磷酸鎂水泥在體育場地鋪裝層中的應用及粘接性能研究

摘 要：簡述了室外體育場地鋪裝所用材料的性能要求和磷酸鎂水泥特性，分析了磷酸鎂水泥應用到室外體育場地鋪裝的施工工藝流程。并進行了普通硅酸鹽水泥基層與磷酸鎂水泥鋪裝層的粘接性能試驗，探究了界面的抗拉粘接性能和抗剪粘接性能。結果表明，自然養護條件下對硅酸鹽水泥基體進行鑿毛處理有助于提升界面抗拉粘接強度；隨著鑿毛深度的增加和養護齡期的延長，界面抗剪粘接強度值不斷提升。在室外體育場地薄層鋪裝中，最佳的鑿毛深度為3 mm，不破壞原有基層強度的同時可最大化提升場地的鋪裝效果。關鍵詞：室外體育場地；磷酸鎂水泥；特性；施工工藝；粘接性能

中圖分類號：TQ177.6+2 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）10-0035-04

Research on the application and adhesive properties of magnesium phosphate cement in the pavement layer of sports venues

WANG Yingying

（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，Shaanxi China）

Abstract：This paper briefly describes the performance requirements of materials used in outdoor sports venuepavement and the characteristics of magnesium phosphate cement，and analyzes the construction process of apply?ing magnesium phosphate cement to outdoor sports venue pavement. The bonding properties of ordinary Portland ce?ment base and magnesium phosphate cement pavement layer were tested，and the test plan was determined. The ten?sile and shear bonding properties of the interface were investigated. The results showed that the chiseling treatmentof Portland cement matrix under natural curing condition could improve the interfacial tensile bond strength. Withthe increasing of chisel depth and the prolonging of curing age，the shear bond strength of the interface increasedcontinuously. In the thin layer pavement of outdoor sports venues，the best chisel depth was 3 mm，which can maxi?mize the pavement effect of the site without destroying the original base strength.

Key words：outdoor sports venues；magnesium phosphate cement；characteristic；construction technology；bondprop? erty

室外體育場地在長期的外界環境和沖擊荷載作用下，容易出現裂縫、坑槽、收縮變形等問題，在冬天也容易出現場地內部結構的凍融破壞。采用高性能混凝土作為地面鋪裝材料，可對地面原有混凝土結構進行修補加固，顯著提高室外體育場地的使用年限，還可提升運動安全性和舒適性，緩解外界環境對場地的腐蝕作用等。本文采用磷酸鎂水泥作為鋪裝層材料，普通硅酸鹽水泥作為基層材料，制備復合試件，模擬室外體育場地鋪裝結構，通過改變界面處理方式、養護條件和鑿毛深度等，探究基層與磷酸鎂水泥鋪裝層之間粘接性能。以期促進磷酸鎂水泥或其他高性能混凝土在室外體育場地鋪裝中的應用。

1室外體育場地鋪裝材料與施工工藝

1. 1室外體育場地鋪裝材料性能要求

鋪裝層材料的選擇至關重要，不僅自身要有良好的粘接強度，也要能夠與地面舊混凝土基層充分、牢固地粘接，以免出現脫粘、開裂的情況；在鋪裝施工中，由于需要現場拌合、鋪裝，鋪裝所用材料的初凝時間要合理，便于工人進行大面積鋪裝操作。若材料容易快速凝結，則需要適當添加緩凝劑；由于鋪裝完成的室外體育場地要盡快投放使用，因此鋪裝材料要有較強的早期力學強度；且后期強度也要穩定，以保障場地的長時間使用；還需具備抗裂、耐磨等特性，提升體育場地的運動舒適性[1-2]。

1. 2磷酸鎂水泥特性

磷酸鎂水泥作為一種新型無機膠凝材料，對路面裂縫、地面坑槽、建筑物破損等部位的加固和搶修具有普遍適用性，在室外體育場地的快速鋪裝中有著重要應用價值和巨大應用潛力。磷酸鎂水泥通常由氧化鎂、磷酸鹽和少量的緩凝劑組成，在水的作用下，會發生以下反應：

