磷酸鹽水泥用于修補橋梁伸縮縫的可行性研究

摘要：為驗證磷酸鹽水泥（Magnesium Phosphate Cement，MPC）在橋梁伸縮縫修復中的可行性，通過MPC快硬高強砂漿的凝結時間、力學性能來評估其工作性能，通過壓汞法檢測MPC砂漿的孔隙結構，同時進行快速氯離子滲透試驗，評估其耐久性。結果表明，MPC砂漿的抗壓強度在12 h內達到最大值。其中，重燒氧化鎂與磷酸二氫鉀的質量比為4.0時，MPC砂漿的最大抗壓強度為31.4 MPa，而普通硅酸鹽水泥（Ordinary Portland Cement，OPC）制備的砂漿為4.2 MPa。同時，MPC砂漿與修補面的黏結性能更好，其拉伸黏結強度和彎曲黏結強度更高，分別為1.9 MPa和1.7 MPa，而OPC砂漿分別為1.5 MPa和

1.2 MPa。除此以外，MPC快硬高強砂漿孔隙類型以空氣孔隙為主，而不是毛細孔隙，因此相比OPC砂漿，MPC砂漿在電通量試驗中表現出較低的滲透性。實際工程應用表明，MPC配制的快硬高強修補材料優于OPC配制的修補材料。

關鍵詞：磷酸鹽水泥（MPC）；伸縮縫；力學性能；耐久性；修補材料

中圖分類號：TU525.9 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-00-08

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.004

Feasibility study on using magnesium phosphate cement for repairing bridge expansion joints

LI Changhui1， GUO Baolin2， DUAN Meidong1， LIU Shuai2

（1. Shandong Hi-speed Co.， Ltd.; 2. Shandong Academy of Transportation Sciences， Jinan 250000， China）

Abstract： In order to verify the feasibility of Magnesium Phosphate Cement （MPC） in bridge expansion joint repair， its working performance is evaluated by the setting time and mechanical properties of MPC fast hardening high-strength mortar， and the pore structure of MPC mortar is detected by mercury intrusion method， and rapid chloride ion penetration test is conducted to evaluate its durability. The results indicate that the compressive strength of MPC mortar reaches its maximum value within 12 h. Among them， when the mass ratio of calcined magnesium oxide to potassium dihydrogen phosphate is 4.0， the maximum compressive strength of MPC mortar is 31.4 MPa， while the mortar prepared with Ordinary Portland Cement （OPC） is 4.2 MPa. At the same time， MPC mortar has better bonding performance with the repair surface， with higher tensile bonding strength and bending bonding strength of 1.9 MPa and 1.7 MPa， respectively， while OPC mortar has 1.5 MPa and 1.2 MPa， respectively. In addition， the pore type of MPC fast hardening high-strength mortar is mainly air pores， rather than capillary pores， therefore， compared to OPC mortar， MPC mortar shows lower permeability in electrical flux tests. Practical engineering applications have shown that the fast hardening and high-strength repair material prepared by MPC is superior to the repair material prepared by OPC.

Keywords： Magnesium Phosphate Cement （MPC）; expansion joints; mechanical properties; durability; repair materials

橋梁伸縮縫混凝土在長期使用過程中會出現反復損壞的現象，而造成損壞的原因多樣。橋梁伸縮縫是一個長梁形狀的構筑物，因此混凝土順橋梁方向產生裂縫的概率大。另外，接縫處的鋼筋混凝土、鋼板、瀝青混合料三者彈性模量差異很大，而常規混凝土的彈性模量又難以與其匹配，使用過程中容易產生破壞。伸縮縫是公路橋梁工程中最后澆筑的混凝土構筑物，因此無法確保原材料和施工質量控制的一致性。同時，伸縮縫的混凝土用量較少且分布分散，難以確保養護得當。除此之外，在長期服役過程中，橋梁伸縮縫混凝土頂面會不斷承受車輪摩擦、沖擊和振動，在重載作用下，輪載會將伸縮縫混凝土折斷，隨后發生局部破裂。但是，橋梁伸縮裝置多處于市政或高速公路節點路段，無法長期封閉交通養護。受限于橋梁伸縮縫的維修時間，必須采用可快速形成強度、恢復交通的修補材料。

