纤维对磷酸镁水泥性能的影响试验研究

姜自超，齐召庆

（后勤工程学院 化学与材料工程系，重庆 401311）

纤维对磷酸镁水泥性能的影响试验研究

姜自超，齐召庆

（后勤工程学院 化学与材料工程系，重庆 401311）

研究了掺入 0.5%～2.0%（体积分数，下同）聚丙烯纤维、玻璃纤维、微钢纤维对磷酸镁水泥流动度、凝结时间、抗折强度、抗压强度和耐磨性影响。结果表明：三种纤维均使磷酸镁水泥流动度减小，凝结时间缩短；聚丙烯纤维会使磷酸镁水泥的抗折强度、抗压强度和耐磨性均出现降低；玻璃纤维和微钢纤维可以增强磷酸镁水泥的抗折强度、抗压强度和耐磨性，其中以抗折强度的提高最为明显。三种纤维均不参与水化反应，对磷酸镁水泥性能的影响取决于物理作用。

磷酸镁水泥；纤维；性能影响

磷 酸 镁 水 泥 （ Magnesiumphosphate Cement, MPC）是由氧化镁、磷酸盐和缓凝剂等按一定比例混合，加水后通过酸碱中和反应得到的高度结晶的材料，与普通的硅酸盐水泥相比，它具有凝结硬化速度快、早期强度高、干燥收缩小、抗冻性能强等优点[1-4]。广泛应用于民用建筑和军事工程的抢修、放射性元素固化等领域[5-7]。

纤维的掺入能够有效的改善磷酸镁水泥的性能，丁铸[8]研究发现，聚乙烯醇纤维和玻璃纤维能够有效提高磷酸镁水泥基材料的韧性。苏柳铭[9]研究发现，掺入微钢纤维可以显著提升磷酸镁水泥砂浆的抗折性能和抗冲击性能。李悦等[10]研究发现，聚丙烯腈纤维会使磷酸镁水泥浆体流动度减小，并可以提高磷酸镁水泥抗折强度。课题组之前研究了平直型钢纤维对磷酸铵镁水泥砂浆耐磨性的影响[11]，试验结果表明，钢纤维可显著提高材料的抗磨性能，掺入 1%钢纤维，砂浆的磨损量可降低 50%以上。

本文采用重烧氧化镁和磷酸二氢钾为主要原料，研究不同掺量聚丙烯纤维、玻璃纤维、微钢纤维对磷酸镁水泥流动度、凝结时间、抗折强度、抗压强度和耐磨性的影响，并分析了产生影响的原因，为磷酸镁水泥的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 原材料

重烧氧化镁，MgO 含量 88.18%，比表面积为2 275 cm2/g，其化学成分如表 1所示。磷酸二氢钾，化学式为 KH2PO4，工业级，纯度≥99%，白色晶体。硼砂，化学式为 Na2B4O7·10H2O，白色晶体，工业级，含量≥95%。聚丙烯纤维（polypropylene fiber，PF）、玻璃纤维（glass fiber，GF）、微钢纤维（micro steel fiber，SF）外观及基本性能见表 2。

表1 重烧氧化镁的化学成分Table 1Chemical compositions of dead-burned magnesia

表 2 三种纤维的基本性能Table 2 Basicproperties of three kinds fibers

1.2 试验方法

制备试件时过烧氧化镁和磷酸二氢钾的质量比（M/P）为 4/1，水胶比为 0.12，硼砂掺量为氧化镁质量的 8%，并加入一定量纤维，试件浇筑成型 1h后脱模，置于温度(25±5)℃、相对湿度(65±5)%环境下养护至相应龄期。测试其抗折、抗压强度以及耐磨性。

参照 GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》测定流动度；凝结时间参照 GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》，使用维卡仪测定，由于磷酸镁水泥硬化速度快，使用初凝时间来表示其凝结时间；抗折、抗压强度的测定参照 GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》测定，试件尺寸为 40 mm×40 mm×160 mm，试件龄期为 1、3、7 和 28 d；耐磨性能的测定采用 TMS-04 型水泥胶砂耐磨性试验机，参照JC421-2004《水泥胶砂耐磨性试验方法》，试件尺寸为 150 mm×150 mm×30 mm，试件龄期分别为 1、3、7 和 28 d，耐磨试验时，先将试件在 200 N 负荷下预磨 30 转，取下试件扫尽粉粒称重，质量记为 g1，再将试件在 200 N 负荷下磨 40 转，取下试件扫尽粉粒称重，质量记为 g2。单位面积上的磨损量（kg/m2）：

G=（g1-g2）/0.0125

其中 g1、g2单位为 kg，0.0125 为磨损面积，单位为 m2。采用日本理学 6100 型 X 射线衍射仪进行物相分析，工作电压 35 kV，工作电流 60 mA，步宽 0.02°；采用 QUANTA FEG250 型扫描电子显微镜进行微观形貌分析。