MgO+NH4H2PO4+5H2O?NH4MgPO4×6H2O

水分的加入，使得Mg2+、PO4和H2PO4-被分解出來并快速發生反應，生成有膠凝特性的產物。磷酸鎂水泥不同于普通水泥，其特殊的水化機理賦予了其各方面優異的性能。如磷酸鎂水泥砂漿流動性大，可修補舊基層的裂縫和死角；凝結時間快，可現場施工；早期強度高，能盡快投入使用；養護方式簡單，節約人力物力財力；粘接性能好，對場地基層的增強效果顯著等。另外還有良好的熱穩定性、抗凍性能、耐腐蝕性等，非常符合室外體育場地的快速修補、鋪裝要求[3-4]。

1. 3施工工藝

采用磷酸鎂水泥進行室外體育場地薄層鋪裝的施工工藝如圖1所示。

施工前需要根據體育場地面積和要求制定合理的施工方案。然后封閉施工區域，利用路面銑刨機對基層的舊混凝土進行鑿毛處理，并將表面殘留灰塵和雜質清除干凈，否則會導致粘接效果不理想。將磷酸鎂水泥、水按照一定比例進行現場拌合，也可添加一些助劑或者顏料。將充分攪拌的磷酸鎂水泥迅速進行鋪裝施工，抹平表面，達到設定的鋪裝層厚度。在室外自然環境下養護1 h后，拆除體育場地施工設施，對鋪裝層表面的雜物進行清掃[5-7]。

2基層與磷酸鎂水泥鋪裝層粘接性能試驗

2. 1試驗材料與儀器

主要試驗材料包括粉體密度為3.41 g/cm3，細度為200～250目的重燒氧化鎂粉末，純度大于99%的磷酸二氫銨粉末，平均粒徑為7.6?m的粉煤灰，選擇硼砂作為緩凝劑，選擇河砂作為集料，使用這些材料制備鋪裝層水泥[8]。體育場地基層材料選擇普通硅酸鹽水泥。

主要試驗儀器包括WDL-5000型電子拉力試驗機、SHBY-60B型標準恒溫恒濕養護箱、攪拌機和壓力機等。

2. 2試件制備

（1）首先制備磷酸鎂水泥，磷酸二氫銨∶重燒氧化鎂=1∶4，粉煤灰的摻入量為10%，硼砂摻入量為5%，水膠比為0.09。將磷酸二氫銨、重燒氧化鎂等粉體材料干拌30 s，加水后慢速攪拌30 s，加入河砂快速攪拌3 min；

（2）基體試件所用硅酸鹽水泥、河砂、水的比例為1∶3∶0.5，將其攪拌均勻，倒入70 mm×70 mm×20 mm的試模中，放置在振動臺上，以2 800次/min的頻率振動成型，基體試件澆筑的高度為10 mm。在養護箱中養護完成后，在基體上方澆筑10 mm的磷酸鎂水泥，抹平表面，所得立體試塊放入養護箱中進行標準養護，設定溫度為20?，相對濕度為90%。養護完成后，進行基層和鋪裝層抗拉粘接強度的測試[9-11]；

（3）以上述類似步驟制備界面抗剪粘接強度測試所用的試件，基體試件的澆筑尺寸為150 mm×100 mm×150 mm，養護完成后，在前后兩側進行鑿毛處理，然后在這兩個側面澆筑磷酸鎂水泥塊，澆筑厚度為25 mm，得到150 mm×150 mm×150 mm的試塊，放入養護箱中養護到相應齡期，進行基層和鋪裝層抗剪粘接強度的測試[12]。

2. 3試驗方案

（1）界面抗拉粘接強度測試方案：改變界面處理方式，將基體的表面進行鑿毛處理后，再澆筑磷酸鎂水泥，鑿毛深度在2～3 mm；鑿毛處理下，改變試件的養護條件，第1組高溫養護，設定溫度40?、相對濕度50 %；第2組養護條件不變；第3組自然養護，溫度20?、相對濕度50%[13]。

