粉煤灰改性磷酸镁水泥的研究进展

易 峰

(西藏职业技术学院建筑工程学院，西藏 拉萨 850000)

粉煤灰改性磷酸镁水泥的研究进展

易 峰

(西藏职业技术学院建筑工程学院，西藏 拉萨 850000)

在综合国内外大量研究资料的基础上，介绍了粉煤灰改性磷酸镁水泥的改性机理，综述了粉煤灰对磷酸镁水泥工作性能、力学性能、粘结性能、耐水性能和耐久性的影响的研究进展,为粉煤灰改性磷酸镁水泥的研究提供相关依据。

磷酸镁水泥，粉煤灰，改性机理，研究进展

1 概述

磷酸镁水泥(Magnesium Phosphate Cement，MPC)是一种新型的、环境友好型无机胶凝材料。MPC一般由镁砂(重烧氧化镁)、可溶性磷酸盐、矿物掺和料、缓凝剂和水按照一定的比例混合在一起，进行搅拌后利用磷酸盐与镁砂迅速发生酸碱中和反应，生成具有较强黏度的无机胶凝材料[1]。因此，MPC又被称为化学结合陶瓷。MPC最先原材料中的磷酸盐为NH4H2PO4，因反应后会生成胺气对人体有害，因而目前MPC的研究、应用等采用的磷酸盐多为KH2PO4。MPC目前公认的水化反应过程为KH2PO4溶于水后生成的磷酸根与MgO在酸性溶液中电离出的Mg2+及水发生反应，生成称为鸟粪石的MgKPO4·6H2O(MKP)。已有的研究表明，MPC具有快凝早强、耐磨和体积稳定、干缩小等特性，并且对硅酸盐水泥混凝土具有很好的粘结性，可作为路面快速修补材料、有害反射物固化和用作FRP加固结构用无机胶等[2]。但众多研究也指出MPC存在以下缺点：1)成本高，价格为普通水泥的3倍以上；2)凝结速度较快，不利于施工；3)耐水性差、耐酸碱腐蚀性差。为改善MPC的这些性能，通常通过掺入有机或无机掺和料、优化配比或提高磷酸盐细度等方式进行，而其中掺入粉煤灰(Fly Ash，FA)是最为常用、最为有效的方法之一[3,4]。

2 改性机理

通常认为，粉煤灰在普通硅酸盐水泥混凝土中具有三大效应：形态效应、微集料效应和活性效应。但林玮等[5]研究指出，除三大效应外，粉煤灰在MPC中还存在吸附效应。形态效应是指粉煤灰微观状态下呈玻璃微珠状，而且吸水性较小，具有较强的润滑、滚动能力，拌和到MPC水泥中能大幅度提高水泥的流动性；微集料效应是指粉煤灰颗粒较细，能填补水泥石结构内部的孔隙和裂缝，使得MPC水泥石结构更加致密，适当粉煤灰的加入能提高MPC的多种性能；活性效应则是由于粉煤灰在氧化镁的激发下能和MPC生成Mg，Al，Si，P，K等元素组成的无定形产物，在一定程度上能提高MPC水泥石结构内部网络的整体性；形态效应则是粉煤灰在MPC中独有的一种效应，它是指粉煤灰具有吸附溶液中的磷酸根离子的能力，从而减缓了氧化镁与磷酸盐的反应，以致延缓了水化产物的形成和水化热的释放速度。粉煤灰在MPC中的四种效应同时存在、综合作用，随粉煤灰掺量的不同集中的体现在MPC各种性能的改变上[4]。

