馮虎，趙曉聰，高丹盈，趙軍

（鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引言

磷酸鎂水泥（Magnesium Phosphate Cement，簡稱 MPC）是一種新型高性能建筑材料，一般由重?zé)趸V和磷酸鹽配制而成，相對普通硅酸鹽水泥而言，具有以下顯著優(yōu)點：凝結(jié)快、早強、低溫下可水化（-20℃）、耐高溫、粘結(jié)強度高和施工方便等優(yōu)點，特別適用于市政道路、公路路面、橋面、機場跑道和碼頭等快速修復(fù)和加固。20世紀(jì)50年代開始用做建筑材料，美國Brookhaven國家實驗室[1]通過磷酸二氫銨和氧化鎂配制了磷酸銨鎂膠凝材料，用于路面快速修復(fù)，并對其水化機理和水化產(chǎn)物進行了研究。之后，有大量文獻圍繞磷酸鎂水泥的制備、耐水性、緩凝劑以及摻入粉煤灰和硅粉的影響等方面展開了研究。前期研究表明，磷酸鎂水泥的性能主要受氧化鎂與磷酸鹽摩爾比（M/P）、氧化鎂顆粒活性、緩凝劑種類和摻量、水摻量和環(huán)境溫度等方面的影響[2-6]。緩凝劑方面，楊建明等[7]通過添加十二水合磷酸氫二鈉來改良力學(xué)性能和控制凝結(jié)時間；段新勇等[8]還研發(fā)了復(fù)合緩凝劑。Zheng和李九蘇等[9-10]研究了磷酸鎂水泥和磷酸鎂水泥混凝土的耐水性和耐久性能。楊楠[11]研究了磷酸鎂水泥的粘結(jié)性能，結(jié)果表明，鋼纖維與磷酸鎂水泥基體的粘結(jié)強度顯著高于普通硅酸鹽水泥。

相對于普通鋼纖維，微細(xì)鋼纖維抗拉強度更高、單位摻量下根數(shù)更多、在基體中分布更加均勻，因此其增強、增韌效果更加顯著[12]，活性粉末混凝土為了實現(xiàn)超高強度，普遍采用微細(xì)鋼纖維進行增強，文獻[13-14]也基于此特性，配制了高強和快硬的高性能混凝土，開展了力學(xué)性能試驗研究。

基于磷酸鎂水泥優(yōu)異特性以及微細(xì)鋼纖維對脆性水泥基材料優(yōu)異改性作用，本文配制了微細(xì)鋼纖維磷酸鎂水泥砂漿，通過分別單摻硼砂和復(fù)合緩凝劑，研究砂灰比、水灰比和纖維摻量在不同齡期下微細(xì)鋼纖維磷酸鎂水泥砂漿的力學(xué)性能，并與快硬硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥對比，分析微細(xì)鋼纖維對不同水泥基體的增強增韌效果。

1 試驗

1.1 原材料

氧化鎂（M）：重?zé)V砂，粒度325目，MgO含量92%，新密市正陽鑄造材料廠提供。磷酸二氫鉀（P）：白色結(jié)晶性粉末，相對密度2.338，熔點252.6℃，工業(yè)級，純度98%，粒度80目，吳江市偉通化工有限公司生產(chǎn)。緩凝劑：硼砂（B），工業(yè)級，粒度80～100目，純度95%，遼寧硼達科技有限公司生產(chǎn)；復(fù)合緩凝劑（CR），由硼砂、氯化鈣和十二水合磷酸氫二鈉復(fù)合而成。氯化鈣：分析純，純度≥96.0%。十二水合磷酸氫二鈉（Na2HPO4·12H2O）：結(jié)晶狀，分析純，純度≥99.0%，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。砂：天然中細(xì)河砂，細(xì)度模數(shù)2.06。P·O42.5水泥：河南孟電集團水泥有限公司提供；42.5級硫鋁酸鹽水泥：安達特種水泥有限公司提供。鋼纖維：微細(xì)端鉤型鋼纖維，上海真強纖維有限公司提供，形狀見圖1，規(guī)格參數(shù)見表1。

