姜自超，齊召慶

（后勤工程學(xué)院 化學(xué)與材料工程系，重慶 401311）

纖維對(duì)磷酸鎂水泥性能的影響試驗(yàn)研究

姜自超，齊召慶

（后勤工程學(xué)院 化學(xué)與材料工程系，重慶 401311）

研究了摻入 0.5%～2.0%（體積分?jǐn)?shù)，下同）聚丙烯纖維、玻璃纖維、微鋼纖維對(duì)磷酸鎂水泥流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性影響。結(jié)果表明：三種纖維均使磷酸鎂水泥流動(dòng)度減小，凝結(jié)時(shí)間縮短；聚丙烯纖維會(huì)使磷酸鎂水泥的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性均出現(xiàn)降低；玻璃纖維和微鋼纖維可以增強(qiáng)磷酸鎂水泥的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性，其中以抗折強(qiáng)度的提高最為明顯。三種纖維均不參與水化反應(yīng)，對(duì)磷酸鎂水泥性能的影響取決于物理作用。

磷酸鎂水泥；纖維；性能影響

磷 酸 鎂 水 泥 （ Magnesiumphosphate Cement, MPC）是由氧化鎂、磷酸鹽和緩凝劑等按一定比例混合，加水后通過(guò)酸堿中和反應(yīng)得到的高度結(jié)晶的材料，與普通的硅酸鹽水泥相比，它具有凝結(jié)硬化速度快、早期強(qiáng)度高、干燥收縮小、抗凍性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。廣泛應(yīng)用于民用建筑和軍事工程的搶修、放射性元素固化等領(lǐng)域[5-7]。

纖維的摻入能夠有效的改善磷酸鎂水泥的性能，丁鑄[8]研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯醇纖維和玻璃纖維能夠有效提高磷酸鎂水泥基材料的韌性。蘇柳銘[9]研究發(fā)現(xiàn)，摻入微鋼纖維可以顯著提升磷酸鎂水泥砂漿的抗折性能和抗沖擊性能。李悅等[10]研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯腈纖維會(huì)使磷酸鎂水泥漿體流動(dòng)度減小，并可以提高磷酸鎂水泥抗折強(qiáng)度。課題組之前研究了平直型鋼纖維對(duì)磷酸銨鎂水泥砂漿耐磨性的影響[11]，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維可顯著提高材料的抗磨性能，摻入 1%鋼纖維，砂漿的磨損量可降低 50%以上。

本文采用重?zé)趸V和磷酸二氫鉀為主要原料，研究不同摻量聚丙烯纖維、玻璃纖維、微鋼纖維對(duì)磷酸鎂水泥流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性的影響，并分析了產(chǎn)生影響的原因，為磷酸鎂水泥的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

重?zé)趸V，MgO 含量 88.18%，比表面積為2 275 cm2/g，其化學(xué)成分如表 1所示。磷酸二氫鉀，化學(xué)式為 KH2PO4，工業(yè)級(jí)，純度≥99%，白色晶體。硼砂，化學(xué)式為 Na2B4O7·10H2O，白色晶體，工業(yè)級(jí)，含量≥95%。聚丙烯纖維（polypropylene fiber，PF）、玻璃纖維（glass fiber，GF）、微鋼纖維（micro steel fiber，SF）外觀及基本性能見(jiàn)表 2。

表1 重?zé)趸V的化學(xué)成分Table 1Chemical compositions of dead-burned magnesia

表 2 三種纖維的基本性能Table 2 Basicproperties of three kinds fibers

1.2 試驗(yàn)方法

制備試件時(shí)過(guò)燒氧化鎂和磷酸二氫鉀的質(zhì)量比（M/P）為 4/1，水膠比為 0.12，硼砂摻量為氧化鎂質(zhì)量的 8%，并加入一定量纖維，試件澆筑成型 1h后脫模，置于溫度(25±5)℃、相對(duì)濕度(65±5)%環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。測(cè)試其抗折、抗壓強(qiáng)度以及耐磨性。

