磷酸鎂水泥砂漿性能試驗研究

馬鋒玲，王 剛，徐 耀，王少江，方銘典

(1.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.水利部水工程建設與安全重點實驗室，北京 100038；3.山西省小浪底引黃工程建設管理局，山西 太原 030000；4.北京交通大學 城市地下工程教育部重點實驗室，北京 100044)

1 研究背景

混凝土長期使用過程中，由于老化病害、自然災害或維護不及時等原因常引起局部損壞或結構失效，如災后水工建筑物受損，應盡快對受損部位進行快速修補，以滿足搶險救災和渡汛期間對建筑物強度和變形的要求。磷酸鎂水泥(MPC)是一種新型環保膠凝材料，是由重燒氧化鎂和磷酸鹽及緩凝劑按適當比例配制、加水發生酸-堿反應、快速硬化的一種特種膠凝材料，最早出現于美國，1970年開始作為結構加固、快速修補材料等得到大家關注。1983年，Sugama等對磷酸鹽材料的水化機理、顯微結構及緩凝機理進行了研究[1]；1989年，Abdelrazig等對磷酸鹽材料的強度、孔結構、水化產物進行了研究[2]；2001年，Argonne國家實驗室以磷酸二氫鉀代替銨鹽，發明了水化性能較好的磷酸鉀鎂水泥，并研究該系列水泥固化各種廢棄物的能力[3]；西方發達國家利用其快硬高強的特點，把它大量用于混凝土路面、公路、橋梁、飛機跑道及工業廠房等的快速修復上。我國于1990年末期開始關注，此后MPC在我國關注度持續增加。2010年，曹巨輝等[4]研究了水泥比表面積、膠砂比、水膠比、緩凝劑和養護方式等因素對磷酸鎂水泥砂漿強度的影響。2011年，周啟兆等[5]研究了一種用于水泥混凝土路面修補的磷酸鎂水泥，3d、28d粘結強度達6.2、8.6MPa。2014年，田正宏等[6]研究了人工砂摻量對磷酸鉀鎂水泥(MKPC)砂漿強度及體積穩定性的影響，結果表明，人工砂摻量為50%的MKPC砂漿強度最高，體積變形表現出微膨脹性，體積穩定性良好。2016年，楊全兵等[7]研究了粉煤灰對磷酸鹽水泥砂漿與混凝土之間粘結性能的影響，發現當粉煤灰摻量小于20%時，MPC砂漿7d后的粘結抗折強度和ld后的粘結拔拉強度均超過硅酸鹽水泥混凝土基體。2018年，丁鑄等[8]制備了工作性能適宜錨固要求的磷酸鎂水泥砂漿，體現了MPC砂漿優良的植筋錨固性能。2019年，馮哲等[9]研究了磷酸鹽水泥砂漿修復材料的性能，并與硅酸鹽基材料與硫鋁酸鹽基材料進行對比，結果表明磷酸鹽水泥修補材料具有更好的修復與黏結性能。

目前對磷酸鎂水泥的研究主要集中于混凝土老化病害的薄層修補，但少有工程應用實例。本文采用不同粒徑砂，在不同工況下對磷酸鎂水泥砂漿基本性能進行試驗研究，為磷酸鎂水泥在水工建筑物應急搶險與快速修補加固中的應用提供技術依托。

2 原材料及試驗方法

試驗采用自制磷酸鎂水泥，并采用R.SAC42.5快硬硫鋁酸鹽水泥作為對比組。磷酸鎂水泥制備原材料主要包括：①重燒氧化鎂(MgO，縮寫為M)，密度3.47g/cm3，細度195m2/kg，氧化鎂含量96.8%，燒失量0.8%，可溶于酸或銨鹽，難溶于水，溶液呈弱堿性。②磷酸二氫銨(NH4H2PO4，縮寫為P)，密度1.80g/cm3，純度98%，易溶于水，溶液呈弱酸性，主要為磷酸鎂水泥水化提供酸性環境和磷酸根離子。③硼砂(Na2B4O7，縮寫為B)，密度1.73g/cm3，純度95%，易溶入水，水溶液呈弱堿性，作為緩凝劑以調節磷酸鎂水泥的凝結硬化速度。根據前期研究成果，磷酸鎂水泥配方為：P/M=1∶3，硼砂摻量B/M=10%。用于對比試驗的硫鋁酸鹽水泥，密度2.87g/cm3，比表面積490m2/kg，初凝時間13.5min，3、28d抗壓強度分別為46.2、60.5MPa。硫鋁酸鹽水泥的外加劑為聚羧酸高性能減水劑(粉劑)和有機酸緩凝劑(粉劑)。