圖1 微細(xì)鋼纖維形貌

表1 微細(xì)鋼纖維參數(shù)

1.2 物料配比

試驗中固定磷酸鎂水泥（MPC）組分，即氧化鎂和磷酸二氫鉀的摩爾比（M/P）固定為4，分別采用硼砂（B）和復(fù)合緩凝劑（CR），復(fù)合緩凝劑為硼砂、十二水合磷酸氫二鈉和氯化鈣質(zhì)量比 1∶3∶1 的混合物[9]。砂灰比（S/C）為砂與磷酸鎂水泥的質(zhì)量比，水灰比（W/C）為水與磷酸鎂水泥的質(zhì)量比，纖維摻量為體積摻量，緩凝劑摻量按占氧化鎂質(zhì)量計。

為了分析微細(xì)鋼纖維對不同水泥基體的增強效果，本文還進行了快硬硫鋁酸鹽水泥（SAC）和普通硅酸鹽水泥（OPC）微細(xì)鋼纖維砂漿的強度對比試驗。3種砂漿的砂灰比均為1.0，MPC的水灰比為0.16，摻9%復(fù)合緩凝劑；OPC的水灰比為0.34，SAC的水灰比為0.36，未摻緩凝劑。

1.3 試塊制作

原材料的投放順序為：將固體顆粒按配合比稱量后倒入攪拌鍋低速攪拌混勻，然后，緩慢添加微細(xì)鋼纖維并保持低速攪拌，最后加水?dāng)嚢?。將攪拌好的漿體迅速澆筑到40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)鋼模中，置于振動臺上振動，用刮刀壓實抹平。采用磷酸鎂水泥、硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的試塊分別在澆筑成型30 min、3 h和6 h后脫模，置于室內(nèi)養(yǎng)護（室溫18～22℃，相對濕度50%）。

1.4 測試方法和儀器

抗壓和抗折強度測試：根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行，每組3個試件，試件尺寸40 mm×40 mm×160 mm，抗折強度測試后的斷塊在受壓面積為40 mm×40 mm的壓頭下進行抗壓試驗。微細(xì)鋼纖維磷酸鎂水泥砂漿試塊測試了養(yǎng)護齡期6 h、12 h、l d、3 d和7 d的抗壓和抗折強度。普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的試塊只測試了7 d齡期的抗壓強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 摻加復(fù)合緩凝劑MPC的力學(xué)性能

2.1.1 砂灰比的影響

水灰比為0.18，微細(xì)鋼纖維摻量為1.2%，復(fù)合緩凝劑摻量為9%時，不同砂灰比下MPC各齡期的抗壓、抗折強度試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，各組試件的抗壓強度隨齡期的延長發(fā)展很快，1 d齡期時強度可達7 d齡期的70.8%～89.6%。砂灰比過大時（S/C=1.2），膠凝物生成量不足以充分包裹細(xì)骨料和鋼纖維，同時，拌合物的工作性能變差，抗壓強度有下降的趨勢；砂灰比太小時（S/C=0.8），砂用量偏少，沒有充分發(fā)揮砂的骨料作用，同時在拌合、澆筑過程中發(fā)現(xiàn)拌合物流動性較大，實際用水量可能已經(jīng)超過理論需水量，導(dǎo)致其抗壓強度在早齡期時小于砂灰比為1.0的情況。各齡期下抗折強度隨砂灰比的變化規(guī)律與抗壓強度類似。

圖2 砂灰比對MPC各齡期強度的影響

2.1.2 水灰比的影響

砂灰比為1.0，微細(xì)鋼纖維摻量為1.2%，復(fù)合緩凝劑摻量為9%時，不同水灰比下MPC各齡期的抗壓、抗折強度試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 水灰比對MPC各齡期強度的影響

