高原环境下磷酸镁水泥的制备与性能研究

易 峰

西藏职业技术学院建筑工程学院，西藏 拉萨 850000

1 引言

磷酸镁水泥（magnesium phosphate cement，简称MPC）是一种近年来发展较为迅速的新型胶凝材料，目前主要由磷酸二氢钾和重烧镁砂作为主要原料，以硼砂、硼酸等为缓凝剂，粉煤灰等作为掺和料，最后加水搅拌而成。由于MPC制备过程基本处于零排放状态，因而是一种环保材料。它具有具有快凝早强、变形小、耐磨、且与混凝土的粘结性较高等优点，可目前在道路修补、建筑结构构件加固和有害物固化方面应用广泛［1］。

青藏高原环境具有海拔高、气压低、昼夜温差大、紫外线强和大风干燥等特点，且生态环境脆弱，自我恢复能力差，对建材的环保性要求极高［2］。MPC的诸多优点，均满足要求青藏高原环境的施工要求。但目前关于高原环境下磷酸镁水泥的基础性能研究未见报道。

本文以磷酸二氢钾和重烧氧化镁为MPC的基础材料，以粉煤灰为掺和料、硼砂为缓凝剂，加水混合搅拌后制备成了各类配合比的MPC。考察了高原环境下粉煤灰掺量、缓凝剂掺量和水灰比大小对MPC的初凝时间和抗压强度的影响。

2 实验

2.1 原材料

磷酸二氢钾和硼砂均采用成都市科龙化工生产的分析纯产品。镁砂采用重烧镁砂、粉煤灰为巩义市元亨净水材料厂生产的Ⅰ级粉煤灰，镁砂和粉煤灰的化学成分见表1。

表1 镁砂和粉煤灰化学成分 %

2.2 试件的制备与测试

2.2.1 试件的制备

（1）MPC的制备：A1～A5试件在保证磷酸盐和镁砂的质量比为1：1的基础上，硼砂的掺量均为占镁砂和磷酸盐质量和的10%，水灰比均为0.2，粉煤灰内掺的形式，掺量依次为0%、10%、20%、30%、40%；B1～B5试件在保证磷酸盐：镁砂：粉煤灰=1：1：0.5，和水灰比保持在0.2的基础上，缓凝剂硼砂的掺量依次占到镁砂和磷酸盐质量和的0%、4%、8%、12%、16%；C1～C4试件在保证磷酸盐：镁砂：粉煤灰=1：1：0.5，且硼砂的掺量均为占镁砂和磷酸盐质量和的12%的基础上，水灰比依次为：0.15、0.18、0.20、0.24。

（2）MPC的制备流程为：先将磷酸盐和缓凝剂加入水中充分溶解后，在依次加入粉煤灰和镁砂，在水泥胶砂搅拌机中先慢速搅拌30s，然后再快速搅拌90s后，最后在4cm×4cm×4cm钢模具中成型；养护条件为成型1h后拆模，再置于西藏拉萨市（海拔3650m）的室内自然养护，养护温度控制在18～22℃。

2.2.2 试件的测试方法

（1）凝结时间测试方法：采用《GBT1346-2011水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行凝结时间测定，由于影响施工过程的主要为初凝时间，故本次试验只测定水泥的初凝时间。

（2）抗压性能测试：采用水泥抗折抗压试验机进行抗压试验。

2.2.3 试验仪器

主要为水泥砂浆搅拌机、水泥抗折抗压试验机和维卡仪。

3 试验结果与分析

3.1 粉煤灰掺量对MPC基本性能的影响

表2中展示了不同粉煤灰掺量对MPC凝结时间和强度的影响。从表中可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，MPC的凝结时间和各龄期的抗压强度均呈现先增加、后减少的趋势。其中粉煤灰掺量为20%时，MPC的凝结时间最大，28d抗压强度值也最高，分别达到了33min和52.7MPa。其原因在于，粉煤灰掺量较少时，由于粉煤灰具有的“滚珠效用”和“微集料效应”可分别增大MPC的流动性和填充了胶凝材料的内部孔隙，并阻碍了磷酸盐和氧化镁的接触面积［3］。从而延缓了MPC的凝结时间，并增强了MPC的28d抗压强度；当粉煤灰掺量过高时，由于粉煤灰的比表面积较大，单位质量吸水量大，在水灰比一定的情况下，MPC的流动性降低，磷酸盐和氧化镁反应不完全，因而凝结时间变短，且强度下降。

表2 粉煤灰掺量对MPC凝结时间和强度的影响

3.2 缓凝剂掺量对MPC基本性能的影响

表3 缓凝剂掺量对MPC凝结时间和强度的影响

硼砂作为MPC最为有效的缓凝剂之一，能有效延长MPC水泥浆体的凝结时间，但同时也在一定程度上会损害MPC的强度，特别是早期强度。其原因在于硼砂具有一定的减水作用［4］。因而控制MPC缓凝剂的掺量是极为重要的。不同缓凝剂掺量对MPC凝结时间和强度的影响，如表3所示。从表中可以看出，但硼砂的掺量在12%时，MPC的凝结时间可达到38min，28d抗压强度也可达到51.1MPa，既可以满足施工要求，强度也不至降低太多。

3.3 水灰比大小对MPC基本性能的影响

不同水灰比对MPC凝结时间和强度的影响如表4所示。从表中数据可以看出，在其他原材料和缓凝剂掺量不变的情况下，随水灰比的增加，MPC的凝结时间逐步增加，但水灰比过小或大均不利于MPC强度的发展，其中水灰比在0.18～0.21之间时，可以使得MPC获得较高的强度。其原因在于水灰比较小时，MPC的流动性较差，无法搅拌均匀，内部缺陷较多，不利于强度发展；而水灰比过大时，过多的水无法参与反应，会在MPC胶凝材料结构内部形成过多孔隙，从而也降低了MPC最终的强度［5］。此外，高原环境下，气压较低、空气干燥，MPC中的水分散失较快，其后期反应所需的水分不足，也容易导致后期强度增长较慢的情况产生。

表4 水灰比大小对MPC凝结时间和强度的影响

综上可知，高原环境下，MPC的基本物理和力学性能受到粉煤灰掺量、缓凝剂掺量及水灰比的影响。只有适宜的粉煤灰、缓凝剂掺量和合适水灰比的MPC配比，才能获得良好的工作性能和力学性能。

4 结论

（1）在磷酸盐和镁砂质量比控制在1：1的情况下，粉煤灰掺量在20%左右、缓凝剂的掺量在8%～12%范围、水灰比控制在0.18～0.21之间时，MPC能获得较好的初凝时间和力学性能；

（2）青藏高原低气压、低含氧量和干燥的环境下，MPC的水分散失较快，会导致MPC后期强度增长较慢，其影响力有多强，仍需进一步研究。