高原環(huán)境下磷酸鎂水泥的制備與性能研究

易 峰

西藏職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，西藏 拉薩 850000

1 引言

磷酸鎂水泥（magnesium phosphate cement，簡稱MPC）是一種近年來發(fā)展較為迅速的新型膠凝材料，目前主要由磷酸二氫鉀和重?zé)V砂作為主要原料，以硼砂、硼酸等為緩凝劑，粉煤灰等作為摻和料，最后加水?dāng)嚢瓒伞Ｓ捎贛PC制備過程基本處于零排放狀態(tài)，因而是一種環(huán)保材料。它具有具有快凝早強、變形小、耐磨、且與混凝土的粘結(jié)性較高等優(yōu)點，可目前在道路修補、建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固和有害物固化方面應(yīng)用廣泛［1］。

青藏高原環(huán)境具有海拔高、氣壓低、晝夜溫差大、紫外線強和大風(fēng)干燥等特點，且生態(tài)環(huán)境脆弱，自我恢復(fù)能力差，對建材的環(huán)保性要求極高［2］。MPC的諸多優(yōu)點，均滿足要求青藏高原環(huán)境的施工要求。但目前關(guān)于高原環(huán)境下磷酸鎂水泥的基礎(chǔ)性能研究未見報道。

本文以磷酸二氫鉀和重?zé)趸V為MPC的基礎(chǔ)材料，以粉煤灰為摻和料、硼砂為緩凝劑，加水混合攪拌后制備成了各類配合比的MPC。考察了高原環(huán)境下粉煤灰摻量、緩凝劑摻量和水灰比大小對MPC的初凝時間和抗壓強度的影響。

2 實驗

2.1 原材料

磷酸二氫鉀和硼砂均采用成都市科龍化工生產(chǎn)的分析純產(chǎn)品。鎂砂采用重?zé)V砂、粉煤灰為鞏義市元亨凈水材料廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，鎂砂和粉煤灰的化學(xué)成分見表1。

表1 鎂砂和粉煤灰化學(xué)成分 %

2.2 試件的制備與測試

2.2.1 試件的制備

（1）MPC的制備：A1～A5試件在保證磷酸鹽和鎂砂的質(zhì)量比為1：1的基礎(chǔ)上，硼砂的摻量均為占鎂砂和磷酸鹽質(zhì)量和的10%，水灰比均為0.2，粉煤灰內(nèi)摻的形式，摻量依次為0%、10%、20%、30%、40%；B1～B5試件在保證磷酸鹽：鎂砂：粉煤灰=1：1：0.5，和水灰比保持在0.2的基礎(chǔ)上，緩凝劑硼砂的摻量依次占到鎂砂和磷酸鹽質(zhì)量和的0%、4%、8%、12%、16%；C1～C4試件在保證磷酸鹽：鎂砂：粉煤灰=1：1：0.5，且硼砂的摻量均為占鎂砂和磷酸鹽質(zhì)量和的12%的基礎(chǔ)上，水灰比依次為：0.15、0.18、0.20、0.24。

（2）MPC的制備流程為：先將磷酸鹽和緩凝劑加入水中充分溶解后，在依次加入粉煤灰和鎂砂，在水泥膠砂攪拌機中先慢速攪拌30s，然后再快速攪拌90s后，最后在4cm×4cm×4cm鋼模具中成型；養(yǎng)護(hù)條件為成型1h后拆模，再置于西藏拉薩市（海拔3650m）的室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度控制在18～22℃。

2.2.2 試件的測試方法

（1）凝結(jié)時間測試方法：采用《GBT1346-2011水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》進(jìn)行凝結(jié)時間測定，由于影響施工過程的主要為初凝時間，故本次試驗只測定水泥的初凝時間。

（2）抗壓性能測試：采用水泥抗折抗壓試驗機進(jìn)行抗壓試驗。

2.2.3 試驗儀器

主要為水泥砂漿攪拌機、水泥抗折抗壓試驗機和維卡儀。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 粉煤灰摻量對MPC基本性能的影響

