負溫環境下磷酸二氫鈉對磷酸鎂水泥力學性能的影響

摘 要：本研究主要采用磷酸二氫鈉（SDP）部分替代磷酸二氫鉀制備磷酸鎂水泥，研究磷酸二氫鈉對磷酸鎂水泥負溫環境早期力學性能的影響。研究結果表明，磷酸二氫鈉可以縮短磷酸鎂水泥凝結時間，當磷酸二氫鈉用量質量分數達到75%時，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結時間為6min 30s。﹣-10℃環境下，當磷酸二氫鈉完全替代磷酸二氫鉀時，MPC基材料的增強效果最好，但凝結時間卻最短，不足6min。復合磷酸二氫鈉和磷酸二氫鉀可提高MPC的早期抗折強度及粘接強度，且磷酸二氫鈉的摻量質量分數在0到～50%范圍內，粘接強度隨著磷酸二氫鈉含量的增加而增加；當磷酸二氫鈉摻量質量分數高于50%時，粘接強度開始下降。

關 鍵 詞：磷酸鉀鎂水泥；負溫環境；力學性能

中圖分類號：TQ172.72 文獻標志碼： A 文章編號： 1004-0935（2024）08-00001199-0×4

我國北方冬季，對除冰鹽的使用會導致路面及周圍結構物發生嚴重的鹽凍破壞[1，-2]。處在低溫環境下的混凝土結構，在長期外部荷載和環境因素的影響下會遭到破壞；一些大體積的混凝土結構由于熱脹冷縮，其表面裂縫在冬季會張開到最大，危害最為嚴重。若這些缺陷得不到及時修補，會給居民的出行安全和社會的正常運轉帶來影響。搶修搶建工程的難度和規模通常較大，不僅要求短時間內修補完成，而且對時效性要求高（結構物使用功能快速恢復）。所以用于工程搶修搶建膠凝材料必須具備如下性能：高強早強、施工性能好、耐久性及體積穩定性好、良好的界面粘接能力等，以滿足搶修搶建工程需求[3，-4]。磷酸鎂水泥（MPC）是一種由可溶性磷酸鹽和 MgO 通過中和反應得到的新型磷酸鹽膠凝材料。因具有早強快硬、水化放熱量大且集中、與舊界面粘接性好、抗寒耐高溫等特點，廣泛應用于道路橋梁、機場跑道、民用建筑和部分軍事應急搶修工程中，是一種具有巨大前景的修補材料。磷酸二氫鈉作為磷酸鹽組分能為體系提供最高的水化溫度，以抵御外部負溫環境所帶來的負面影響，且與磷酸二氫鉀復摻具有更高的力學性能，是提高MPC早期強度的一個手段。因此，本研究主要采用磷酸二氫鈉（SDP）部分替代磷酸二氫鉀制備磷酸鎂水泥，研究磷酸二氫鈉對磷酸鎂水泥負溫環境早期力學性能的影響。

1 原材料及實驗方法實驗部分

1.1 原材料

本實驗中采用重燒氧化鎂由菱鎂礦（MgCO3）在工業窯爐中經1700℃高溫煅燒制成。本試驗磷酸二氫鉀。磷酸二氫鉀、磷酸二氫鈉以及硼砂為，分析純，質量分數不少于99%由，天津市大茂化學試劑廠生產，含量不少于99%。本試驗所用的水均為自來水，，磷酸鎂水泥對水的溫度與用量都比較敏感，如果溶液溫度過低或者過高都會影響磷酸鎂水泥凝結時間。在進行低溫環境試驗前，將水放置于（0±2）℃的低溫試驗箱中備用。

1.2 試驗方法

參照前面的研究結果[5-7]，本研究選用磷酸鹽與氧化鎂的質量比為1/3，由于SDP的摻入會加速水化速率、縮短凝結時間[8]并考慮后續加入偏高嶺土會降低MPC凈漿流動度[9]，再加上前期的實驗可行性驗證，設置水灰比為0.2、硼鎂比為12%，在此基礎上改變SDP對KDP的取代量，分別摻入0、25%、50%、75%和100%，如表1所示。

為模擬低溫施工環境，在進行試驗前24h小時將磷酸鹽、緩凝劑、摻合料和40mm×40mm×160mm模具放入相應溫度的低溫試驗箱中提前進行冷凍。試件澆鑄成型后立即放入低溫試驗箱中進行養護，溫度根據試驗條件設定為﹣-10℃。參照GB/T 1346《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》、JC/T2537-—2019《磷酸鎂修補砂漿》來測量磷酸鎂水泥的抗壓強度、抗折強度及粘接強度。

KDP代表磷酸二氫鉀，SDP代表磷酸二氫鈉，B代表硼砂，M代表氧化鎂。

2 結果與討論

2.1 凝結時間

圖1為在﹣-10℃環境下，不同磷酸二氫鈉摻和物的磷酸鎂水泥凈漿的凝結時間。

根據圖1知，隨著磷酸二氫鈉的加入，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結時間急劇減小。未添加磷酸二氫鈉時，SDP0組最終凝結時間為72min。加入磷酸二氫鈉后，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結時間明顯縮短，當磷酸二氫鈉用量達到75%時，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結時間為6min 30s。當磷酸二氫鈉全部替代磷酸二氫鉀時，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結時間最短僅為5min 12s，說明用磷酸二氫鈉代替磷酸二氫鉀縮短了磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結時間。Liu等[10]通過對氧化鎂改性的研究發現，鎂離子濃度對磷酸鎂水泥凝固時間有顯著影響。磷酸二氫鈉的可溶性更強，更容易形成酸性環境，所以磷酸二氫鈉的加入加速了Mg2+在MgO顆粒表面的溶解，反過來又加速了的水化反應速度縮短了磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結時間。與未摻磷酸二氫鈉的磷酸鎂水泥凈漿相比，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四組凈漿凝結時間分別縮短了56.1%、79.2%、90.9%、91.9%。

