快硬磷酸镁水泥组成成分对抗压强度的影响

文/冯鹏 樊世隆 杨浩 龚正国

快硬磷酸镁水泥组成成分对抗压强度的影响

文/冯鹏 樊世隆 杨浩 龚正国

本文以磷酸镁水泥材料的28d抗压强度为考核指标，采用正交试验设计法进行实验。并采用极差分析法和方差分析软件分析了磷酸镁水泥材料的各组成成分对抗压强度的影响。结果表明，NH4H2PO4/MgO的质量比对28d磷酸镁水泥抗压强度的影响最大。

正交试验设计；磷酸镁水泥；抗压强度

引言

磷酸镁水泥（magnesium phosphate cement， MPC）是一种具有快凝快硬性能的气硬性胶凝材料。它出现于19世纪晚期，最初用于医学，现已在欧美等国大量应用于生物材料，工程修补，耐火材料等领域[1][2]。与普通硅酸盐水泥相比，磷酸镁水泥具有独特的性能，其主要优点为：（1）凝结时间短，初凝时间可控制在10分钟到半小时；（2）早期强度高，其1h抗压强度可达到35～45MPa；（3）水化反应释放大量热量，适于低温施工；（4）有较强耐磨性[2][3]。

汪宏涛[4][5]等人的研究结果表明，当磷酸二氢钾与氧化镁的质量比为 1∶4 时，磷酸镁水泥修补材料强度取得最大值，且随着缓凝剂掺量逐渐增大，该修补材料强度逐渐降低。高小建[6]认为10%的缓凝剂可使磷酸镁水泥的凝结时间控制在15分钟左右，适合于现场快速修补工程。

磷酸镁水泥通常由重烧氧化镁，磷酸盐和缓凝剂组成。本文采用正交试验法研究其组成成分对磷酸镁水泥28d抗压强度的影响。

1.试验材料与方法

1.1 试验材料

所用磷酸镁水泥由重烧氧化镁（MgO）、缓凝剂硼砂（Na2B4O7·10H2O）、磷酸二氢铵（NH4H2PO4）、磷酸二氢钾（KH2PO4）组成。

（1）重烧氧化镁由辽宁营口兴达冶金炉料经销处提供。由轻质氧化镁在1600℃温度下煅烧4小时制得，密度3420 kg/m3，工业级，纯度＞95.0%，主要成分见表1。

表1 重烧氧化镁组成

（2）硼砂、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾由天津北辰华科仪建筑材料销售中心提供，工业级，纯度＞95.0%。

1.2 试验方法

1.2.1 正交试验法

正交试验设计是利用规格化的正交表，有计划、有目的地安排试验方案并通过简单的运算分析试验结果，得出最优结果的一种科学方法[7]。正交试验法利用正交表的“均衡分散性”与“整齐可比性”的特点，既减少试验数量，又可使研究者较准确地得出各因素对材料性能影响程度。

表2 因素水平表

表3 L16(45)试验方案与试验结果

1.2.2 机械性能试验

机械性能试验参考国家标准《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671～1999），根据试验设计方案所示各成分比例制备磷酸镁水泥，加水搅拌后制备40mm×40mm×40mm尺寸的试件16组，每组6个，将磷酸镁水泥试件放入20±3℃，相对湿度50±10%的养护室中空气养护，1天后拆模。使用济南时代试金仪器有限公司的YAW～300C型压力试验机测定各试件28天龄期的抗压强度，并取平均值。加载速度2.5kN/s。

表4 试验结果的极差分析

2.试验结果与讨论

采用正交分析法，将MgO比表面积，NH4H2PO4，KH2PO4和硼砂作为因素，各取四水平确定各组成成分所占的比例。其因素水平表如表2所示。

根据因素水平表，选择L16（45）的正交表。其磷酸镁水泥材料的试验方案和试验结果如表3。水胶比为0.1。为了减少试验干扰因素，本试验未掺入ISO标准砂。试验结果如表3所示。

从16组结果直观来看，第3、7组的28d抗压强度分别达到70.9MPa和75.6MPa，是强度最高的两组试件。采用极差分析和方差分析两种方法分析试验结果，其极差分析如表4及图1。

图1 快硬磷酸镁水泥试件

由极差分析结果可知：

（1）从抗压强度的极差R值来看，C＞B＞A＞D，即影响抗压强度的主要因素为NH4H2PO4与重烧氧化镁的质量比，从各因素与28d抗压强度的关系趋势图上也可以得出不同NH4H2PO4与重烧氧化镁质量比的磷酸镁水泥波动幅度最大。采用正交设计助手软件得出的方差分析表如表5所示。

表5 方差分析

由方差分析结果可知，各因素影响抗压强度的主次顺序为C＞B＞A＞D，此结果与极差分析的结果一致。各因素的F比均小于F0.9（3，12），即各因素对强度影响不显著。

3.结论

基于以上试验结果，可得出以下试验结论：

（1）以28d抗压强度为判断指标，各因素影响抗压强度的主次顺序为NH4H2PO4掺量，硼砂掺量，重烧氧化镁比表面积，KH2PO4掺量。

（2）磷酸镁水泥是一种高强水泥，若磷酸镁水泥砂浆的配比合适，在空气养护下其28d抗压强度可达70MPa以上。

（作者单位：武警后勤学院）

[1]Gemma Mestres， Maria～Pau Ginebra. Novel magnesium phosphate cements with high early strength and antibacterial properties [J]. Acta Biomaterialia. 2011（7）：1853～1861.

[2]范诗建，杜骁，陈兵. 磷酸镁水泥在3D打印技术中的应用研究[J]. 新型建筑材料，2015（1）：1～4.

[3]汪宏涛，钱觉时，王建国. 磷酸镁水泥的研究进展[J]. 材料导报，2005（12）：46～47.

[4]汪宏涛.曹巨辉.军事工程用磷酸镁水泥材料研究[J].后勤工程学院学报. 2005（1）：5～7.

[5]齐召庆，汪宏涛，丁建华等. MgO细度对磷酸镁水泥性能的影响[J]. 后勤工程学院学报，2014（6）：50～54.

[6]高小建，杨英姿，邓红卫等. 灾后混凝土工程快速修补材料的研究[J]. 四川大学学报（工程科学版），2010（2）：40～45.

[7]田胜元，萧曰嵘.试验设计与数据处理[M].武汉：中国建筑工业出版社，2005：97～109.

武警后勤学院研究生科研创新课题（WHXKCX201511），武警后勤学院基础研究项目：CMA生物质灰对抢险救灾用磷酸盐水泥基修补材料的影响试验研究（WHJ201504）。