纖維增強磷酸鎂水泥的研究進展

李 薩 易 峰

(西藏職業技術學院建筑工程學院，西藏 拉薩 850000)

1 概述

磷酸鎂水泥(Magnesium Phosphate Cement，MPC)是一種近年來迅速發展的環境友好的新型無機膠凝材料。MPC一般由鎂砂(重燒氧化鎂)和可溶性磷酸鹽按照一定的比例混合在一起，以水作為反應介質，迅速發生酸堿中和反應，生成具有較強粘度的無機膠凝材料[1]。由于其反應較快，并且成本較高，所以常常需要加入緩凝劑和礦物摻合料來應對。MPC最先采用NH4H2PO4作為反應的磷酸鹽，后因反應會生成胺氣污染環境，因而目前MPC制作一般均采用的磷酸鹽多為KH2PO4。MPC水化產物主要為鳥糞石的MgKPO4·6H2O(MKP)，其具有快凝早強、與新舊混凝土粘結強度高、耐磨和能調節凝結時間等多種優點，但MPC也存在成本高和耐水耐酸堿腐蝕性差等缺點[2]。除此之外，其還存在脆性明顯的缺點。已有的研究表明，在普通硅酸鹽水泥基中加入各種纖維是增強基體韌性的有效途徑之一，而目前很多研究者也開始嘗試使用各種纖維對MPC進行增韌，并取得了良好的效果[3]。本文論述了纖維增強磷酸鎂水泥的研究進展，探討了纖維對MPC的增韌改性效果以及工程應用前景，為纖維增強磷酸鎂水泥的研究提供了相關依據。

2 纖維增強磷酸鎂水泥的研究現狀

2.1 鋼纖維增強磷酸鎂水泥

鋼纖維是最早被加入水泥混凝土用作增韌介質纖維之一。鋼纖維具有強度高、與水泥混凝土粘結性能好的優點。汪宏濤等[4]研究了摻鋼纖維的磷酸鎂水泥的強度、耐磨性和收縮性。實驗結果表明，鋼纖維的摻入，不僅能大幅度提高磷酸鎂水泥的強度和耐磨性，而且能減少磷酸鎂水泥的收縮性。

2.2 化學纖維增強磷酸鎂水泥

常用于水泥基增韌的化學纖維有玻璃纖維、聚乙烯醇纖維(PVA纖維)、聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維和碳纖維等。這些纖維均存在輕質高強或耐腐蝕等特性。楊建明等[5]研究了玻璃纖維對MPC的力學性能和耐久性的影響，結果表明，相對短切玻璃纖維，涂膠玻璃纖維織物對MPC基體的抗彎性能有更大的提升效果，而且由于MPC基體對玻璃纖維的腐蝕性較小，因而相比玻璃纖維增強普通水泥混凝土，玻璃纖維增強MPC具有很好的耐久性。賈興文等[6]試驗發現，將切碳纖維加入到MPC基體中能改善MPC的力學性能，并指出為同時保證碳纖維增強MPC的工作性能和力學性能，短切碳纖維的最佳摻量最好控制在0.4%～0.6%，長度最好控制在3 mm～10 mm；而通過高溫度的硝酸預處理的碳纖維由于表面會出現刻痕和凹槽，有利于碳纖維和MPC的粘結咬合，能進一步增強MPC的韌性。孫晨等[7]比較了不同PVA摻量的MPC纖維的力學性能和微觀結果，發現PVA的加入能顯著提高MPC的韌性，而PVA摻量為1.0%時，PVA在MPC基體內部呈現很均勻的分布狀態，相互之間搭接，形成了很好的網絡，有利于阻止裂縫的擴展。俞家歡等[8]探究了聚丙烯纖維摻量對MPC混凝土影響，結果表明，少量的聚丙烯纖維加入到MPC混凝土中，對MPC混凝土的抗壓強度影響較小，但能顯著的提高其抗折強度、耐磨性和抗凍性，并經過綜合分析認為MPC混凝土的聚丙烯纖維最佳摻量為1.1 kg/m3。唐建明等[9]利用改性聚丙烯纖維(PPF)摻入MPC基體中，制成了改性聚丙烯纖維增強MPC水泥砂漿(MPCM)，并研究了PPF和硅烷偶聯劑水溶液預處理過的PPF對MPVM的力學性能的影響。結果表明隨PPF摻量的增加，PCFM的抗壓和抗彎性能均呈先增大后減小的趨勢，并指出PPF的適宜摻量在0.4%～0.6%之間，而經過適宜濃度的硅烷偶聯劑水溶液預處理的PPF能進一步提高PCFM的力學性能。

2.3 植物纖維增強磷酸鎂水泥

范詩建等[10]將稻殼纖維加入MPC中，制備成了稻殼纖維MPC，并對比了乳白膠、硅烷偶聯劑、乙烯—醋酸乙烯共聚物和粉煤灰對稻殼纖維MPC的抗壓、抗折、導熱性能和密度等的影響。實驗結果發現，乳白膠、乙烯—醋酸乙烯共聚物和硅烷偶聯劑對稻殼纖維MPC的改性效果明顯，適當的加入能有效提高稻殼纖維MPC的力學性能、密度和保溫性能，而適宜的粉煤灰摻量也能有效的提高混凝土的力學性能和密度，但卻降低了復合材料的保溫效果。陳兵等[11]利用油菜桿莖加入到粉煤灰磷酸鎂水泥混凝土中，制備成了植物纖維磷酸鎂水泥混凝土復合材料，研究了該復合材料的表觀密度、抗壓強度和導熱系數。試驗結果顯示，隨油菜桿摻量的增加，復合材料的表觀密度和抗壓強度逐漸降低，而導熱系數卻不斷降低，在保證成型順利和基本抗壓強度的基礎上，油菜桿莖的體積摻量為30%時，復合材料的導熱系數最低可達0.05 W/(m2·K)，密度僅為575 kg/m3,是一種良好的輕質保溫材料。