試驗采用三種不同粒徑砂，其顆粒分析試驗結果如圖1所示。三種砂分別為級配不良砂(SP)、含細粒土砂(SF)和粉土質砂(SM)，細度模數分別為2.45、2.97和1.72，其中SM為細砂，SP和SF為中砂，主要區別在細粒含量上。

圖1 砂顆粒分析試驗結果

采用微機控制全自動壓力試驗機測試砂漿強度。試件尺寸為40mm×40mm×160mm，成型1～2h后拆模放入標養室中養護。自流平、泵送、常態工況下流動度分別控制為260～300mm、160～180mm、140～160mm(砂漿跳桌流動度)，干硬性工況下采用最佳用水量；硬化時間約為30～60min，實際應用中根據工程具體情況可調。圖2為磷酸鎂水泥砂漿流動度測定，圖3為自流平灌注成型砂漿試件，自密實、無敲搗等輔助措施。

圖2 磷酸鎂水泥砂漿流動度測定

圖3 自流平灌注成型磷酸鎂水泥砂漿試件

3 磷酸鎂水泥砂漿試驗結果

采用自配的磷酸鎂水泥(P/M=1∶3，B/M=10%)與三種不同粒徑的天然砂(SP、SF、SM)，針對自流平、泵送、常態、干硬四種工況進行磷酸鎂水泥砂漿的強度試驗，研究不同類型磷酸鎂水泥砂漿的基本性能，并采用R.SAC42.5快硬硫鋁酸鹽水泥進行對比試驗，積累基礎試驗數據，為不同條件下實際工程的應用提供技術依托。

3.1 水膠比與抗壓強度的關系

對于硅酸鹽水泥，混凝土強度與膠水比具有線性相關性，磷酸鹽水泥是否也具有同樣的關系需進行試驗驗證。在三種工況下，對磷酸鎂水泥砂漿抗壓強度與膠水比進行了一元線性回歸分析，配合比及強度試驗結果見表1，強度與膠水比的回歸關系曲線如圖4所示。試驗表明磷酸鎂水泥砂漿抗壓強度與膠水比也具有線性相關性，強度隨膠水比增加而增加。

圖4 磷酸鎂水泥砂漿抗壓強度與膠水比的關系

表1 磷酸鎂水泥砂漿配合比及強度試驗結果

3.2 養護條件對強度的影響

試驗采用級配不良砂SP，在標準養護(20℃±5℃，相對濕度95%以上)、標養室水中養護、室內自然養護三種養護條件下進行強度對比試驗。試驗灰砂比1∶3，水膠比0.32，砂漿跳桌流動度160mm，試驗結果見表2和圖5。試驗結果可見，不同養護條件對磷酸鎂水泥砂漿強度影響較大，室內自然條件養護下，由于90d之前正值夏天，室內溫度較高，因此強度最高，并且發展較快，與7d強度相比，28、90d強度增長率分別為151%和173%，之后進入秋冬季節，強度發展緩慢，270d強度與90d相比增長率為104%(標準養護時的同期增長率為23.9%)。標準養護和水中養護條件下，其強度發展規律相近，與7d強度相比，28、90、270d強度增長率平均值分別為101%、134%和166%；與標準養護相比，水中養護時其強度降低，且齡期越長降低幅度越大，1、7、28、90d齡期抗壓強度降低幅度分別為6%、11%、16%和27%。其原因可能在于當周圍水分含量較大時，在滲透水的作用下，部分未反應的磷酸鹽緩慢溶解出來，使后期參與水化的磷酸鹽減少，導致生成物的數量降低；同時磷酸鹽水化產物在水中也受到一定的溶蝕和水解造成結構密實度下降，從而造成磷酸鎂水泥砂漿強度的下降。由此可見，磷酸鹽水泥的長期耐水性較差，應盡量避免用于長期接觸水的環境中。