3 粉煤灰改性磷酸镁水泥的研究进展

3.1 粉煤灰对MPC流动性和凝结时间的影响

流动性和凝结时间是表征新拌水泥混凝土最重要的性能之一。微观下粉煤灰呈玻璃微珠态，具有滚动作用。陈兵等[6]研究了Ⅱ级粉煤灰改性MPC的流动性和凝结时间，结果发现在掺量40%以内时，MPC的流动性随粉煤灰掺量的增加而增加；超过40%时对MPC的流动性改善能力有限，MPC的流动性随粉煤灰掺量增加而减小。而MPC的凝结时间随粉煤灰的掺量增加而不断增加。李春梅等[4]认为粉煤灰掺量在20%以内能增加MPC的流动性，掺量20%以上时，MPC的流动性会随掺量的增加而减少，50%掺量时浆体失去流动度。而在不添加缓凝剂的情况下，随粉煤灰掺量增加到40%，MPC的凝结时间也随之接近翻了一番。王会新等[3]指出，在粉煤灰掺量40%以内，随粉煤灰掺量对MPC的流动度和凝结时间都有促进作用，只是对流动度的贡献呈先强后弱的趋势；而且在粉煤灰掺量达到40%时，MPC的凝结时间可达到26 min，能达到工程施工要求。综上可知：适度的粉煤灰掺量对MPC的流动度和凝结时间都有改善作用，但粉煤灰掺量过度可能会由于其吸水作用对MPC流动度起抑制作用。

3.2 粉煤灰对MPC力学性能的影响

粉煤灰属于火山灰质材料，具有一定潜在的活性；而且粉煤灰较细，具有填充水泥混凝土中的孔隙作用，但其也存在活性较低，水化较慢的特点。李国新等[7]指出，在同一龄期下，随粉煤灰掺量的增加，MPC砂浆抗压强度呈现先升高后降低的趋势，而掺量10%的粉煤灰改性MPC的抗压强度最高。李春梅等[4]则发现，在粉煤灰掺量较少的情况下，其微集料效应明显，能提高MPC的抗压强度；在掺量较高时，由于其与MPC浆体的结合能力较弱，会削弱MPC的抗压强度。而且粉煤灰的掺入，会降低MPC的抗折强度。Yue Li等[8]研究发现，在粉煤灰掺量为20%的情况下，虽然龄期3 d粉煤灰改性MPC的抗压强度低于不掺的MPC，但龄期28 d时，粉煤灰改性MPC的强度却高于不掺的。综上可知：粉煤灰掺量对MPC的抗压强度具有双重作用，掺量较小时微集料效应明显，增加MPC的抗压强度；掺量较高时，由于其活性较小，与MPC粘结力较小，分散作用明显，降低抗压强度。而粉煤灰的形态效应使得MPC内部结构颗粒间机械咬合力小，会降低MPC抗折强度。

3.3 粉煤灰对MPC粘结强度的影响

较强的粘结性是MPC相比波兰特水泥的一大优势，因而MPC常被认为可以和环氧树脂媲美的无机胶。任强等[9]研究表明，在MPC中单掺粉煤灰与磨细粉煤灰或二者等量混掺后，MPC的早期粘结强度会降低，后期粘结强度会逐步增长，28 d的粘结强度甚至能超过不掺粉煤灰的MPC，且复掺的效果更好；其原因主要是粉煤灰的火山灰活性效应使得MPC后期强度有所改善，复掺效果更好是由于协同作用使得微集料效应更明显。苏柳铭[10]发现，粉煤灰掺量20%时，MPC净浆与普通混凝土的粘结强度最好，3 d就有5 MPa；而掺量10%左右时，MPC的砂浆与普通混凝土粘结强度1 d就可达到10 MPa以上；究其原因，正是由于粉煤灰的三大效应增强了MPC与普通混凝土的粘结性能，特别是微集料效应使得MPC基体内部的过渡区更加密实，因而提高了粘结强度。

3.4 粉煤灰对MPC耐久性能的影响

1)耐水性能。MPC长期浸泡于水中会产生强度倒缩现象，即MPC存在耐水性差的特点，这严重限制其在工程上的应用范围。周序洋等[11]研究发现在MPC中掺入适当的粉煤灰并保持较高的氧化镁含量有利于增加MPC的耐水性。其机理部分在于粉煤灰和未反应的MgO颗粒能形成较好的颗粒级配，微集料作用明显，有利于MPC硬化后内部孔径变小且总孔隙率减少，从而提高了耐水性。吴占鹏[12]认为粉煤灰的加入MPC后，由于粉煤灰具有活性效应、微集料效应和形貌效应，使得MPC变得更加致密，粉煤灰与MKP相互搭接，减少了孔隙，阻止了孔隙和裂纹的扩展，阻碍了水分进入MPC内部，从而有效的增加了MPC的耐水性。