綜上可知，類似于普通的纖維增強波特蘭水泥混凝土，適量纖維的加入一般都會在一定程度上降低磷酸鎂水泥混凝土的工作性能、抗壓性能和收縮性，并會增強MPC的韌性、耐磨性和抗凍性。原因在于纖維的加入會帶入空隙，使得抗壓強度降低，而纖維較強的韌性會約束新拌水泥基的流動，并使得水泥基硬化后開裂后的裂縫不易得到擴展，從而使得工作性能降低、韌性、耐磨性和抗凍性增強。

3 工程應用前景

纖維增強磷酸鎂水泥具有韌性強，耐磨性高和與新舊混凝土粘結強度等優點，因而其工程應用具有很廣闊的前景。目前其應用主要包括以下3個方面：

1)以鋼纖維增強磷酸鎂水泥為代表的道路修補應用。鋼纖維增強磷酸鎂水泥耐磨性高，韌性強，一般情況下抗折強度達20 MPa以上，很好的滿足了道路要求耐磨性高，抗沖擊性強的要求，而磷酸鎂水泥本身的快凝早強特性又很好的滿足了一般道路要求快速通車的需求；

2)以化學纖維增強磷酸鎂水泥的結構修補應用。一般結構修補材料均為環氧樹脂等有機物，具有耐火性差和易老化等缺點。而磷酸鎂水泥作為一種無機膠凝材料，不僅具有耐火性好、抗老化等優點，由于其能和混凝土結構中的水泥的部分水化產物或未熟化水泥顆粒發生化學反應生成無定型水化產物，形成較強的化學結合力，從而使得其與混凝土結構具有很強的界面粘結力。此外，纖維在其中又能很好的發揮其增韌作用；

3)以植物纖維增強磷酸鎂水泥混凝土的保溫材料應用。植物纖維增強普通水泥混凝土目前已得到了很好的應用，但一般需要對水泥混凝土進行提前發泡處理，才會具有較好的保溫效果。而磷酸鎂水泥在水化過程中放熱較快，其內部本身就具有較多的密度氣孔，因而不需要發泡處理也具有很好的保溫隔熱作用，而植物纖維的加入又進一步提高了其韌性，有利于擴大其工程應用。

4 結語

目前纖維增強磷酸鎂水泥的研究取得了很多的成就，但也存在成本高，施工要求高和無相應的配套規范等問題。但纖維增強磷酸鎂水泥也逐步在工程上開始不斷擴大應用，隨著理論研究、技術方法和施工工藝的不斷深入，以及經濟水平的不斷發展，相信纖維增強磷酸鎂水泥在不久的將來必然具有廣闊的工程應用前景，并對傳統的成纖維增強普通水泥混凝土造成較大的沖擊。

[1] 易 峰,丁 鑄,夏玉瑩.磷酸鹽水泥碳纖維復合材料的導電性能研究[J].功能材料,2016(12):12124-12128.

[2] 常 遠,史才軍,楊 楠,等.磷酸鎂水泥基材料耐久性研究進展[J].硅酸鹽學報,2014,42(4):486-493.

[3] 楊宇林.纖維混凝土復合材料耐久性能研究綜述[J].混凝土,2012(2):78-80,85.

[4] 汪宏濤,錢覺時,曹巨輝,等.鋼纖維增強磷酸鎂水泥砂漿的性能與應用[J].建筑技術,2006(6):462-464.

[5] 楊建明,錢春香,荀 勇,等.玻璃纖維增強磷酸鎂水泥復合材料的耐久性[J].建筑材料學報,2009,12(5):590-594.

[6] 賈興文,司端科,張 新,等.碳纖維增強磷酸鎂水泥砂漿的力學性能研究[J].材料導報,2016,30(22):138-142.

[7] 孫 晨,丁 鑄.PVA纖維改性磷酸鹽水泥材料的研究[J].混凝土與水泥制品,2016(12):44-47.

[8] 俞家歡,熊攀輝,汲 野,等.聚丙烯纖維摻量對磷酸鎂水泥混凝土性能影響[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版),2017,33(2):266-274.

[9] 唐建明,李 劍,石 磊.改性聚丙烯纖維增強磷酸鎂水泥砂漿的力學性能研究[J].重慶建筑,2017,16(2):41-44.

[10] 范詩建,常 錚,陳 兵.稻殼纖維改性磷酸鎂水泥基復合材料試驗研究[J].河北工業大學學報,2015,44(4):115-118.

[11] 陳 兵,劉 寧.基于磷酸鎂水泥的植物莖稈增強混凝土試驗研究[J].建筑材料學報,2016,19(6):1046-1050.