摘要：試驗(yàn)以磷酸二氫鉀替代磷酸二氫銨制備新型磷酸鎂水泥（Magnesium phosphate cement MPC）。研究了新型磷酸鎂水泥的凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度，并對(duì)該水泥的水化產(chǎn)物進(jìn)行分析。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著緩凝劑摻量的不斷增大，MPC的凝結(jié)時(shí)間不斷延長(zhǎng)，強(qiáng)度則逐漸降低；磷酸二氫鉀與氧化鎂比值（P/M）值為1：4時(shí)，MPC凈漿強(qiáng)度取得最大值，其2h抗壓強(qiáng)度達(dá)35MPa以上，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)80MPa以上；新型磷酸鎂水泥的水化產(chǎn)物有MgKPO4·6H2O、MgKPO4·H2O、Mg3(PO4) 2·4H2O, 其中以MgKPO4·6H2O為主。
關(guān)鍵詞：磷酸鎂水泥（MPC），磷酸二氫鉀，凝結(jié)時(shí)間，強(qiáng)度，水化產(chǎn)物
中圖分類號(hào)：TU528.518
0 前言
磷酸鎂水泥（Magnesium phosphate cement MPC）具有快凝快硬、高早期強(qiáng)度、高粘接強(qiáng)度、干縮變形小等優(yōu)良性能，非常適用于高速公路、機(jī)場(chǎng)跑道和市政主干道的快速修補(bǔ)，在軍事工程的搶修搶建及有害物質(zhì)的固化方面也有著廣闊的應(yīng)用前景[1，2,3]。然而目前制備磷酸鎂水泥所用的磷酸鹽原料主要是磷酸二氫銨，水化反應(yīng)過(guò)程中會(huì)釋放出刺激性的氨氣[4]。為解決該問(wèn)題，作者采用磷酸二氫鉀替代磷酸二氫銨來(lái)制備新型磷酸鎂水泥，并就該新型磷酸鎂水泥的性能及水化產(chǎn)物進(jìn)行了初步研究。
1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法
1.1 試驗(yàn)原材料
氧化鎂（MgO，縮寫為M），由菱鎂礦（MgCO3）經(jīng)工業(yè)窯爐于1500℃高溫煅燒后破碎而成，顏色為棕黃色，細(xì)度為2610cm2/g，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。
磷酸二氫鉀（KH2PO4，縮寫為P），化學(xué)純；硼砂（Na2B4O7·10H2O，縮寫為B），化學(xué)純。
1.2試驗(yàn)方法
凝結(jié)時(shí)間測(cè)定：采用維卡儀測(cè)定磷酸鎂水泥的凝結(jié)時(shí)間，由于MPC凝結(jié)速度太快，攪拌時(shí)間要控制在3分鐘之內(nèi)，初始階段每隔30秒鐘測(cè)一次，臨近初凝時(shí)每隔15秒鐘測(cè)一次。考慮到MPC水泥的初、終凝時(shí)間間隔很短，試驗(yàn)中主要測(cè)定初凝時(shí)間，并作為MPC的凝結(jié)時(shí)間。室內(nèi)溫度為20℃。
凈漿強(qiáng)度測(cè)定：原材料加水?dāng)嚢?分鐘后立即成型，試件尺寸為40mm×40mm×160mm，試件必須1h內(nèi)脫模，在室內(nèi)空氣中自然養(yǎng)護(hù)到2h、1d、3d、7d、28d測(cè)其抗折與抗壓強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2)℃。
微觀分析：將試樣養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，用無(wú)水乙醇終止水化，分別用于XRD分析。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 MPC的凝結(jié)時(shí)間
磷酸鎂水泥的水化反應(yīng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)以酸堿中和反應(yīng)為基礎(chǔ)的放熱過(guò)程，反應(yīng)放出的大量熱量會(huì)進(jìn)一步加快體系的反應(yīng)速度，若不使用緩凝劑，MPC一般在3分鐘內(nèi)就會(huì)迅速凝結(jié)硬化。
為獲得相對(duì)較長(zhǎng)的可操作時(shí)間（即初凝時(shí)間），制備MPC時(shí)必須摻入緩凝劑。本試驗(yàn)采用硼砂作為新型磷酸鎂水泥的緩凝劑，圖1給出的是硼砂摻量對(duì)MPC凝結(jié)時(shí)間的影響，P:M為1：4。
從圖1中可看到，隨著緩凝劑摻量（B/M）的增大，凝結(jié)時(shí)間隨著增加，表明硼砂仍可以有效延長(zhǎng)新型磷酸鎂水泥的凝結(jié)時(shí)間。
2.2 MPC的強(qiáng)度
試驗(yàn)同時(shí)考察了磷酸二氫鉀與氧化鎂質(zhì)量比值（P/M）對(duì)MPC強(qiáng)度的影響，緩凝劑硼砂與氧化鎂的質(zhì)量比（B/M）固定為5%，水固比為0.11，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。
