復合緩凝劑對高強磷酸鎂修補砂漿性能的影響

楊 輝，徐 鵬，袁 偉，李 磊，柯偉席，田曉航，周天正

(武漢三源特種建材有限責任公司，武漢 430080)

0 引 言

磷酸鎂水泥(magnesium phosphate cement, MPC)是由重燒氧化鎂、可溶性磷酸鹽、緩凝劑及礦物摻合料按一定比例混合配制而成的新型膠凝材料，具有快硬早強、低收縮變形、耐磨、耐腐蝕、高黏結強度等優良性能[1-4]。作為一種混凝土結構的修補材料，MPC在機場跑道、高速公路、橋梁和市政主干道等結構搶修和加固工程中具有顯著優勢[5-8]。由于MPC的水化過程是一種以酸堿中和反應為基礎的放熱反應，凝結硬化非常快，因而限制了MPC在其他修補領域的應用[9-11]。為了改善MPC凝結時間的可控性，最直接有效的方式是摻加緩凝劑，但過量緩凝劑的加入，會造成MPC早期強度顯著下降[12-13]，因而，開發一種保證早期強度不明顯降低而凝結時間能夠顯著提升的緩凝劑具有非常重要的現實意義。

Sarkar[14]利用硼酸鹽作為緩凝劑延長了MPC的凝結時間，并有效提高了其力學性能。Hall等[15]研究了硼酸、硼砂、三聚磷酸鈉對MPC性能的影響，結果表明硼砂和硼酸的緩凝效果要優于三聚磷酸鈉。楊建明等[16]研究了不同硼砂摻量對MPC水化反應的影響，結果表明硼砂參與了水化反應，提高了體系的初始pH值，降低了MgO的溶解速率與體系溫度，凝結時間隨硼砂摻量的增加而延長。李春梅等[17]采用硼泥作為原材料制備MPC，有效控制了其凝結速率和放熱量。段新勇等[18]利用硼砂、氯化鈣和磷酸鈉作為復合緩凝劑，有效延長了MPC的凝結時間。

目前，關于MPC緩凝劑的研究大多集中在硼砂、硼酸及一元緩凝體系，而關于三聚磷酸鈉、蔗糖及二元復合緩凝體系的研究相對較少。因此，本文采用硼砂、蔗糖、三聚磷酸鈉作為緩凝劑，研究一元緩凝體系、二元復合緩凝體系及緩凝劑摻量對磷酸鎂修補砂漿凝結時間、流動性能和力學性能的影響，以期制備出凝結時間可控，各項性能優良的磷酸鎂修補砂漿。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

重燒氧化鎂(M)：煅燒溫度為1 700 ℃，MgO含量≥92%(全文含量均為質量分數)，比表面積為235 m2/kg，D50=48.95 μm。粉煤灰(FA)：Ⅰ級粉煤灰，45 μm方孔篩，篩余量6.8%。磷酸二氫鉀(P)：工業級，KH2PO4含量≥98%。十水硼砂(B)：工業級，Na2B4O7·10H2O含量≥95%。三聚磷酸鈉(SJ)：食品級，Na5P3O10含量≥95%。蔗糖(ZT)：分析純，C12H22O11含量≥99%。河砂(S)：細砂0.25～0.42 mm，粗砂0.42～0.84 mm。重燒氧化鎂和粉煤灰的主要化學成分如表1所示。

表1 重燒氧化鎂和粉煤灰的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of dead burnt magnesia and fly ash

試驗采用粉煤灰(FA)等質量取代部分重燒氧化鎂(M)，組成氧化鎂混合料(M+FA)。氧化鎂混合料與磷酸二氫鉀(P)按質量比3 ∶1組成磷酸鉀鎂膠凝體系(M+FA+P)，砂膠比為0.5，水膠比為0.14，其中，粗砂和細砂分別占河砂總質量的60%和40%，緩凝劑摻量以緩凝劑質量與氧化鎂質量比計，磷酸鎂修補砂漿配合比見表2。

表2 磷酸鎂修補砂漿配合比Table 2 Mix ratio of magnesium phosphate repair mortar

續表

1.2 磷酸鎂修補砂漿的制備

將按表2配合比稱量的重燒氧化鎂、磷酸二氫鉀、粉煤灰、緩凝劑、河砂倒入攪拌鍋中，參照標準JC/T 2537—2019《磷酸鎂修補砂漿》進行攪拌。先將干粉料低速攪拌60 s，然后加入水低速攪拌30 s，再高速攪拌30 s，停拌30 s，再繼續高速攪拌90 s，漿體攪拌結束后進行凝結時間、流動度、力學性能測試。