2.2 抗折強度

圖2顯示了在﹣-10℃環境下，不同磷酸二氫鈉摻量對MPC試塊抗折強度的影響。

從圖2中可以看出，在未摻入磷酸二氫鈉時，SDP0試塊抗折強度呈現隨齡期的增加而增加的趨勢，2h抗折強度僅為1.6MPa，水化到3d后抗折強度增長到5.3MPa。相較于空白組SDP0，在摻入磷酸二氫鈉后，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四組試塊抗折強度隨齡期的增長呈現先增加后減小的趨勢，其中這四組試塊在養護齡期為1d時抗折強度最高，抗折強度分別為7.2MPa、7.6MPa、9.2MPa和8.1 MPa，相較于SDP0組的4.5 MPa，抗折強度分別提高60%、68.9%、104.4%和80%?？梢园l現，復合磷酸二氫鈉和磷酸二氫鉀可提高MPC的早期抗折強度，且說明復合磷酸鹽的比例和抗折強度提升有關，其中在各齡期下，SDP75組試件相較于其他四組試件抗折強度都為最高，說明磷酸二氫鈉替代量為75%時，對磷酸鎂水泥抗折強度增強效果最好。養護齡期為3d時SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四組試件較1d抗折強度略有下降，抗折強度分別降低4.3%、16.9%、2.2%和12.5%。

2.3 抗壓強度

圖3顯示了在﹣-10℃環境下，不同磷酸二氫鈉摻量對磷酸鎂水泥凈漿試塊抗壓強度的影響，結果表明，對于所有MPC試塊，隨著凝結時間的縮短，其抗壓強度都有不同程度的提高。相較于空白組SDP0，其試塊抗壓強度不隨齡期的增長而發生大幅度的改變，但在摻入磷酸二氫鈉的磷酸鎂水泥凈漿中，試塊的抗壓強度呈現出隨著磷酸二氫鈉含量的增加而增加的趨勢。其中，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四組試件的抗壓強度在養護齡期為1 d以前，強度持續增長，SDP100組試在養護1 d后強度增長幅度較小。

當SDP摻量超過50%時，MPC基質開始由磷酸鎂鉀基水泥向磷酸鎂鈉基水泥轉變，通過文獻[11]中SDP對MPC水化產物結構的研究，可以發現鈉型鳥糞石以非晶態出現。對于SDP100試件而言，其水化產物只有非晶態的鈉型鳥糞石，非晶態的鈉型鳥糞石可以填充空隙，細化孔隙結構，因此強度繼續增加，而在-10 ℃環境養護1 d，強度達到54.8MPa之后，其抗壓強度變化不明顯。當養護齡期延長至3 d時，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100組的抗壓強度分別為36.6、44.8、51.6和57.3 MPa。SDP25、SDP50、SDP75和SDP100組的抗壓強度比未加磷酸二氫鈉的SDP0組分別提高了215.5%、286.2%、344.8%和394%。這說明抗壓強度的提高與復合磷酸鹽（KDP和SDP）的比例有關，其中SDP100組強度的提高最大，說明在-10 ℃環境下，當磷酸二氫鈉完全替代磷酸二氫鉀時，MPC基材料的增強效果最好，但SDP100組凝結時間卻為最短，不足6min，不滿足于工程施工。

2.4 粘接強度

圖4為磷酸二氫鈉摻量對磷酸鎂水泥在-﹣10 ℃環境養護1d和4d粘接強度的影響。從圖4可見磷酸二氫鈉的摻量在0到～50%范圍內，粘接強度隨著磷酸二氫鈉含量的增加而增加，養護齡期為1d時SDP0、SDP25的粘接強度分別為1.7MPa和3.9MPa，SDP50的粘接強度最高為4.2MPa，與SDP0相比提高了147.1%，增幅較大。當磷酸二氫鈉摻量高于50%時，粘接強度開始下降，SDP75和SDP100粘接強度為3.2MPa和2.8MPa，較SDP50降低了23.8%和33.3%。養護齡期至4d時，SDP0、SDP25、SDP50、SDP75和SDP100五組試件的粘接強度也是呈現先增加后減小的趨勢，磷酸二氫鈉摻量為50%時達到峰值；SDP0、SDP25、SDP50、SDP75和SDP100五組試件粘接強度分別為2.3MPa、4.1MPa、4.5MPa、3.7MPa和3.5MPa，相較于1 d的五組試件分別提高了35.3%、5.1%、7.1%、15.6%和25%；從圖中可以看到，較養護1 d的試件而言，SDP25和SDP50組在養護4 d后，其粘接強度提高程度不明顯。

3 結論

（1）加入磷酸二氫鈉后，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結時間明顯縮短，當磷酸二氫鈉用量達到75%時，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結時間為6min 30s。當磷酸二氫鈉全部替代磷酸二氫鉀時，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結時間最短僅為5min 12s，說明用磷酸二氫鈉代替磷酸二氫鉀縮短了磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結時間。

（2）﹣-10℃環境下，當磷酸二氫鈉完全替代磷酸二氫鉀時，MPC基材料的增強效果最好，但SDP100組凝結時間卻為最短，不足6min，不滿足于工程施工。

（3）復合磷酸二氫鈉和磷酸二氫鉀可提高MPC的早期抗折強度，且說明復合磷酸鹽的比例和抗折強度提升有關.磷酸二氫鈉的摻量在0～50%，粘接強度隨著磷酸二氫鈉含量的增加而增加；當磷酸二氫鈉摻量高于50%時，粘接強度開始下降。

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