2 试验结果与讨论

2.1 纤维对MPC流动度及凝结时间的影响

纤维的加入会对磷酸镁水泥的工作性能产生影响，掌握影响规律对实际应用具有指导意义。图 1（a）、（b）分别为三种纤维对磷酸镁水泥流动度和凝结时间的影响。

三种纤维对磷酸镁水泥工作性能的影响如图 1所示，由图 1（a）可以看出，掺入纤维减小了磷酸镁水泥净浆的流动度，聚丙烯纤维对流动度的影响最明显，掺入 2%后流动度下降了 37.5%。从图 1（b）可知，三种纤维的掺入都会缩短磷酸镁水泥的凝结时间，但缩短程度不大，对凝结时间的影响最大的聚丙烯纤维掺量为 2%时，相较于空白样凝结时间仅缩短了 9.7%。

图1 三种纤维对磷酸镁水泥工作性能的影响Fig.1Influence of three kinds of fiber on the workability of MPC

2.2 纤维对MPC抗折强度的影响

图 2（a）、（b）、（c）分别为三种纤维对磷酸镁水泥抗折强度的影响。

图2 三种纤维对磷酸镁水泥抗折强度的影响Fig.2 Influence of three kinds of fiber on the flexural strength of MPC

从图 2（a）中可以发现，掺入聚丙烯纤维对磷酸镁水泥的抗折强度有负面影响，掺加了聚丙烯纤维的试样抗折强度均低于相同龄期的空白样，而且掺入聚丙烯纤维越多，抗折强度下降幅度越大；从图 2（b）中可以发现，掺入玻璃纤维可以提高磷酸镁水泥的抗折强度，当纤维掺量约为 1.5%时，对抗折强度的提升作用最为明显；由图 2（c）可知，微钢纤维也可以提高磷酸镁水泥的抗折强度，当微钢纤维掺量为 0.5%时，试样抗折强度和空白样相差不大，随着微钢纤维掺量继续增大，试样抗折强度明显提升，28 d 时，纤维掺量 2%试样的抗折强度比空白样高 59%。

2.3 纤维对磷酸镁水泥抗压强度的影响

图 3（a）、（b）、（c）分别为三种纤维对磷酸镁水泥抗压强度的影响。

图3 三种纤维对磷酸镁水泥抗压强度的影响Fig.3 Influence of three kinds of fiber on the compressive strength of MPC

从图（a）中可以发现，与抗折强度类似，掺入聚丙烯纤维试样抗压强度会降低，且掺量越大，抗压强度越低；从图（b）中可以发现，掺入玻璃纤维可以提高试样的抗压强度，在本试验选取的掺量中，掺量为 1%时试样的抗压强度较好；从图（c）中可以发现，微钢纤维对试样的抗压强度有明显的提升作用，提升幅度与纤维掺量呈正相关。

2.4 纤维对磷酸镁水泥耐磨性能的影响

图 4（a）、（b）、（c）分别为聚丙烯纤维、玻璃纤维、微钢纤维对磷酸镁水泥耐磨性的影响规律。

图4 聚丙烯纤维、玻璃纤维、微钢纤维对耐磨性的影响Fig.4 Influence ofpF、GF and SF on the abrasion resistance

由图 4（a）可以发现，磷酸镁水泥的耐磨性随着养护龄期的延长而增强，以空白样为例，其 3、7、28 d 的磨损量分别为 1d 磨损量的 56.1%、28.7%、21.1%，聚丙烯纤维的掺入对耐磨性有负面影响，随着聚丙烯纤维掺量的增加，磷酸镁水泥磨损量上升幅度增大，在 28 d 时掺量为 2%试件的磨损量达到空白样的 189%；从图 4（b）中可以发现，随着玻璃纤维掺入量的增加，磷酸镁水泥的耐磨性呈现先上升后减小的趋势，在本试验采用的配比中，当玻璃纤维掺量为 1%时磷酸镁水泥的耐磨性最好；从图 4（c）中可以发现，掺入微钢纤维后磷酸镁水泥的耐磨性有明显提高且随着掺量的提高水泥石的耐磨性也随之增强。

2.5 物相及微观形貌分析

对不同龄期的未掺纤维试样进行 XRD 分析，结果如图5所示。

从图5中可以看到，磷酸镁水泥的物相组成主要是氧化镁和水化产物六水磷酸钾镁（MgKPO4·6H2O，MKP），随着龄期的增长，水化产物 MKP的峰在增强，说明磷酸镁水泥凝结硬化之后 MKP 的结晶会继续发展。磷酸镁水泥与水拌合后，磷酸二氢钾迅速溶入水中形成弱酸性溶液，重烧氧化镁溶解于弱酸性溶液中产生 Mg2+，Mg2+与水分子形成[Mg(H2O)6]2+，[Mg(H2O)6]2+与 H2PO4-、PO43-、HPO42-和 K+发生反应，形成水化产物，这一过程可用以下反应（Ⅰ）描述[8,12]：