1.3 試樣測試

1.3.1 凝結時間測試

磷酸鎂修補砂漿凝結時間的測定參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行，拌合物的灌入阻力值初次大于0.5 MPa時，所需時間即為磷酸鎂修補砂漿的凝結時間。

1.3.2 流動度測試

磷酸鎂修補砂漿流動度的測定參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行，測試過程中將截錐圓模垂直向上提起，讓拌合物自由流動(不開啟跳桌)。

1.3.3 抗壓和抗折強度測試

磷酸鎂修補砂漿抗壓和抗折強度的測定參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》規定進行，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，在空氣中養護至規定齡期后測試試件的抗壓和抗折強度。

2 結果與討論

2.1 一元緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿性能的影響

2.1.1 一元緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿凝結時間的影響

圖1 一元緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿凝結時間的影響Fig.1 Effect of unitary retarder system on setting time of magnesium phosphate repair mortar

為了延長磷酸鎂修補砂漿的凝結時間，分別研究了單摻三聚磷酸鈉、硼砂和蔗糖對磷酸鎂修補砂漿凝結時間的影響，結果如圖1所示。

2.1.2 一元緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿流動性能的影響

2.1.3 一元緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿力學性能的影響

圖3～圖5顯示了不同緩凝劑摻量下，磷酸鎂修補砂漿在各齡期抗壓強度的變化趨勢。圖中可見，隨著三種緩凝劑摻量的增加，磷酸鎂修補砂漿1.5 h、3 d抗壓強度均呈現遞減趨勢。三種緩凝劑中，蔗糖對早期強度的影響最大，蔗糖的加入導致漿體出現超緩凝現象，嚴重阻礙了磷酸鎂水泥的水化進程，從而造成早期強度顯著下降。當蔗糖摻量超過4%后，磷酸鎂修補砂漿1.5 h抗壓強度幾乎為零。硼砂與三聚磷酸鈉相比，前者對磷酸鎂修補砂漿早期強度的影響要稍小，在保證1.5 h強度的前提下，硼砂的適宜摻量為4%～6%。此外，從緩凝劑摻量與磷酸鎂修補砂漿28 d抗壓強度關系來看，硼砂和三聚磷酸鈉摻量的變化對砂漿后期的強度影響不大，摻硼砂的磷酸鎂修補砂漿28 d強度要稍高于摻三聚磷酸鈉的修補砂漿。相反，蔗糖摻量的變化對磷酸鎂修補砂漿28 d強度影響較為明顯，可能是蔗糖摻量過高，致使漿體工作性變差，漿體內部孔隙增多，從而造成后期強度較低。

圖2 一元緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿流動度的影響Fig.2 Effect of unitary retarder system on fluidity of magnesium phosphate repair mortar

圖3 SJ摻量對磷酸鎂修補砂漿抗壓強度的影響Fig.3 Effect of SJ content on compressive strength of magnesium phosphate repair mortar

圖4 B摻量對磷酸鎂修補砂漿抗壓強度的影響Fig.4 Effect of B content on compressive strength of magnesium phosphate repair mortar

圖5 ZT摻量對磷酸鎂修補砂漿抗壓強度的影響Fig.5 Effect of ZT content on compressive strength of magnesium phosphate repair mortar

2.2 二元復合緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿性能的影響

對于搶修工程而言，不僅要求修補材料具有較好的流動性能，而且還需要在不明顯降低早期強度的前提下，盡可能延長修補材料保持良好流動性能的時間，這樣才能保證修補材料的正常施工。JC/T 2537—2019中對超早強型產品的凝結時間、流動度、抗壓強度提出了明確規定，要求凝結時間≥10 min，流動度≥180 mm，1.5 h、3 d和28 d抗壓強度分別≥20.0 MPa、40.0 MPa和45.0 MPa。因此，為了改善磷酸鎂修補砂漿的凝結時間，采用二元復合緩凝體系進行試驗，以期在不降低早期強度的同時顯著延長砂漿的凝結時間。由單摻試驗結果可知，硼砂具有較好的緩凝效果，且對早期強度影響相對較小，因此固定硼砂摻量為5%，分別復配一定比例的三聚磷酸鈉和蔗糖組成二元復合緩凝體系，研究了二元復合緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿各項性能的影響。

2.2.1 二元復合緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿凝結時間的影響

圖6為不同二元復合緩凝體系下磷酸鎂修補砂漿凝結時間的變化曲線。由圖6可知，硼砂與蔗糖組成的二元復合緩凝體系，其緩凝效果要優于硼砂與三聚磷酸鈉組成的二元復合緩凝體系。硼砂摻量固定為5%，隨著蔗糖摻量的提高，磷酸鎂修補砂漿的凝結時間逐漸增加，當蔗糖摻量超過2.5%后，凝結時間的增長幅度顯著加大。與單摻8%硼砂相比，5%硼砂與3%蔗糖摻量下的磷酸鎂修補砂漿具有更長的凝結時間，可達35 min，這可能是由兩種緩凝劑的疊加效應所致。此外，硼砂與三聚磷酸鈉組成的二元復合緩凝體系，與單摻三聚磷酸鈉相比，凝結時間也顯著提升，在5%硼砂與3%三聚磷酸鈉摻量下，磷酸鎂修補砂漿凝結時間為14 min，遠大于單摻8%三聚磷酸鈉的一元緩凝體系。