目前，用于橋梁伸縮縫修復的快速硬化材料類型多樣，如環氧樹脂、聚酯樹脂、聚合物膠乳、聚醋酸乙烯酯、各種水泥基無機黏合劑[1]、鋁酸鈣水泥[2]、堿激發水泥[3]和普通硅酸鹽水泥（Ordinary Portland Cement，OPC）[4-5]等。盡管以上修補材料在組分上具有親和性，但基于純水泥的修復材料缺點非常明顯，如硬化時間慢、抗拉強度和黏結強度低等。此外，以上特性也使它們不適用于修復薄截面[6]。因此，普通水泥或混合水泥應與骨料、纖維和其他添加劑混合，以達到橋梁伸縮縫修復工程所需的性能[7]。磷酸鹽水泥（Magnesium Phosphate Cement，MPC）具有凝結時間短、低收縮和良好黏結能力等特點，近年來，作為橋梁伸縮縫結構的修復材料，其吸引越來越多學者的關注[8-11]。Donahue等[12]研究粉煤灰﹑偏高嶺土及造紙廢渣對磷酸鎂水泥性能的影響﹐發現粉煤灰﹑偏高嶺土及造紙廢渣能夠顯著提高磷酸鎂水泥的黏結強度和體積穩定性。楊全兵等[13]采用粉煤灰來提升磷酸鹽水泥砂漿流動度及其黏結力，發現粉煤灰能夠顯著提高磷酸鹽砂漿的工作性能和成型性能。Hou等[14]發現磷酸鎂水泥與混凝土具有良好的相容性，能夠取代環氧樹脂作為混凝土修補增強材料，并且其成本較低，顯著拓展磷酸鎂水泥的應用前景。常遠等[15]發現，粒徑30 μm以下的MgO顆粒決定磷酸鹽水泥的凝結時間。Li等[16]采用（NH4）2HPO4和K2HPO4來制備磷酸鎂水泥膠凝材料，發現磷酸鎂水泥的凝結時間與其質量比相關，質量比變小，凝結時間會增加，其漿體酸性會減弱。薛明等[17]通過試驗研究發現，磷酸鹽水泥的凝結時間與鎂磷比和水膠比相關，鎂磷比增大和水膠比減小，會降低磷酸鹽水泥的凝結時間。高瑞[18]研究硼砂、硼酸、三乙醇胺和三聚磷酸鈉對磷酸鹽水泥凝結性能的影響規律，發現硼砂、硼酸對磷酸鹽水泥的凝結時間影響顯著，當硼酸與硼砂按1∶1的配比復摻時，磷酸鹽水泥凝結時間隨摻量的增加而延長。李國新等[19]發現，粉煤灰和石粉混合能夠顯著降低磷酸鹽水泥的凝結時間。Klammert等[20]發現，提高養護溫度，能夠顯著減少磷酸鹽水泥的凝結時間。常遠等[21]發現，MgO和KH2PO4的細度和級配對磷酸鹽水泥水化硬化性能有顯著影響。磷酸鹽水泥后期抗壓強度主要取決于粒徑30～60 μm的質量占全部MgO顆粒質量的比例，質量比例越大，后期磷酸鹽水泥的抗壓強度越大。徐選臣等[22]發現，水膠比顯著影響磷酸鹽水泥的凝結和硬化，水膠比為0.10～0.12時，硬化水泥石結構致密，早期和后期力學性能較好。賴振宇等[23]發現（NH4）2HPO4和KH2PO4對磷酸鹽水泥的強度影響顯著，（NH4）2HPO4與KH2PO4配比為3∶2時，磷酸鹽水泥的機械強度較高，后期抗折強度損失較少。原材料配比方面，李春梅等[24]研究粉煤灰、礦渣、磷渣粉和硅灰對磷酸鎂水泥性能的影響，發現摻入硅灰能提高抗折強度和抗壓強度，礦渣、粉煤灰和磷渣粉能提高水泥的流動性能。

MPC可通過MgO或Mg3（PO4）2與可溶性磷酸鹽（通常為磷酸銨或磷酸鉀）的反應制備，其生成的鳥糞石為膠結反應產物[24-25]，該產物結晶度高于普通水泥水化產物，力學性能較好。此外，MPC還具有諸多優點，如早期強度高、無沁水現象、低溫環境下仍具有凝結硬化能力、與舊混凝土的黏結強度高、抗凍性和耐磨損性高、抗高溫能力良好、熱膨脹系數低[26-27]。因此，MPC具有用于橋梁、公路等基礎設施修補工程的潛力。試驗通過研究MPC砂漿的工作性能、力學性能、耐久性以及同舊基材的連接性能和在實際工程中的使用情況，綜合判斷其在橋梁伸縮縫修補中的適用性。