表2 不同養護條件下磷酸鎂水泥砂漿的強度試驗結果

圖5 養護條件與磷酸鎂水泥砂漿抗壓強度的關系

3.3 磷酸鎂水泥與硫鋁酸鹽水泥對比試驗結果

采用不同粒徑砂，在自流平、泵送、常態工況下，磷酸鎂水泥(MPC)砂漿和硫鋁酸鹽水泥(SAC)砂漿的試驗配合比及強度試驗結果見表3及圖6，硫鋁酸鹽水泥中均摻入了占水泥質量0.3%的減水劑和0.3%的緩凝劑。試驗結果可見：①磷酸鹽水泥砂漿和硫鋁酸鹽水泥砂漿的抗壓強度均與齡期呈對數關系，強度早期迅速增加，后期增長緩慢。②與硫鋁酸鹽水泥砂漿相比，磷酸鎂水泥砂漿3h抗壓強度平均提高約30%，其他齡期抗壓強度均低于硫鋁酸鹽水泥，平均降低約36%。可見，磷酸鎂水泥的優勢在超早強，當灰砂比1∶1，水膠比0.18時，其3h抗壓強度高達34.6MPa。③從強度增長規律看，磷酸鎂水泥砂漿的早期強度發展更快，與7d抗壓強度相比，磷酸鎂水泥砂漿3h、1d、3d強度增長率平均值分別為60%、84%和93%，硫鋁酸鹽水泥砂漿分別為36%、75%和94%。④相同試驗條件下，兩種水泥砂漿的折壓比相近。磷酸鎂水泥SP、SF、SM砂漿的折壓比平均值分別為0.16、0.19和0.21。⑤隨著膠砂比的降低和水膠比的提高，磷酸鎂水泥砂漿強度顯著降低，高早強磷酸鎂水泥砂漿的膠砂比不應低于1∶1，水膠比以控制0.18～0.20為宜，水膠比增大，3h強度很難到達30MPa以上，磷酸鎂水泥將失去其優勢。

表3 不同砂漿配合比及強度試驗結果

圖6 不同工況下兩種水泥砂漿的抗壓強度試驗結果

干硬性工況下，磷酸鎂水泥和硫鋁酸鹽水泥的砂漿配合比及強度試驗結果見表4及圖7。表中水泥用量、用水量均為其與砂的質量百分比，硫鋁酸鹽水泥中均摻入了占水泥質量0.4%的緩凝劑。干硬性工況下采用最佳用水量，人工擊實成型。由試驗結果可見，磷酸鎂水泥用量10%時，干硬性SP、SF砂漿的3h、1d、3d抗壓強度在1.2～4.3MPa之間，SM砂漿在0.87～1.9MPa之間；磷酸鎂水泥用量20%時，干硬性SP、SF砂漿3h、1d、3d抗壓強度為6.8～15.9MPa，SM砂漿為4.2～6.0MPa。磷酸鎂水泥用量由10%提高到20%時，干硬性砂漿抗壓強度顯著提高，早期強度提高3倍以上，長期強度提高1.5倍以上。相同水泥摻量下，磷酸鎂水泥砂漿的抗壓強度均明顯低于硫鋁酸鹽水泥，平均降低約64%。

4 結論

(1)磷酸鹽水泥砂漿和硫鋁酸鹽水泥砂漿的抗壓強度均與齡期呈對數關系，強度早期迅速增加，后期增長緩慢。

(2)與標準養護相比，水中養護條件下磷酸鎂水泥砂漿抗壓強度降低約6%～27%，且齡期越長降低幅度越大，說明磷酸鹽水泥的長期耐水性較差，應盡量避免用于長期接觸水的環境中。

(3)與硫鋁酸鹽水泥砂漿相比，磷酸鎂水泥砂漿3h抗壓強度平均提高約30%，其他齡期抗壓強度均低于硫鋁酸鹽水泥，平均降低約36%。磷酸鎂水泥的優勢在超早強，當灰砂比1∶1，水膠比0.18時，其3h抗壓強度高達35MPa。

(4)磷酸鎂水泥砂漿強度隨膠砂比的降低和水膠比的提高而顯著降低，高早強磷酸鎂水泥砂漿的膠砂比不應低于1∶1，水膠比以控制在0.18～0.20為宜，水膠比增大，磷酸鎂水泥將失去其優勢。