圖6 二元復合緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿凝結時間的影響Fig.6 Effect of binary complex retarder system on setting time of magnesium phosphate repair mortar

2.2.2 二元復合緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿流動性能的影響

圖7為不同二元復合緩凝體系下磷酸鎂修補砂漿流動度的變化曲線。由圖7可知，當硼砂摻量固定時，隨著蔗糖摻量增加，磷酸鎂修補砂漿的流動度整體呈現下降趨勢，但降幅不大，主要是因為在硼砂與蔗糖組成的二元復合緩凝體系中，蔗糖摻量的變化較小，因此，對流動度帶來的負面影響也相對較小。隨著硼砂與三聚磷酸鈉組成的二元復合緩凝體系中三聚磷酸鈉摻量增加，流動度呈現先增大后減小的趨勢，在5%硼砂與2.5%三聚磷酸鈉摻量下，流動度達到最大。

2.2.3 二元復合緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿力學性能的影響

對于需要快速開放交通的修補工程，修補材料應具有較高的早期強度，以滿足快速修補工程的需要。二元復合緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿早期和后期抗壓強度的影響如圖8所示。由圖8可知，二元復合緩凝體系中隨著蔗糖或三聚磷酸鈉摻量增加，1.5 h和3 d強度整體呈現降低趨勢，但復合緩凝劑摻量的變化對磷酸鎂修補砂漿28 d強度無明顯影響。在5%硼砂與2.5%蔗糖摻量下，磷酸鎂修補砂漿的凝結時間為18 min，流動度為230 mm，1.5 h、3 d和28 d抗壓強度分別為22.6 MPa、56.8 MPa和62.4 MPa，凝結時間、流動度和抗壓強度三項指標能夠滿足JC/T 2537—2019對超早強型產品的要求。在磷酸鎂修補砂漿體系中引入二元復合緩凝體系，不僅能使修補砂漿在低緩凝劑摻量下具有較長的凝結時間，還能使修補砂漿具有較好的流動性能和力學性能，實現磷酸鎂修補砂漿在凝結時間和早期強度之間的動態平衡。

圖7 二元復合緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿流動度的影響Fig.7 Effect of binary complex retarder system on fluidity of magnesium phosphate repair mortar

圖8 二元復合緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿抗壓強度的影響Fig.8 Effect of binary complex retarder system on compressive strength of magnesium phosphate repair mortar

2.3 磷酸鎂修補砂漿全項性能檢測

由一元緩凝體系和二元復合緩凝體系對磷酸鎂修補砂漿性能影響的結果可知，采用5%硼砂與2%蔗糖和5%硼砂與2.5%蔗糖制備的樣品，其凝結時間、流動度和抗壓強度三項指標均能滿足JC/T 2537—2019對超早強型產品的要求，但前者的凝結時間要明顯低于后者。因此，優選5%硼砂與2.5%蔗糖作為復合緩凝劑，制備磷酸鎂修補砂漿，參照JC/T 2537—2019進行全項性能檢測，結果如表3所示。

從表3中數據可知，磷酸鎂修補砂漿的各項性能指標均能滿足JC/T 2537—2019對超早強型產品的要求，采用硼砂與蔗糖的復合緩凝體系能夠制備出各項性能優良的磷酸鎂修補砂漿。

表3 磷酸鎂修補砂漿技術性能Table 3 Technical performance of magnesium phosphate repair mortar

續表

3 結 論

(1)在一元緩凝體系中，蔗糖的緩凝效果明顯優于硼砂和三聚磷酸鈉，三種緩凝劑中，三聚磷酸鈉的緩凝效果最差。與硼砂相比，蔗糖對流動性能和早期力學性能帶來的負面影響更大。蔗糖、硼砂和三聚磷酸鈉組成的一元緩凝體系，難以解決磷酸鎂修補砂漿凝結時間和早期強度之間的矛盾。

(2)在二元復合緩凝體系中，硼砂與蔗糖復合緩凝體系的緩凝效果要優于硼砂與三聚磷酸鈉，采用5%硼砂與2.5%蔗糖能夠制備出凝結時間可控、流動性能和力學性能優良的磷酸鎂修補砂漿，樣品各項性能指標滿足JC/T 2537—2019對超早強型產品的要求。