1 試驗部分

1.1 原材料

試驗組以MPC為膠凝材料，其中重燒氧化鎂（M）由菱鎂礦（主要成分為MgCO3）在1 500 ℃溫度下煅燒分解而得，磨細為棕黃色粉末，平均粒徑為33.292 μm，

比表面積為5 089 cm2/g。對照組以OPC為膠凝材料，平均粒徑為31.3 μm，比表面積為3 120 cm2/g。MPC和OPC的化學組成如表1所示。磷酸二氫鉀（P）為工業級白色結晶粉末，純度為98%；硼砂（B）為白色結晶粉末，試驗用水為去離子水。

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣制備

按表2的配合比精確稱量所需原材料，之后倒入試驗用的攪拌容器中，低速、高速分別攪拌20 s、70 s。將攪拌均勻的漿體倒入試模中，通過振動將漿體內的氣泡振出，最后抹平。試樣成型45 min后脫模，并置于溫度20 ℃±2 ℃、相對濕度95%以上的環境中繼續養護至待測齡期。膠凝材料為MPC，激發劑為KH2PO4，水膠比為0.2，膠砂比為1.5。主要評價指標有兩個，一是重燒氧化鎂與磷酸二氫鉀的質量比（M/P），二是硼砂與重燒氧化鎂的質量比（B/M）。

1.2.2 指標測定

參照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》（GB/T 1346—2011）、《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419—2005）和《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019），測定快速修復材料的凝結時間、流動度和力學性能。在凝結時間測試中，采用規格Φ80 mm×40 mm的圓柱體橡膠模具替代鋼模具。在彎曲黏結強度和拉伸黏結強度測試中，MPC砂漿試塊規格分別為50 mm×

200 mm×400 mm、50 mm×10 mm×50 mm，試驗裝置如圖1所示。

磷酸鹽硬化水泥漿體中，物相組成采用全自動X射線衍射儀（X-Ray Diffraction，XRD）進行分析。通過無水乙醇浸泡樣品至設定齡期，使其終止水化，再經過粉磨、烘干后利用孔徑80 μm的標準篩進行篩分。試驗工作條件為銅靶，波長為0.154 060 nm，電壓為40 kV，電流為100 mA，掃描速度為10°/min，掃描角度為5°～75°。采用環境掃描電鏡觀察試樣的水化產物形貌特征。采用孔徑分析儀測定硬化漿體的累計孔體積，將試樣置入樣品管內，以氮氣作為吸附質進行測試。

采用壓汞孔隙率法對MPC砂漿的孔隙分布和孔隙體積進行分析。取備用砂漿試樣﹐均勻在試樣徑向不同深度取粒徑不超過8 mm的顆粒樣品，在50 ℃溫度下干燥48 h后，將樣品放置于裝滿水銀的試管中，隨后將試管抽真空至汞柱升起50 μm，最后通過填充氮氣施加0.2 MPa的低壓提升汞填充壓力，以便在相應壓力下記錄汞的浸入量。

采用快速氯離子滲透試驗評估MPC混凝土與OPC混凝土的滲透性。參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009），采用電通量法開展抗氯離子滲透試驗。試件直徑為100 mm，高度為50 mm，分別測試混凝土相應齡期的電通量，試驗裝置如圖2所示。

2 試驗結果分析

2.1 磷酸鹽水泥快速修補材料的凝結時間

M/P、B/M對MPC砂漿終凝時間的影響如圖3所示。從圖3可以判斷硼砂混合與否，其M/P的增加都會導致終凝時間的增加。未加入硼砂的條件下，M/P=1時，終凝時間為15.38 min；M/P=4時，終凝時間為16.9 min；M/P=8時，終凝時間為18.1 min；M/P=12時，終凝時間為21.6 min。XU等[28]通過研究MPC砂漿的流動性，發現M/P對水化程度具有重要影響。M/P越低，MPC砂漿會放出越高的水化熱，從而使氧化鎂具有更高的反應活性。因此，氧化鎂的純度也對終凝時間有影響。試驗的氧化鎂純度為88.5%，MPC砂漿的終凝時間為15～22 min，而在之前的試驗中，由于使用純度更高的氧化鎂（94%），其終凝時間顯著縮短。