由圖3可見，各組試件的抗壓強度隨齡期延長發(fā)展迅速，1 d齡期時強度可達7 d齡期的72.5%～80.5%；抗壓強度隨著水灰比的增大而先提高后降低，在水灰比為0.16時達到最大，即砂灰比1.0時，水灰比在0.16達到最優(yōu)。當(dāng)水灰比為0.14時，實際用水量偏少，造成拌合不均勻，水化產(chǎn)物對砂和纖維包裹不均勻，因而強度反而比水灰比0.16低；水灰比為0.18時，實際用水量偏大，過量水使得早期強度發(fā)展較慢，后期水分蒸發(fā)導(dǎo)致試塊內(nèi)部孔隙率增加，進而削弱了強度。各水灰比下抗折強度隨著齡期延長逐漸提高，其中3 d齡期以內(nèi)，增加尤為迅速；隨著水灰比的增大，早期抗折強度無太大差別，但后期抗折強度整體先提高后降低，原因與抗壓強度變化類似。

2.1.3 微細(xì)鋼纖維摻量的影響

砂灰比為1.0，水灰比為0.16，復(fù)合緩凝劑摻量為9%時，不同微細(xì)鋼纖維摻量下MPC各齡期的抗壓、抗折強度試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 摻復(fù)合緩凝劑時微細(xì)鋼纖維摻量對MPC強度的影響

由圖4可見，各微細(xì)鋼纖維摻量下MPC的抗壓強度隨齡期的延長迅速提高，6 h抗壓強度最高為37.3 MPa，達到7 d的66.4%；1 d抗壓強度達到7 d的80%～83%。各齡期抗壓強度隨微細(xì)鋼纖維摻量增加而提高，與不摻微細(xì)鋼纖維的相比，7 d齡期時增幅達70%，短齡期時增幅更大。磷酸鎂水泥水化產(chǎn)物與鋼纖維的粘結(jié)強度顯著優(yōu)于普通硅酸鹽水泥[11]，同時，微細(xì)鋼纖維相同摻量下較普通鋼纖維具有更多的根數(shù)，因此微細(xì)鋼纖維對于提高磷酸鎂水泥砂漿抗壓強度的效果顯著。

各微細(xì)鋼纖維摻量下MPC的抗折強度隨齡期延長而提高，3 d內(nèi)增長迅速，3 d達到7 d強度的87%～97%。各齡期抗折強度隨微細(xì)鋼纖維摻量的增加而提高，與不摻微細(xì)鋼纖維的相比，最大增幅可達297%，微細(xì)鋼纖維對于提高磷酸鎂水泥砂漿抗折強度的效果較抗壓強度更為顯著。

2.2 緩凝劑類型對MPC力學(xué)性能的影響

2.2.1 摻硼砂緩凝劑試樣的力學(xué)性能

砂灰比為0.8，水灰比為0.16，硼砂緩凝劑摻量為6%時，不同微細(xì)鋼纖維摻量下MPC各齡期的抗壓、抗折強度試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 摻硼砂緩凝劑時微細(xì)鋼纖維摻量對MPC強度的影響

由圖5可見，隨著齡期的延長，各微細(xì)鋼纖維摻量下MPC的抗壓強度均顯著提高，早強特性明顯，1 d強度達到7 d的62.2%～75.5%。隨著微細(xì)鋼纖維摻量的增加，各齡期下的抗壓強度逐漸提高，摻量在0.8%以內(nèi)時增加顯著，超過0.8%后增幅減小。與不摻微細(xì)鋼纖維的相比，微細(xì)鋼纖維摻量為1.6%時7d抗壓強度可提高53%。強度整體略高于摻復(fù)合緩凝劑的情況，復(fù)合緩凝劑相對硼砂進一步減緩了磷酸鎂水泥的水化反應(yīng)，早齡期強度較摻硼砂的有所降低，有文獻表明[8]，7 d以后摻2類緩凝劑的強度趨于一致。

