、鎂的無定形化合物，此化合物中的鉀、鎂和磷元素來自于磷酸鎂水泥，這就充分說明了粉煤灰與磷酸鎂水泥會發生反應，粉煤灰會表現出活性。

玻璃的主要成分也是硅，而且是無定形的非晶態，這與粉煤灰的物質形態相似，同時，玻璃中的Ca/Si與粉煤灰的也相差不大，將玻璃磨細到一定程度的時候是否也會表現出火山灰活性。謝國帥［5］的研究表明玻璃在一定條件下的確能表現出火山灰活性，將其添加到普通硅酸鹽水泥砂漿中能夠改善其微觀結構，提高其物理力學性能。但謝國帥的研究也表明，磨細的玻璃粉活性較低，在早期的水化過程中并不太能表現出來，其對水泥砂漿及混凝土的微觀效應貢獻主要是提供了水化硅酸鈣凝膠的成核條件，而火山灰活性并沒有產生明顯影響。磨細的玻璃粉之所以能夠改善水泥漿體的微觀結構，除了其為水化產物提供了成核結晶的場所之外，還有其發揮的微顆粒填充效應。玻璃粉磨細的程度越高，其微顆粒填充效應越明顯，但是顆粒越細，其成核場所的效應越弱，因此玻璃粉不是磨的越細越好，是存在一個最優細度，一般玻璃粉的粉磨時間為35min最佳。

要想發揮玻璃粉的火山性活性，單單依靠把玻璃磨細，其效果并不理想，而是需要采取一定的措施激發玻璃粉的火山灰活性。其常用的激發措施有物理活化、化學活化和復合活化。而文獻表明采用高溫高壓可以有效提高粉煤灰的活性，相比于化學活化和復合活化，我們采取的是水熱活化，即把經過粉磨的玻璃粉在蒸壓條件下（125℃，1.1MPa）預處理，水熱活化操作起來方面快捷，對試驗環境要求低，操作儀器也采用常用蒸壓儀器即可。除此之外，由于玻璃粉的鈣硅比與化學組成與粉煤灰的類似，而粉煤灰之所以能表現出火山灰活性，主要是由于粉煤灰是由高溫急劇冷卻形成的具有活性的球形體，那么把玻璃粉經過蒸壓處理可能也會表現出一定的火山灰活性。而試驗表明經過蒸壓處理確實可以提高玻璃粉的火山灰活性，但是蒸壓時間不一樣，玻璃粉的活性也不一樣，但蒸壓時間過長，玻璃粉的活性提高越明顯。

玻璃中的SiO2是穩定存在的［SiO4］4-網絡結構，活性不宜顯現。在蒸壓條件下，玻璃中的硅氧鋁聚合物可以解體成為硅氧聚合物和鋁氧聚合物，使SiO2和Al2O3的活性表現出來。當把經過蒸壓活化的玻璃粉添加到磷酸鎂水泥中之后，玻璃粉可以發揮出類似粉煤灰的火山灰活性。而試驗也表明，添加了經過活化的玻璃粉之后，從SEM電鏡照片中反映出MPC漿體的水化產物中水化硅酸鎂的數量有所增加，證明經過蒸壓處理的玻璃粉與MPC漿體中的Mg2+發生了反應，而添加活化的玻璃粉的MPC漿體的經過水浸泡之后的抗壓強度比未經蒸壓處理的玻璃粉的MPC漿體水浸泡后的抗壓強度高，也表明了經過活化的玻璃粉與MPC的生成物可以固化MKP，阻止其溶出，從而提高MPC的耐水性。與此同時，磨細的玻璃粉還可以發揮其微集料填充效應，提高漿體的致密度，增強其抗滲性。

廢玻璃在如今的城市建筑垃圾中所占的比例較大，現在對于廢棄玻璃的處理多是填埋處理，但經過填埋的玻璃不宜被微生物分解，會造成環境極大的污染及造成土壤資源的浪費，因此研究玻璃的回收利用具有重要的現實意義。而在早期，建筑行業對于玻璃的回收利用主要集中在利用玻璃作為混凝土的骨料使用，但在之后的研究中發現使用玻璃作為骨料的時候，會有發生堿骨料反應的風險。而把經過處理的玻璃粉添加到MPC中正是要利用其活性，讓其發生反應。因此，玻璃粉經過活化處理，添加到MPC中后，不僅可以有效提高其耐水性，強化MPC的性能，同時也可以利用固體垃圾——玻璃，響應綠色建筑的概念。

［1］楊建明，等.水玻璃對磷酸鉀鎂水泥性能的影響［J］.建筑材料學報，2011，14（2）：227-233.

［2］林瑋，孫偉，李宗津.磷酸鎂水泥中的粉煤灰效應研究［J］.建筑材料學報，2010，13（6）：716-721.

［3］劉數華，王磊，謝國帥，等.摻玻璃粉水泥凈漿水化性能［J］.建筑材料學報，2015，18（1）：31-37.