如圖3所示，B/M從0.02增加到0.08時，其終凝時間也在不斷增加。當B/M=0.1時，MPC砂漿的終凝時間最短。M/P=4的條件下，B/M=0.02時，砂漿的終凝時間為18.12 min；B/M=0.04時，終凝時間為20.51 min；B/M=0.08時，終凝時間為23.14 min；

B/M=0.10時，終凝時間為17.13 min。其余試驗組也表現出相同趨勢。因此，為延長終凝時間，可用粉煤灰、磨細高爐礦渣或鋁酸鹽水泥取代部分磷酸鹽水泥，同時硼砂添加量不可過高。

2.2 磷酸鹽水泥快速修補材料的抗壓強度與黏結強度

齡期分別為1 h、3 h、12 h、24 h和28 d時，MPC砂漿和OPC砂漿抗壓強度的變化如圖4所示。隨著養護時間的增長，MPC砂漿和OPC砂漿的抗壓強度也在增長。值得注意的是，在養護時間到達28 d前，MPC砂漿的抗壓強度皆大于OPC砂漿。這是因為MPC砂漿的主要水化產物為MgKPO4（H2O）6，其結晶度遠大于OPC砂漿的主要水化產物，MPC砂漿的抗壓性能較OPC砂漿優異。同時，M/P也對MPC砂漿抗壓強度的發展有影響。M/P=1時，最大抗壓強度為27.2 MPa；M/P=4時，最大抗壓強度為45.6 MPa。隨后，抗壓強度隨著M/P升高而降低，這可能是因為較低的M/P會產生較高的水化熱，從而促進水化反應。

B/M對MPC砂漿抗壓強度和終凝時間的影響如圖5所示。當M/P=4.0，齡期為24 h時，隨著B/M的增加，抗壓強度總體趨于降低，分別為33.0 MPa、32.67 MPa、31.11 MPa、29.18 MPa和25.46 MPa。硼砂的添加并不會總是降低硬化速度，B/M介于0.00～0.08時，硼砂的添加會增加終凝時間，但超過0.08時，終凝時間不升反降。因此，在延緩終凝時間時，必須控制硼砂添加量。

在齡期28 d、M/P=0.4、B/M=0.08的條件下，測定MPC砂漿及OPC砂漿與舊基體的拉伸黏結強度、彎曲黏結強度，結果如圖6所示。與OPC砂漿相比，MPC砂漿具有更高的黏結強度。對于拉伸黏結強度，MPC砂漿可以達到1.9 MPa，而OPC砂漿僅能達到

1.5 MPa。同時，MPC砂漿的抗彎強度也較高，可以達到1.7 MPa，但OPC砂漿只有1.2 MPa。Li等[16]研究其他類型的磷酸鹽水泥，如磷酸二銨和磷酸氫二鈉，研究發現，使用磷酸二銨時，彎曲強度相較于其他磷酸鹽水泥有所提高，但由于環境污染問題，該類磷酸鹽水泥并不適用于實際工程。

2.3 磷酸鹽水泥快速修補材料的孔隙體積和滲透性

采用壓汞孔隙率法測定MPC砂漿的孔隙體積，結果如圖7所示。隨著M/P的升高，MPC砂漿的孔隙率逐漸增加。M/P=1時，孔隙體積為0.075 9 mL/g，孔隙率為13.9%；M/P=4時，孔隙體積為0.083 1 mL/g，孔隙率為15.5%；M/P=8時，孔隙體積為0.110 7 mL/g，孔隙率為20.5%；M/P=12時，孔隙體積為0.138 2 mL/g，孔隙率為25.5%。M/P對孔隙率的影響可能歸因于氧化鎂水化過程中所形成的毛細孔隙，即M/P增加會導致氧化鎂含量的增加，從而形成更多的水化產物，產生更多的毛細孔隙，因此導致孔隙率的增加。

MPC砂漿和OPC砂漿的孔隙體積和孔隙類型如圖8所示。MPC砂漿的總孔隙體積為0.074 mL/g，孔隙率為15.5%，相較于OPC砂漿降低5%。造成該現象的主要原因是MPC砂漿水化產物結晶程度比OPC砂漿水化產物高，所以MPC砂漿的孔隙體積較小，其抗壓強度也高于OPC砂漿。同時，MPC致密的孔隙結構使其具有較低的滲透性，能夠抵抗環境對它的不利影響。