利用環氧樹脂膠水將拉拔掛件與待測試件的鋪裝層粘接到一塊，采用電力拉力試驗機對其進行拉拔試驗，記錄極限拉拔力，按照以下公式計算基層與鋪裝層界面抗拉粘接強度：

式中：f抗拉為抗拉粘接強度（MPa）；P為極限拉拔力（kN）；A是粘接界面面積（cm2）。

（2）界面抗剪粘接強度測試方案：將基體兩側進行鑿毛處理，再澆筑磷酸鎂水泥，鑿毛深度分別為1、2、3、4 mm，再將鑿毛后的試件分別養護4 h、1 d、7 d、28 d后，用壓力機以2 kN/s的速率，進行抗剪粘接強度測試[14]。基層與鋪裝層抗剪粘接強度的計算公式為：

式中：f抗剪為抗剪粘接強度（MPa）；F為測得的壓力值（N）。

3結果與分析

3. 1界面抗拉粘接強度

將鑿毛處理后的基體界面和原始基體界面進行對比，分析界面處理方式對試件粘接強度的影響。發現采用原始界面的試件抗拉粘接強度值為2.38 MPa，鑿毛處理后試件粘接強度值為2.65 MPa，這是由于鑿毛處理后粗糙界面的基體與磷酸鎂水泥的接觸面積有所增加，參與反應的磷酸鎂水泥的總量增多，且粗糙界面增加了基體與磷酸鎂水泥之間的機械咬合力，增強了基層與鋪裝層之間的粘接效果[15]。

在不同養護條件下，試件的抗拉粘接強度如表1所示。

由表1可見，不需要特殊的養護方式，自然養護條件下試件基層與鋪裝層之間粘接強度最高，這也證實了磷酸鎂水泥能夠更好應用到室外體育場地的鋪裝施工中。磷酸鎂水泥本身的水化硬化反應速率就較快，釋放的熱量就可滿足反應所需溫度，在高溫養護條件下，該反應會更加劇烈，極短的時間內生產的水化硬化產物不完整、不穩定，鋪裝到硅酸鹽水泥基體上會出現粘接薄弱的區域，影響試件的力學強度和粘接效果。標準養護條件下，環境中相對濕度較高，會有更多的水分滲透到磷酸鎂水泥中，會溶解一部分磷酸鹽，降低參與水化硬化反應的總量，進而減少反應產物，降低試件整體的密實度，基層與鋪裝層的粘接強度也必然會降低。且部分磷酸鹽溶解，也會一定程度上增加試件整體酸性，不利于水化硬化產物的生成[16-17]。

3. 2界面抗剪粘接強度

室外體育場地的鋪裝，會受到外力荷載、環境的影響產生剪切應力，對此，改變了界面鑿毛深度和養護時間，探究界面的抗剪粘接效果，結果如表2所示。

由表2可見，鑿毛深度的增加和養護齡期的延長，均有助于試件界面抗剪粘接強度值的提升[18]。在4 h至7 d的養護時長下，粘接強度值增長較快，之后增長速度減緩。4 mm的鑿毛深度所得界面的粘接強度最高，但這并不是最佳的深度值。鑿毛處理也會對硅酸鹽水泥基層造成一定損壞，前3個深度下，試件的破壞完全發生在粘接界面處；而4 mm的鑿毛深度下不僅界面發生粘接脫離，試件基體也發生了損壞。說明鑿毛深度過深會破壞原有體育場地基體，影響鋪裝后的體育場地的整體結構強度，鑿毛處理的最佳深度為3 mm[19-20]。

4結語

將磷酸鎂水泥應用到室外體育場地的鋪裝施工中，與場地原有基層的粘接性能良好，且能夠簡化施工復雜程度，在自然養護條件下、短時間內就可達到較高的強度，借助磷酸鎂水泥優異的特性可適當降低鋪裝厚度，有效縮短了施工周期，降低了施工成本。磷酸鎂水泥不僅在路橋病害的快速修補中發揮著重要應用，在室外體育場地的鋪裝中也有著廣闊的應用前景。

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