參照 GB/T2419-2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》測(cè)定流動(dòng)度；凝結(jié)時(shí)間參照 GB/T1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》，使用維卡儀測(cè)定，由于磷酸鎂水泥硬化速度快，使用初凝時(shí)間來(lái)表示其凝結(jié)時(shí)間；抗折、抗壓強(qiáng)度的測(cè)定參照 GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》測(cè)定，試件尺寸為 40 mm×40 mm×160 mm，試件齡期為 1、3、7 和 28 d；耐磨性能的測(cè)定采用 TMS-04 型水泥膠砂耐磨性試驗(yàn)機(jī)，參照J(rèn)C421-2004《水泥膠砂耐磨性試驗(yàn)方法》，試件尺寸為 150 mm×150 mm×30 mm，試件齡期分別為 1、3、7 和 28 d，耐磨試驗(yàn)時(shí)，先將試件在 200 N 負(fù)荷下預(yù)磨 30 轉(zhuǎn)，取下試件掃盡粉粒稱重，質(zhì)量記為 g1，再將試件在 200 N 負(fù)荷下磨 40 轉(zhuǎn)，取下試件掃盡粉粒稱重，質(zhì)量記為 g2。單位面積上的磨損量（kg/m2）：

G=（g1-g2）/0.0125

其中 g1、g2單位為 kg，0.0125 為磨損面積，單位為 m2。采用日本理學(xué) 6100 型 X 射線衍射儀進(jìn)行物相分析，工作電壓 35 kV，工作電流 60 mA，步寬 0.02°；采用 QUANTA FEG250 型掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 纖維對(duì)MPC流動(dòng)度及凝結(jié)時(shí)間的影響

纖維的加入會(huì)對(duì)磷酸鎂水泥的工作性能產(chǎn)生影響，掌握影響規(guī)律對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。圖 1（a）、（b）分別為三種纖維對(duì)磷酸鎂水泥流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間的影響。

三種纖維對(duì)磷酸鎂水泥工作性能的影響如圖 1所示，由圖 1（a）可以看出，摻入纖維減小了磷酸鎂水泥凈漿的流動(dòng)度，聚丙烯纖維對(duì)流動(dòng)度的影響最明顯，摻入 2%后流動(dòng)度下降了 37.5%。從圖 1（b）可知，三種纖維的摻入都會(huì)縮短磷酸鎂水泥的凝結(jié)時(shí)間，但縮短程度不大，對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響最大的聚丙烯纖維摻量為 2%時(shí)，相較于空白樣凝結(jié)時(shí)間僅縮短了 9.7%。

圖1 三種纖維對(duì)磷酸鎂水泥工作性能的影響Fig.1Influence of three kinds of fiber on the workability of MPC

2.2 纖維對(duì)MPC抗折強(qiáng)度的影響

圖 2（a）、（b）、（c）分別為三種纖維對(duì)磷酸鎂水泥抗折強(qiáng)度的影響。

圖2 三種纖維對(duì)磷酸鎂水泥抗折強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of three kinds of fiber on the flexural strength of MPC

從圖 2（a）中可以發(fā)現(xiàn)，摻入聚丙烯纖維對(duì)磷酸鎂水泥的抗折強(qiáng)度有負(fù)面影響，摻加了聚丙烯纖維的試樣抗折強(qiáng)度均低于相同齡期的空白樣，而且摻入聚丙烯纖維越多，抗折強(qiáng)度下降幅度越大；從圖 2（b）中可以發(fā)現(xiàn)，摻入玻璃纖維可以提高磷酸鎂水泥的抗折強(qiáng)度，當(dāng)纖維摻量約為 1.5%時(shí)，對(duì)抗折強(qiáng)度的提升作用最為明顯；由圖 2（c）可知，微鋼纖維也可以提高磷酸鎂水泥的抗折強(qiáng)度，當(dāng)微鋼纖維摻量為 0.5%時(shí)，試樣抗折強(qiáng)度和空白樣相差不大，隨著微鋼纖維摻量繼續(xù)增大，試樣抗折強(qiáng)度明顯提升，28 d 時(shí)，纖維摻量 2%試樣的抗折強(qiáng)度比空白樣高 59%。