MPC砂漿和OPC砂漿電通量隨時間的變化如圖9所示。OPC混凝土構件的電通量為4 112.0 C，而MPC

混凝土構件的電通量為3 238.4 C。由此可知，OPC砂漿具有更高的離子滲透性，其耐久性更差，更易受外界環境影響。MPC砂漿具有高離子滲透阻力，原因可能是其與OPC砂漿存在不同的孔隙組成。OPC砂漿孔隙主要由毛細孔隙組成，在高離子滲透壓下，各毛細孔隙之間會形成運輸離子的內網，從而導致高離子滲透性。MPC砂漿中，大量含有空氣的孔隙構成孔隙主體，該類氣孔不受滲透壓影響，其滲透性更低。如表3所示，根據相關規范指導值，二者氯離子滲透性皆屬于中等。

2.4 磷酸鹽水泥快速修補材料的水化產物

M/P=4且無硼砂的MPC砂漿試塊養護28 d，其XRD圖譜如圖10所示。根據衍射峰可知，MgKPO4·6H2O為主要水化產物，其余晶相為未水化的MgO顆粒，其中未水化的MgO顆粒可參與后續水化反應并提高力學性能。在MPC砂漿水化機理中，磷酸銨鉀可以以結晶和非晶態形式存在，因此磷酸銨鉀是反應產物的關鍵物質，具體反應如式（1）至式（6）所示。

3 磷酸鹽水泥快速修復材料在現場施工中的應用

在施工現場采用磷酸鹽水泥配制快硬高強砂漿，如圖11所示。在脫離實驗室精密稱量儀器的條件下，在施工現場按照配合比粗略稱量磷酸鹽水泥，也可拌制出表面濕潤、流動性較好的快硬高強砂漿。結果表明，用磷酸鹽水泥配制快硬高強修補材料具有可行性。

伸縮縫局部碎裂挖除后，用MPC砂漿修復3年后的效果如圖12所示。使用磷酸鹽水泥配制的快硬高強修補材料進行修補后，即使服役3年，修補處周遭仍未出現大量顯著裂紋，這表明該修補材料的力學性能與黏結性能均為良好，在伸縮縫修補工程中具有極佳的實用意義。

使用MPC砂漿與OPC砂漿的修復效果對比如圖13所示。其中，左側為使用1年后的OPC砂漿（摻環氧樹脂）修補區域，右側為使用3年后的MPC砂漿修補區域。OPC砂漿使用僅1年后就出現大面積的開裂，幾乎失去黏結能力；反觀MPC砂漿，即使使用3年，其外觀依舊完整，未出現任何明顯裂縫，且與伸縮縫的黏結良好。因此，MPC配制的修補材料較OPC配制的修補材料具有明顯的優越性與實用性。

4 結論

磷酸鹽水泥可用于修補橋梁伸縮縫，M/P、B/M對MPC砂漿的力學性能與工作性能有重要影響。與OPC砂漿相比，MPC砂漿實用性更優。試驗結果表明，MPC砂漿的凝結時間與M/P、B/M有關。隨著M/P的升高，MPC砂漿的凝結時間會逐漸延長；B/M未超過0.08時，B/M與MPC砂漿的凝結時間呈正相關，但超過0.08時，凝結時間隨著B/M的增長而減少。MPC砂漿可在短時間內獲得優異的力學性能。在

M/P=4的條件下，MPC砂漿養護1 h后的抗壓強度可超過22.8 MPa，3 h后可達到28.0 MPa，24 h后可達到33.0 MPa，但硼砂的加入會降低MPC砂漿的抗壓強度，因此硼砂添加量的控制至關重要。MPC砂漿與舊基材的拉伸黏結強度、彎曲黏結強度分別為1.9 MPa和1.7 MPa，而OPC砂漿的黏結強度分別為1.5 MPa和

1.2 MPa，因此MPC砂漿的力學性能比OPC砂漿好。經壓汞試驗測定，MPC砂漿孔隙率為13.9%～

25.5%，具體取決于M/P，M/P越高，則孔隙率越高，而造成該現象的原因可能是MgO顆粒的水化程度不一。除此之外，MPC砂漿的孔隙主要由空氣孔隙組成，不同于OPC砂漿的毛細孔隙。經試驗驗證，MPC砂漿的工作性能完全滿足實際工程需要，其服役壽命也比OPC砂漿長。

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