MgO + KH2PO4+ 5H2O → MgKPO4·6H2O （Ⅰ）聚丙烯纤维、玻璃纤维、微钢纤维均不会与参与反应。

图5 不同龄期磷酸镁水泥的X射线衍射图谱Fig.5 XRDpatterns of MPC at different ages

图 6（a）、（b）为掺加了聚丙烯纤维的磷酸镁水泥的微观形貌。

图6 掺入聚丙烯纤维的磷酸镁水泥的微观形貌Fig.6 Microstructure of MPC withpF

由上文可知，聚丙烯纤维对磷酸镁水泥的抗折强度、抗压强度、耐磨性均会会产生负面影响。聚丙烯纤维的强度较低，在外力作用下易变形、断裂，如图 6（a）中箭头处所指的聚丙烯纤维已经翘曲变形，而且聚丙烯纤维是一种疏水性材料，与磷酸镁水泥的结合性较差，如图 6（b）所示其表面光滑，并未有水泥附着。

图 7（a）、（b）为掺加了玻璃纤维的磷酸镁水泥的微观形貌。

图7 掺入玻璃纤维的磷酸镁水泥的微观形貌Fig.7 Microstructure of MPC with GF

玻璃纤维的直径是三种纤维最小的，在相同体积掺量的情况下，玻璃纤维的根数最多，在理想情况下，掺 1%玻璃纤维的 1cm3试块中均匀分布着2.8×105根玻璃纤维，从图 7 中也可以看出水泥石中玻璃纤维间距较小。能将细小块体的水泥石连接在一起，在外力作用下能够阻挡微裂纹的产生和发展，并能吸收和耗散能量，提高磷酸镁水泥的宏观力学性能，但随着玻璃纤维掺量的增加，会使水泥浆体流动度减小，浆体内的气体不易浮出，造成水泥石密实度下降，此外纤维间的缠绕层叠现象也会增加，这些因素对水泥石的力学性能造成负面影响。

图8为微钢纤维在磷酸镁水泥中的分布情况。

图8 微钢纤维在磷酸镁水泥中的分布情况Fig.8 Distribution of SF in MPC

从图8可以看到，微钢纤维与磷酸镁水泥结合紧密，且呈乱向分布。微钢纤维抗拉强度较高，能传递和分散应力并控制裂缝，适量掺加可以提高磷酸镁水泥的力学性能。

3 结 论

（1）聚丙烯纤维、玻璃纤维、微钢纤维都会减小磷酸镁水泥浆体的流动度、缩短凝结时间，且掺量越大趋势越明显。

（2）掺入聚丙烯纤维会使磷酸镁水泥的抗折强度、抗压强度和耐磨性均出现降低。

（3）玻璃纤维的掺入可以增强磷酸镁水泥的抗折强度、抗压强度和耐磨性，掺量为 1.5%时抗折强度提高幅度最大，掺量为 1.0%时抗压强度和耐磨性较好。

（4）掺入微钢纤维可以提升磷酸镁水泥的抗折强度、抗压强度和耐磨性，其中以抗折强度的提高幅度最大。

［1］汪宏涛, 曹巨辉. 军事工程用磷酸盐水泥材料研究[J]. 后勤工程学院学报, 2005, 21(1): 5-7.

［2］Ma Hong-yan, Xu Bi-wan, Liu Jun, et al. Effects of water content, magnesia-to-phosphate molar ratio and age onpore structure, strength andpermeability of magnesiumpotassiumphosphate cementpaste[J]. Materials & Design, 2014, 64(9):497-502.

［3］Farrington S A. Rapid setting, high early strength binders: US, US6136088 A[P]. 2000.

［4］Gardner L J, Bernal S A, Walling S A, et al. Characterisation of magnesiumpotassiumphosphate cements blended with fly ash and ground granulated blast furnace slag [J]. Cement & Concrete Research, 2015, 74:78-87.

［5］姜洪义, 梁波, 张联盟. MPB 超早强混凝土修补材料的研究[J]. 建筑材料学报, 2001, 4 (2): 196-198．

［6］Hipedinger N E, Scian A N, Aglietti E F. Magnesia–phosphate bond for cold-setting cordierite-based refractories[J]. Cement & Concrete Research, 2002, 32 (5): 675-682.

［7］Wagh A S, Strain R, Jeong S Y, et al. Stabilization of rocky flatspu-contaminated ash within chemically bondedphosphate ceramics[J]. Journal of Nuclear Materials, 1999, 265 (3): 295-307.

［8］Ding Z. Research of magnesiumphosphosilicate cement[J].proQuest Dissertations And Theses; Thesis, 2005．

［9］苏柳铭. 磷酸镁水泥纤维改性及其路面修补应用研究[D]. 重庆大学, 2012．

［10］李悦, 孙佳, 施同飞. 纤维改性磷酸镁水泥性能的研究[J]. 河北工业大学学报, 2014, 43 (6):1-4.

［11］汪宏涛, 钱觉时, 曹巨辉,等. 钢纤维增强磷酸镁水泥砂浆的性能与应用[J]. 建筑技术, 2006, 37(6):462-464．

［12］Chau C, Qiao F, Li Z. Microstructure of magnesiumpotassiumphosphatecement[J]. Constr Build Mater 2011,25:2911-2917．

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

重庆市自然科学基金项目，项目号：cstc2012jjB50009。

2016-09-07

姜自超（1990-），男，山东临沂人，在读硕士，研究方向： 磷酸镁水泥胶凝材料研究。E-mail：614327919@qq.com。