磷酸钾镁水泥的制备和力学性能研究.docx

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1、磷酸钾镁水泥的制备和力学性能研究丘建宏(福州大学土木工程学院，福建福州350108)摘要：磷酸钾镁水泥(MKPC)是一种新型的快硬早强胶凝材料，可以作为修补材料应用于工程修补中。 通过正交试验，研究了酸碱组分比例(P/M)、硼砂掺量(B/M)及水灰比对抗压强度的影响。研究结果表 明，随着P/M的减小，抗压强度呈先增大后减小的趋势，当P/M为1/3时抗压强度最高；随着B/M的增 加，抗压强度反而降低；随着水灰比的增加，抗压强度逐渐降低。关键字：磷酸钾镁水泥、抗压强度、影响因素中图分类号：TQ177.5The Preparation and mechanical properties of Mag

2、nesium-potassium Phosphate CementQIU Jian-hong(College of Civil Engineering, Fuzhou University. Fuzhou. Fujian 350108, China)Abstract: Magnesium-potassium Phosphate Cement is a new high early strength cementitious material, which can be used as repairing materials in engineering. Influences of ratio

3、 of acid to base(PM), content change of borax(BM) and ratio of water to binder on the compressive strength were investigated through orthogonal test. The results show that, with the decrease of P/M, Compressive strength shows a trend of first increase and then decrease. When the P/M for a third time

4、, the compressive strength is the highest; With the increase of B/M, the compressive strength decreases; With the increase of Water-cement ratio, the compressive strength decreases gradually.Keywords: Magnesium-potassium Phosphate Cement; compressive strength; Influence factors1前言传统的磷酸镁水泥(MPC)是由氧化镁、

5、磷酸二氢氨反应而得到，具有高早强、黏结力强、体积稳定 性好、抗冻融和盐冻、耐磨和护筋性好、环境温度适应性强、与纤维的相容性好等一系列优点，但其在成 型和水化反应时会释放出气味难闻的氨气，易造成使用设备的损坏，从环保角度考虑应该选择更合适的磷 酸盐代替磷酸二氢钺。WaSh首先以KH2PO4替代NH4H2PO4成功开发出性能更为优越的磷酸钾镁水泥，克 服了磷酸筱镁水泥在制备过程中释放氨气的缺点，并将其用作固核固废材料。磷酸钾镁水泥(MKPC)是由氧化镁粉、磷酸二氢钾、缓凝剂按一定比例配制而成，其水化反应实质 上是一个以酸碱中和反应为基础的放热反应。氧化镁粉是由菱镁矿(MgCo3)经锻烧而成，磷酸二

6、氢钾主要 为水化反应提供酸性环境和磷酸根离子。为使磷酸钾镁水泥具有充分的施工操作时间，缓凝剂也是必不可 少的组分，硼砂是目前使用最多的缓凝剂网。目前，针对MKPC的制备研究大致是从以下几方面着手：酸碱组分比例(P/M),硼砂掺量(B/M),水 灰比等，本文从MKPC的配比出发，通过正交试验研究了P/M、B/M和水灰比对抗压强度的影响，并探讨其 影响机理。2试验方案2.1原材料氧化镁粉(MgO,缩写成M)：由辽宁省海城市群利矿业有限公司生产，颜色为棕黄色，并经过高温 炉900的条件下燃烧l.5h而成，其化学成分见表Io表1 MgO的化学成分/(%)Table 1 Chemicalcomponen

7、tofMgO (%)MgOSiO2CaOAl2O3Fe2O3loss90.334.242.380.721.410.94磷酸二氢钾（KH2PO,缩写成P）：工业级，KH2PO4含量298%,由福州台江区品杰实验仪器有限 公司提供。硼砂（Na2B4O7 10比0,缩写成B）：工业级，Na2BQ7IOHzO含量295%,由辽宁省大石桥市兴 鹏复合配有限公司生产。2.2 试验方法2.2.1 凝结时间采用维卡仪测定MKPC的凝结时间，由于MKPC凝结速度太快，搅拌时间要控制在3分钟之内，初始阶 段每隔30秒钟测一次，临近初凝时每隔15秒钟测一次。考虑到MKPC水泥的初、终凝时间间隔很短，试验 中主要测定

8、初凝时间，并作为MKPC的凝结时间。2.2.2 抗压强度原材料加水搅拌3分钟后立即成型,试件尺寸为40mmx40mmxl60mm,试件必须1 h内脱模，在室内空 气中自然养护到3 h后，在液压万能试验机上进行测定，加荷速率控制在0.51.0 MPaZmin.2.3 试验配合比以P/M、水灰比、B/M三个因素作为正交试验的因子，在试探性试验的设计和结果的基础上，各因 子取四个不同水平，在可能的取值范围内，确定正交试验因素水平表（见表2）；采用四水平三因素Lw（45） 的正交表，以3h抗压强度为考核指标，来寻找磷酸钾镁水泥的最佳配比，试验正交方案见表3；其中空列 用来验算试验误差。表2正交试验因素