表2中展示了不同粉煤灰摻量對MPC凝結(jié)時間和強度的影響。從表中可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，MPC的凝結(jié)時間和各齡期的抗壓強度均呈現(xiàn)先增加、后減少的趨勢。其中粉煤灰摻量為20%時，MPC的凝結(jié)時間最大，28d抗壓強度值也最高，分別達(dá)到了33min和52.7MPa。其原因在于，粉煤灰摻量較少時，由于粉煤灰具有的“滾珠效用”和“微集料效應(yīng)”可分別增大MPC的流動性和填充了膠凝材料的內(nèi)部孔隙，并阻礙了磷酸鹽和氧化鎂的接觸面積［3］。從而延緩了MPC的凝結(jié)時間，并增強了MPC的28d抗壓強度；當(dāng)粉煤灰摻量過高時，由于粉煤灰的比表面積較大，單位質(zhì)量吸水量大，在水灰比一定的情況下，MPC的流動性降低，磷酸鹽和氧化鎂反應(yīng)不完全，因而凝結(jié)時間變短，且強度下降。

表2 粉煤灰摻量對MPC凝結(jié)時間和強度的影響

3.2 緩凝劑摻量對MPC基本性能的影響

表3 緩凝劑摻量對MPC凝結(jié)時間和強度的影響

硼砂作為MPC最為有效的緩凝劑之一，能有效延長MPC水泥漿體的凝結(jié)時間，但同時也在一定程度上會損害MPC的強度，特別是早期強度。其原因在于硼砂具有一定的減水作用［4］。因而控制MPC緩凝劑的摻量是極為重要的。不同緩凝劑摻量對MPC凝結(jié)時間和強度的影響，如表3所示。從表中可以看出，但硼砂的摻量在12%時，MPC的凝結(jié)時間可達(dá)到38min，28d抗壓強度也可達(dá)到51.1MPa，既可以滿足施工要求，強度也不至降低太多。

3.3 水灰比大小對MPC基本性能的影響

不同水灰比對MPC凝結(jié)時間和強度的影響如表4所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，在其他原材料和緩凝劑摻量不變的情況下，隨水灰比的增加，MPC的凝結(jié)時間逐步增加，但水灰比過小或大均不利于MPC強度的發(fā)展，其中水灰比在0.18～0.21之間時，可以使得MPC獲得較高的強度。其原因在于水灰比較小時，MPC的流動性較差，無法攪拌均勻，內(nèi)部缺陷較多，不利于強度發(fā)展；而水灰比過大時，過多的水無法參與反應(yīng)，會在MPC膠凝材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成過多孔隙，從而也降低了MPC最終的強度［5］。此外，高原環(huán)境下，氣壓較低、空氣干燥，MPC中的水分散失較快，其后期反應(yīng)所需的水分不足，也容易導(dǎo)致后期強度增長較慢的情況產(chǎn)生。

表4 水灰比大小對MPC凝結(jié)時間和強度的影響

綜上可知，高原環(huán)境下，MPC的基本物理和力學(xué)性能受到粉煤灰摻量、緩凝劑摻量及水灰比的影響。只有適宜的粉煤灰、緩凝劑摻量和合適水灰比的MPC配比，才能獲得良好的工作性能和力學(xué)性能。

4 結(jié)論

（1）在磷酸鹽和鎂砂質(zhì)量比控制在1：1的情況下，粉煤灰摻量在20%左右、緩凝劑的摻量在8%～12%范圍、水灰比控制在0.18～0.21之間時，MPC能獲得較好的初凝時間和力學(xué)性能；

（2）青藏高原低氣壓、低含氧量和干燥的環(huán)境下，MPC的水分散失較快，會導(dǎo)致MPC后期強度增長較慢，其影響力有多強，仍需進(jìn)一步研究。