2.3 纖維對(duì)磷酸鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響

圖 3（a）、（b）、（c）分別為三種纖維對(duì)磷酸鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響。

圖3 三種纖維對(duì)磷酸鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of three kinds of fiber on the compressive strength of MPC

從圖（a）中可以發(fā)現(xiàn)，與抗折強(qiáng)度類似，摻入聚丙烯纖維試樣抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，且摻量越大，抗壓強(qiáng)度越低；從圖（b）中可以發(fā)現(xiàn)，摻入玻璃纖維可以提高試樣的抗壓強(qiáng)度，在本試驗(yàn)選取的摻量中，摻量為 1%時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度較好；從圖（c）中可以發(fā)現(xiàn)，微鋼纖維對(duì)試樣的抗壓強(qiáng)度有明顯的提升作用，提升幅度與纖維摻量呈正相關(guān)。

2.4 纖維對(duì)磷酸鎂水泥耐磨性能的影響

圖 4（a）、（b）、（c）分別為聚丙烯纖維、玻璃纖維、微鋼纖維對(duì)磷酸鎂水泥耐磨性的影響規(guī)律。

圖4 聚丙烯纖維、玻璃纖維、微鋼纖維對(duì)耐磨性的影響Fig.4 Influence ofpF、GF and SF on the abrasion resistance

由圖 4（a）可以發(fā)現(xiàn)，磷酸鎂水泥的耐磨性隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增強(qiáng)，以空白樣為例，其 3、7、28 d 的磨損量分別為 1d 磨損量的 56.1%、28.7%、21.1%，聚丙烯纖維的摻入對(duì)耐磨性有負(fù)面影響，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，磷酸鎂水泥磨損量上升幅度增大，在 28 d 時(shí)摻量為 2%試件的磨損量達(dá)到空白樣的 189%；從圖 4（b）中可以發(fā)現(xiàn)，隨著玻璃纖維摻入量的增加，磷酸鎂水泥的耐磨性呈現(xiàn)先上升后減小的趨勢(shì)，在本試驗(yàn)采用的配比中，當(dāng)玻璃纖維摻量為 1%時(shí)磷酸鎂水泥的耐磨性最好；從圖 4（c）中可以發(fā)現(xiàn)，摻入微鋼纖維后磷酸鎂水泥的耐磨性有明顯提高且隨著摻量的提高水泥石的耐磨性也隨之增強(qiáng)。

2.5 物相及微觀形貌分析

對(duì)不同齡期的未摻纖維試樣進(jìn)行 XRD 分析，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看到，磷酸鎂水泥的物相組成主要是氧化鎂和水化產(chǎn)物六水磷酸鉀鎂（MgKPO4·6H2O，MKP），隨著齡期的增長(zhǎng)，水化產(chǎn)物 MKP的峰在增強(qiáng)，說(shuō)明磷酸鎂水泥凝結(jié)硬化之后 MKP 的結(jié)晶會(huì)繼續(xù)發(fā)展。磷酸鎂水泥與水拌合后，磷酸二氫鉀迅速溶入水中形成弱酸性溶液，重?zé)趸V溶解于弱酸性溶液中產(chǎn)生 Mg2+，Mg2+與水分子形成[Mg(H2O)6]2+，[Mg(H2O)6]2+與 H2PO4-、PO43-、HPO42-和 K+發(fā)生反應(yīng)，形成水化產(chǎn)物，這一過(guò)程可用以下反應(yīng)（Ⅰ）描述[8,12]：

MgO + KH2PO4+ 5H2O → MgKPO4·6H2O （Ⅰ）聚丙烯纖維、玻璃纖維、微鋼纖維均不會(huì)與參與反應(yīng)。

圖5 不同齡期磷酸鎂水泥的X射線衍射圖譜Fig.5 XRDpatterns of MPC at different ages

圖 6（a）、（b）為摻加了聚丙烯纖維的磷酸鎂水泥的微觀形貌。

圖6 摻入聚丙烯纖維的磷酸鎂水泥的微觀形貌Fig.6 Microstructure of MPC withpF

由上文可知，聚丙烯纖維對(duì)磷酸鎂水泥的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、耐磨性均會(huì)會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。聚丙烯纖維的強(qiáng)度較低，在外力作用下易變形、斷裂，如圖 6（a）中箭頭處所指的聚丙烯纖維已經(jīng)翹曲變形，而且聚丙烯纖維是一種疏水性材料，與磷酸鎂水泥的結(jié)合性較差，如圖 6（b）所示其表面光滑，并未有水泥附著。