2)干缩性。林玮等[13]研究了不同粉煤灰掺量对MPC在不同龄期的干缩影响。结果表明，粉煤灰掺量达到40%的MPC相比不掺粉煤灰的MPC的收缩率减少了88%，即粉煤灰对抑制MPC具有重要作用。李九苏等[14]将10%的粉煤灰和10%的普通硅酸盐水泥复掺到MPC中，研究了MPC的90 d内的干缩性。结果发现MPC早期干缩较快、后期较慢，直到60 d后基本趋于稳定，且干缩小于25%，即复合掺量显著降低了MPC的干缩性。他们认为一方面是由于粉煤灰等的掺入，替换了部分磷酸盐和氧化镁，水化反应热相对减少，干缩量降低；另一方面粉煤灰后期和普通水泥的水化产物之一Ca(OH)2进一步反应，优化了内部结构，也一定程度减少了MPC的干缩。

3)抗腐蚀性。MPC材料虽然耐低碱度性能较强，但存在耐酸和耐强碱性能较差的缺点。其主要原因是酸能和MPC中主要物质MKP和氧化镁反应，生成可溶性物及二水石膏和铝酸镁沉淀；强碱能和MKP反应生成Mg(OH)2沉淀，也能和未反应的磷酸盐反应生成可溶性盐，最终形成疏松结构[15]。陈兵等[16]将用粉煤灰掺量为40%的MPC砂浆与普通MPC砂浆试样放入NaOH,HCl,NaCl,Na2SO4四种溶液中浸泡14 d和28 d，然后进行了力学性能测试和外观观察。结果表明，掺粉煤灰的MPC在酸碱溶液中浸泡28 d后性能较普通的MPC的外观情况较好，力学性能也下降较小；而两种材料耐NaCl和Na2SO4腐蚀能力都较强。甄树聪等[17]研究了未掺粉煤灰MPC和掺量10%粉煤灰MPC的抗氯离子渗透能力。试验结果发现，掺粉煤灰的MPC抗氯离子侵蚀能力明显好于未掺的。其原因在于粉煤灰的加入，不仅具有填补MPC内部裂缝和MPC水化产物反应生成新物质能力，还具有延缓MKP的生成速度作用，从而有效的减少了氯离子的渗透速度。

4)耐磨性。鉴于MPC在路面和飞机跑道快速修补具有较好的前景，那么耐磨性也应该是评价其总体性能的一个重要指标。汪宏涛等[18]研究了粉煤灰掺量对MPC的耐磨性的影响，试验发现，随粉煤灰掺量的增加，MPC的耐磨性逐渐降低。其原因可能在于粉煤灰不仅自身耐磨性能差，而且其吸附效应使得MPC水化产物形成较慢，影响了试样的内部结构网络的整体性。

4 结语

除耐磨性能外，粉煤灰的适量掺入对提高MPC水泥混凝土的工作性能、力学性能、粘结强度和耐久性能均有较大帮助；但粉煤灰掺量过大时(如超过40%)，MPC的各项性能均会在一定程度上下降，因而利用粉煤灰的大量掺入来降低MPC成本而又不使得其性能大幅度降低，有待进一步研究。此外，粉煤灰的掺入虽在一定程度上能提高MPC的耐腐蚀性，但提高的性能有限，还是无法与传统硅酸盐水泥相比，MPC的耐腐蚀性仍需深入研究解决。

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ResearchprogressonMagnesiumPhosphateCementwitflyash

YiFeng

(SchoolofArchitecture,TibetVocationalTechnicalCollege，Lasa850000,China)

Based on a large number of domestic and foreign research data, modified mechanism of Magnesium Phosphate Cement(MPC) with fly ash is introduced. Then, influence of flay ash on working performance, mechanical properties, bonding property, water resistance and durability of MPC are summarized. That provides the related basis for research on the MPC with fly ash.

Magnesium Phosphate Cement, fly ash, modified mechanism, research status

TU528

：A

1009-6825(2017)24-0113-03

2017-06-16

易 峰(1991- )，男，硕士，助教