隨齡期延長，各微細(xì)鋼纖維摻量下MPC的抗折強度逐漸提高，1 d以內(nèi)時增加迅速，1 d達到7 d強度的80%～89%；隨微細(xì)鋼纖維摻量的增加各齡期抗折強度也逐漸提高，且提高幅度較抗壓強度更加顯著，與不摻微細(xì)鋼纖維相比，微細(xì)鋼纖維摻量為1.6%時，抗折強度最大可提高216%。

2.2.2 采用不同緩凝劑的試塊強度對比分析

為了進一步分析2類緩凝劑的不同效果，對水灰比為0.16、砂灰比為1.0、纖維摻量為0.8%、分別摻6%硼酸和9%復(fù)合緩凝劑的試件（記為B-0.8%和CR-0.8%）以及水灰比為0.16、砂灰比為0.8、纖維摻量為1.2%，分別摻6%硼酸和9%復(fù)合緩凝劑的試件（記為B-1.2%和CR-1.2%）折壓比進行分析，結(jié)果見圖6。

圖6 緩凝劑對MPC折壓比的影響

由圖6可見，相同緩凝劑時微細(xì)鋼纖維摻量1.2%的折壓比在長齡期時高于微細(xì)鋼纖維摻量為0.8%的情況；復(fù)合緩凝劑時的折壓比顯著高于單摻硼砂的情況，說明復(fù)合緩凝劑時微細(xì)鋼纖維對磷酸鎂水泥砂漿的韌性改良更加顯著。摻量合適的復(fù)合緩凝劑可以使磷酸鎂水泥水化產(chǎn)物（KMgPO4·6H2O）的晶粒減小，堆積緊密，微裂紋也得到了一定改善[9]，這些特征也將改良鋼纖維與基體的界面，進而使得微細(xì)鋼纖維增韌效果更加突出。

2.3 水泥類型對基體力學(xué)性能的影響（見圖7）

圖7 水泥類型對基體抗壓強度的影響

由圖7可見，3種水泥的基體抗壓強度都隨微細(xì)鋼纖維摻量的增加而顯著提高，說明微細(xì)鋼纖維的增強作用顯著。隨著鋼纖維摻量從0增加到1.6%，MPC、SAC和OPC三種水泥基體抗壓強度分別提高了69.8%、42.0%、26.0%，可見微細(xì)鋼纖維對MPC基體的增強效果最顯著。相對于SAC和OPC，MPC漿體在水化初期呈弱酸性，鋼纖維中的金屬離子部分溶出并與溶液中的磷酸鹽結(jié)合，纖維周圍形成相對致密的磷酸鹽保護膜即鈍化膜；界面過渡區(qū)的微缺陷及裂紋減少、密實度增加，并且，磷酸鎂水泥基體與鋼纖維的界面過渡區(qū)范圍更小、結(jié)構(gòu)更密實，磷酸鎂水泥水化產(chǎn)物能良好生長并橋接在基體與纖維之間，因此，磷酸鎂水泥基體與鋼纖維粘結(jié)性能更好。有研究表明[12]，鋼纖維與磷酸鎂水泥的粘結(jié)強度和纖維拔出耗能分別是與硅酸鹽水泥的1.96倍和1.66倍。良好的粘結(jié)性能帶來更顯著的增強效果。

3 結(jié)論

（1）由于磷酸鎂水泥的快速水化，在微細(xì)鋼纖維增強作用下，微細(xì)鋼纖維磷酸鎂水泥砂漿早強特性顯著，6 h抗壓強度可達37.3 MPa，是7 d強度的66.4%，適用于各類搶修工程。

（2）隨纖維摻量增加，微細(xì)鋼纖維磷酸鎂水泥砂漿的抗壓和抗折強度都顯著提高，抗折強度提高更加明顯。

（3）隨微細(xì)鋼纖維摻量的增加，MPC的折壓比逐漸增大，微細(xì)鋼纖維對于磷酸鎂水泥砂漿的韌性提高比較明顯。

（4）相對硼砂緩凝劑，摻量合適的復(fù)合緩凝劑改善了基體與鋼纖維的界面，隨纖維摻量的增加，折壓比顯著增大，鋼纖維的增韌效果更突出。