圖 7（a）、（b）為摻加了玻璃纖維的磷酸鎂水泥的微觀形貌。

圖7 摻入玻璃纖維的磷酸鎂水泥的微觀形貌Fig.7 Microstructure of MPC with GF

玻璃纖維的直徑是三種纖維最小的，在相同體積摻量的情況下，玻璃纖維的根數(shù)最多，在理想情況下，摻 1%玻璃纖維的 1cm3試塊中均勻分布著2.8×105根玻璃纖維，從圖 7 中也可以看出水泥石中玻璃纖維間距較小。能將細(xì)小塊體的水泥石連接在一起，在外力作用下能夠阻擋微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，并能吸收和耗散能量，提高磷酸鎂水泥的宏觀力學(xué)性能，但隨著玻璃纖維摻量的增加，會(huì)使水泥漿體流動(dòng)度減小，漿體內(nèi)的氣體不易浮出，造成水泥石密實(shí)度下降，此外纖維間的纏繞層疊現(xiàn)象也會(huì)增加，這些因素對(duì)水泥石的力學(xué)性能造成負(fù)面影響。

圖8為微鋼纖維在磷酸鎂水泥中的分布情況。

圖8 微鋼纖維在磷酸鎂水泥中的分布情況Fig.8 Distribution of SF in MPC

從圖8可以看到，微鋼纖維與磷酸鎂水泥結(jié)合緊密，且呈亂向分布。微鋼纖維抗拉強(qiáng)度較高，能傳遞和分散應(yīng)力并控制裂縫，適量摻加可以提高磷酸鎂水泥的力學(xué)性能。

3 結(jié) 論

（1）聚丙烯纖維、玻璃纖維、微鋼纖維都會(huì)減小磷酸鎂水泥漿體的流動(dòng)度、縮短凝結(jié)時(shí)間，且摻量越大趨勢(shì)越明顯。

（2）摻入聚丙烯纖維會(huì)使磷酸鎂水泥的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性均出現(xiàn)降低。

（3）玻璃纖維的摻入可以增強(qiáng)磷酸鎂水泥的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性，摻量為 1.5%時(shí)抗折強(qiáng)度提高幅度最大，摻量為 1.0%時(shí)抗壓強(qiáng)度和耐磨性較好。

（4）摻入微鋼纖維可以提升磷酸鎂水泥的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性，其中以抗折強(qiáng)度的提高幅度最大。

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Experimental Study on Effect of Fiber on theperformance of Magnesiumphosphate Cement (MPC)

JIANG Zi-chao, QI Zhao-qing
（Department of chemical and materials engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311，China）

The influence of adding 0.5%～2.0%(V)polypropylene fibers, glass fibers and micro steel fibers on the fluidity, setting time, flexural strength, compressive strength and wear resistance of magnesiumphosphate cement（MPC） were studied. The results show that the adding of three kinds of fibers can decrease the fluidity and shorten the setting time. Thepolypropylene fiber has negative effect on the flexural strength, compressive strength and wear resistance of MPC. The flexural strength, compressive strength and wear resistance of MPC can be enhanced by adding glass fibers or micro steel fibers, especially flexural strength. Three kinds of fibers are not involved in the hydration reaction, but thephysical action affects theperformance of MPC.

Magnesiumphosphate cement; Fiber; Influence mechanism

TU528

： A

： 1671-0460（2017）02-0215-04

重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：cstc2012jjB50009。

2016-09-07

姜自超（1990-），男，山東臨沂人，在讀碩士，研究方向： 磷酸鎂水泥膠凝材料研究。E-mail：614327919@qq.com。