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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：TQ177.5ThePreparationandmechanicalpropertiesofMagnesium-po
2、tassiumPhosphateCementQIUJian-hong(CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity.Fuzhou.Fujian350108,China)Abstract:Magnesium-potassiumPhosphateCementisanewhighearlystrengthcementitiousmaterial,whichcanbeusedasrepairingmaterialsinengineering.Influencesofratioofacidtobase(PM),contentchangeofborax(BM)and
3、ratioofwatertobinderonthecompressivestrengthwereinvestigatedthroughorthogonaltest.Theresultsshowthat,withthedecreaseofP/M,Compressivestrengthshowsatrendoffirstincreaseandthendecrease.WhentheP/Mforathirdtime,thecompressivestrengthisthehighest;WiththeincreaseofB/M,thecompressivestrengthdecreases;Witht
4、heincreaseofWater-cementratio,thecompressivestrengthdecreasesgradually.Keywords:Magnesium-potassiumPhosphateCement;compressivestrength;Influencefactors1前言传统的磷酸镁水泥(MPC)是由氧化镁、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
5、。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
6、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1MgO的化学成分/(%)Table1ChemicalcomponentofMgO(%)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（Na2B4O710比0,缩写成B）：工业级，Na2
7、BQ7IOHzO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1h内脱模，在室内空气中自然养护到3h后，在液压万能试验机上进行测定，加荷速率控制在0.51.0MPaZmin.2.3 试验配合比以P/M、水灰比、B/M
8、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正交试验因素水平表Table2Factorsandlevelsorthogonaltest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)Table3SchemeoforthogonaltestLg(45)因素水针
9、、P/M水灰比BM(%)空列空列11/20.1521121/20.1642231/20.1763341/20.1884451/30.1543461/30.1624371/30.1781281/30.1862191/40.15642101/40.16831111/40.17224121/40.18413131/50.15823141/50.16614151/50.17441161/50.182323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Table4Orthogonaltestresults因素水P/M水灰比BM
10、(%)凝结时间(min)3h抗压强度(MPa)11/20.1526.543.2221/20.1648.042.4331/20.1768.534.3241/20.18810.527.0851/30.1546.552.0561/30.1629.555.4371/30.17810.039.6181/30.1868.044.3591/40.1567.031.81101/40.16810.023.40111/40.17210.029.58121/40.1847.022.85131/50.1589.024.23141/50.1668.028.75151/50.1748.018.16161/50.18212
11、.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Table5Rangeanalysis因素水针、P/M水灰比BM(%)空列空列Kl36.7637.8335.0133.6132.28K247.8637.5033.8735.1531.42K326.9130.4230.8130.4034.21K420.7426.5228.5833.1234.37IR27.121L316.434.752.95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
12、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，KH
13、2PO4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
14、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 3.3B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，与胶凝材料的粘结力很小，成为试件中的薄弱区域，进一步造成试件强度的降低。4结论(1) P/M对抗压强度影响最大，其次是水灰比，最后是B/北磷酸钾镁水泥的最佳配比为：PM=13,水胶比为0.15,B/M=2%,(2)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。(3)磷酸钾镁水泥的抗压强度总体上是随着水灰比的增大而降低。(4)磷酸钾镁水泥的