從圖2和圖3中可以清楚地看出，P/M比值對(duì)MPC強(qiáng)度有較大的影響。P/M為1：4時(shí)試件強(qiáng)度最大，其2h抗壓強(qiáng)度達(dá)35MPa以上，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)80MPa以上。但當(dāng)P/M較大時(shí)（1：2或1：3）或P/M較小（1：6）時(shí)，強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率都有所降低，試件的最終強(qiáng)度也比較低。
試驗(yàn)還考察了緩凝劑對(duì)MPC水泥強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)P/M比值固定為1：4，水固比為0.11，硼砂摻量分別為氧化鎂質(zhì)量的2%、5%、8%、10%、15%，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。
從圖4和圖5種可以發(fā)現(xiàn)，隨著硼砂摻量的增加，MPC水泥早期強(qiáng)度迅速降低。在一定摻量范圍（不大于10%）情況下，硼砂摻量對(duì)后期強(qiáng)度的影響較小。試驗(yàn)結(jié)果還表明，用磷酸二氫鉀配制的新型MPC材料的早期強(qiáng)度同樣發(fā)展迅速，其強(qiáng)度基本上7天之前迅速增長(zhǎng)，之后發(fā)展緩慢。當(dāng)緩凝劑摻量達(dá)到15%時(shí)，各齡期強(qiáng)度都很小，28d抗壓強(qiáng)度僅為14.0 MPa，僅為摻量2%時(shí)2h抗壓強(qiáng)度的1/3。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，緩凝劑摻量過(guò)大（比如15%），試件成型會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的泌水分層現(xiàn)象。因此，在保證施工成型時(shí)間的前提下，應(yīng)盡量減少緩凝劑摻量。
2.3 MPC水化產(chǎn)物
圖6、圖 7和圖8分別是P/M 為1：4的MPC水泥原材料、MPC水化1d和MPC水化28d的XRD圖譜，水固比為0.11。
從圖6、圖7和圖8可以看出，MPC水泥中主要含有MgO和KH2PO4 兩種物質(zhì)，MPC水泥水化1d時(shí)，KH2PO4 的特征峰基本消失，同時(shí)有新的水化產(chǎn)物形成，這些水化分別是：MgKPO4·6H2O、MgKPO4·H2O、Mg3(PO4) 2·4H2O , 其中以MgKPO4·6H2O為主。MPC水化28d的水化產(chǎn)物與1d的水化產(chǎn)物種類基本一致，都是以MgKH2PO4·6H2O為主。從圖6和圖7中還可以看出，MPC水泥水化28d時(shí)體系中仍含有大量未參與水化的MgO，這部分MgO在體系中起到骨料增強(qiáng)作用，這也是P/M在1/4~1/5之間水泥凈漿強(qiáng)度要大于P/M為1/2和1/3的原因之一。當(dāng)然，過(guò)多的MgO（P/M=1:6）時(shí)，也會(huì)因?yàn)槟z結(jié)料相對(duì)不足而使強(qiáng)度降低。
3 結(jié)論
?。?）以磷酸二氫鉀、氧化鎂為主要原料同樣可以配制出快硬高強(qiáng)MPC水泥，且反應(yīng)過(guò)程中不會(huì)釋放氨氣。
?。?）為了獲得足夠的可操作時(shí)間，需要加入緩凝劑來(lái)調(diào)整新型MPC凝結(jié)時(shí)間，隨著硼砂摻量的不斷變大，MPC的凝結(jié)時(shí)間不斷延長(zhǎng)。
（3）當(dāng)P/M值范圍在1/4時(shí)，MPC凈漿強(qiáng)度取得最大值。緩凝劑摻量對(duì)MPC強(qiáng)度發(fā)展有重要影響，隨著緩凝劑摻量逐漸增大，MPC強(qiáng)度逐漸降低。
?。?） 以磷酸二氫鉀KH2PO4為原料制備MPC的水化產(chǎn)物有：MgKPO4·6H2O、MgKPO4·H2O、Mg3(PO4) 2·4H2O, 其中以MgKPO4·6H2O為主。
參考文獻(xiàn)：
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2 楊全兵,張樹(shù)青,楊錢榮,等. 新型超快硬磷酸鹽修補(bǔ)材料性能[J].混凝土與水泥制品,2000.4：8
3 E. Soude´e,J. Pe´ra. Influence of magnesia surface on the setting time of magnesia–phosphate cements[J]. Cement and Concrete Research,2002,32(1)：153
4 汪宏濤,錢覺(jué)時(shí),王建國(guó). 磷酸鎂水泥的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2005,19(12):46
作者簡(jiǎn)介：
汪宏濤，1974年9月生，男，河南蘭考人，后勤工程學(xué)院營(yíng)房管理與環(huán)境工程系，博士，講師。
通訊地址： （400041） 重慶市渝州路79號(hào)后勤工程學(xué)院野戰(zhàn)供水與環(huán)境實(shí)驗(yàn)中心 汪 宏濤
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