9、水平表Table 2 Factors and levels orthogonal test素 水P/M水灰比BM(%)空列空列11/20.1521121/30.1642231/40.1763341/50.18844表3正交试验方案L16(45)Table 3 Scheme of orthogonal test Lg (45)因素 水针、P/M水灰比BM(%)空列空列11/20.1521121/20.1642231/20.1763341/20.1884451/30.1543461/30.1624371/30.1781281/30.1862191/40.15642101/40.16831111/4

10、0.17224121/40.18413131/50.15823141/50.16614151/50.17441161/50.182323试验结果与分析3.1 正交试验结果在试探性试验的设计和结果的基础上，进行正交试验配合比试验。试验结果见表4。表4正交试验结果Table 4 Orthogonal test results因素 水P/M水灰比BM(%)凝结时间 (min)3h抗压强度 (MPa)11/20.1526.543.2221/20.1648.042.4331/20.1768.534.3241/20.18810.527.0851/30.1546.552.0561/30.1629.555.4

11、371/30.17810.039.6181/30.1868.044.3591/40.1567.031.81101/40.16810.023.40111/40.17210.029.58121/40.1847.022.85131/50.1589.024.23141/50.1668.028.75151/50.1748.018.16161/50.18212.511.813.2 抗压强度极差分析净浆3h抗压强度影响因素极差计算结果见表5o表5极差分析表Table 5 Range analysis因素 水针、P/M水灰比BM(%)空列空列Kl36.7637.8335.0133.6132.28K247.86

12、37.5033.8735.1531.42K326.9130.4230.8130.4034.21K420.7426.5228.5833.1234.37I R27.121L316.434.752.95由表5可以看出，P/M对抗压强度影响最大，其次是水灰比，最后是B/M。磷酸钾镁水泥的最佳配比 为：P/M = 1/3,水胶比为 0.15, BM= 2%O3.3 抗压强度影响因素分析3.3.1 P/M对抗压强度的影响由表5可得，P/M显著影响MKPC的强度，随着P/M的减小，抗压强度呈先增大后减小的趋势，当P/M 为“3时抗压强度最高。丁铸推断MKPC体系的水化反应机理如下：在MgO和KH2PO4与水

13、混合后，KH2PO4 迅速溶解形成酸性溶液，使MgO颗粒表面溶解出Mg?+,并反应形成MKP水化产物晶体，水化产物最先在 Mgo颗粒周围形成包裹层,并逐渐向MgO颗粒内层扩展,MgO颗粒的不断溶解使水化体系的碱度迅速提高， 当体系的PH大于7后，MKP开始结晶析出，晶体形状为棒状，容易相互搭接成网状结构，浆体凝结，水化 产物的不断增多使浆体密实，浆体最终硬化。当P/M过大时，KH2PO4比例过高，造成溶液内PH值降低和Mg?+浓度的相对降低，从而影响MKP的生 成；而且还可能导致水泥硬化后仍存在较多的KH2PO4晶体，其强度较低，若在水泥水化硬化后遇水还会溶 解，在水泥硬化体内形成孔洞，降低水

14、泥的强度。当P/M过小时，试件强度反而降低。这是由于MgO含量过高，同样会因为KH2PO4含量相对较少而影响 水化反应的接触点，从而无法生成足够的水化物填充在未参加反应的氧化镁颗粒之间，使强度降低。3.3.2 水灰比对抗压强度的影响由表5可得，MKPC的抗压强度总体上是随着水灰比的增大而降低，因为加水量过多，会导致孔隙率 增大，结构疏松，强度降低。但是过低的加水量在实际操作过程中会带来不便，凝结时间更短，而且净浆 也需要有一定的流动度以利于成型。3.3.3 3.3 B比对抗压强度的影响由表5可得，MKPC的抗压强度随着B/M的增大而降低。其原因在于：硼砂掺量增加后，硼砂对MgO 颗粒溶解的抑制作用增强，可造成Mg?+与磷酸根离子的接触几率降低，从而使反应速度降低，且随着硼砂 掺量的增加，这种抑制作用就越强，从而导致水泥强度越低。当硼砂掺量过大时，在水化早期的试件中还 会存在一些未来得及溶解的硼砂粒子，由于硼砂晶体表面光滑且强度很低，