玻璃粉对磷酸镁水泥耐水性的影响

不同于钙质水泥，磷酸镁水泥（MPC）具有凝结速度快，粘结强度高等优点，因此常用于市政道路修补及抢险救灾工程中。MPC的良好耐久性如耐磨性好，耐腐蚀性好，抗冻性良好等均使得MPC得到快速应用发展，但同时研究也发现MPC的耐水性较差，即在水养条件下，MPC的强度倒缩较为严重。李东旭的研究表明［1］，与空气养护相比，标准养护条件下和水养条件下，磷酸镁水泥净浆28d抗压强度分别降低了29.6%和44.2%。虽然在MPC的应用中可以尽量避免用在潮湿环境中，但是作为修补材料和抢险救灾工程中不可避免会遇到降水情况，而此时必定会对MPC耐久性和力学强度产生不良影响。因此研究MPC耐水性的改善方法具有现实意义。

MPC是一般由KH2PO4和MgO按一定比例混合配置而成，

其中KH2PO4主要提供酸性离子H+和，MgO提供碱性离子OH-和Mg2+，因此MPC的反应本质是酸碱中和反应，MPC强度的来源主要是反应后生成的磷酸钾镁（MKP）凝胶体。MKP的结构与磷酸铵镁（MgNH4PO4·6H2O）类似，均是四面体、MgO·6H2O八面体及络合而成的凝胶体结构。MKP凝胶的成核生成是在碱性环境条件下的，即pH＞7的时候，而且pH值对MKP的络合有直接影响。pH值越大，MKP的络合越快，若pH值减小，MKP的络合减慢且有溶解趋势，当浆体呈酸性时，MKP的溶解度进一步增大。因此，在水养条件下，MPC的浆体处于水条件下，而水的pH值是呈弱酸性的，当水渗透进入MPC浆体中后，会减小浆体内部的pH值，使得MKP凝胶逐步溶解随水流出，从而增大MPC浆体的内部孔隙率，强度下降，耐久性降低。

由MPC水化机理可知，MPC耐水性差的根本原因在于水化主要产物MKP的溶解，因此改善MPC耐水性的措施在于固化MKP，使MKP在水养条件下不会溶出，同时增大MPC浆体的密实度，减少水的渗透。目前常用的改善措施有掺加粉煤灰等无机矿物掺和料，改善浆体密实度，提高抗渗性；掺加聚合物乳液，改善其耐水性；优化MgO/KH2PO4（M/P）比值，研究表明，MPC中MgO所占的比例越高，MPC耐水性越好。Weil［2］研究表明，MgO在磷酸镁水泥浆体中若是过量的，则氧化镁为磷酸钾镁提供成核附着点，加快磷酸钾镁络合物的形成；但M/P比值过大，即氧化镁含量过高的话，反应过快，放热量过大，也不宜使用。

2011年，杨建明［3］的研究发现，水玻璃对MPC浆体有增稠作用，不仅可以增强浆体的抗渗性，还可以固化MKP络合物，阻止其溶出。水玻璃中含有SiO2-3，SiO2-3可以与MPC浆体中的PO43-及H+产生较强的缔合作用，增强MPC浆体的稠度，加强MKP胶粒之间的黏结，减小溶出。在磷酸镁水泥中添加的水玻璃的浓度越高，MPC浆体的稠度越大，胶体数量越多，形成的MPC水泥的密实度越大，水越难进入，即磷酸镁水泥耐水性越好。另一方面，MPC浆体中的Mg2+还会与水玻璃中的SiO2-3反应生成水化硅酸镁凝胶，水化硅酸镁凝胶不仅可以填充MPC浆体的孔隙，还可以包裹在MKP凝胶的表面，当MPC用在潮湿环境中时，可以适当阻止MKP凝胶的溶出。

粉煤灰在普通硅酸盐水泥砂浆及混凝土中发挥的活性效应及微集料填充效应均已得到证实，其活性效应均是由于粉煤灰中含有的无定形硅酸根。而林玮的研究［4］也已证实，把粉煤灰添加到磷酸镁水泥熟料中之后，在后期水化过程中，粉煤灰会表现出活性。粉煤灰与磷酸镁水泥反应后生成一种含有硅、磷、钾、镁的无定形化合物，此化合物中的钾、镁和磷元素来自于磷酸镁水泥，这就充分说明了粉煤灰与磷酸镁水泥会发生反应，粉煤灰会表现出活性。

玻璃的主要成分也是硅，而且是无定形的非晶态，这与粉煤灰的物质形态相似，同时，玻璃中的Ca/Si与粉煤灰的也相差不大，将玻璃磨细到一定程度的时候是否也会表现出火山灰活性。谢国帅［5］的研究表明玻璃在一定条件下的确能表现出火山灰活性，将其添加到普通硅酸盐水泥砂浆中能够改善其微观结构，提高其物理力学性能。但谢国帅的研究也表明，磨细的玻璃粉活性较低，在早期的水化过程中并不太能表现出来，其对水泥砂浆及混凝土的微观效应贡献主要是提供了水化硅酸钙凝胶的成核条件，而火山灰活性并没有产生明显影响。磨细的玻璃粉之所以能够改善水泥浆体的微观结构，除了其为水化产物提供了成核结晶的场所之外，还有其发挥的微颗粒填充效应。玻璃粉磨细的程度越高，其微颗粒填充效应越明显，但是颗粒越细，其成核场所的效应越弱，因此玻璃粉不是磨的越细越好，是存在一个最优细度，一般玻璃粉的粉磨时间为35min最佳。

要想发挥玻璃粉的火山性活性，单单依靠把玻璃磨细，其效果并不理想，而是需要采取一定的措施激发玻璃粉的火山灰活性。其常用的激发措施有物理活化、化学活化和复合活化。而文献表明采用高温高压可以有效提高粉煤灰的活性，相比于化学活化和复合活化，我们采取的是水热活化，即把经过粉磨的玻璃粉在蒸压条件下（125℃，1.1MPa）预处理，水热活化操作起来方面快捷，对试验环境要求低，操作仪器也采用常用蒸压仪器即可。除此之外，由于玻璃粉的钙硅比与化学组成与粉煤灰的类似，而粉煤灰之所以能表现出火山灰活性，主要是由于粉煤灰是由高温急剧冷却形成的具有活性的球形体，那么把玻璃粉经过蒸压处理可能也会表现出一定的火山灰活性。而试验表明经过蒸压处理确实可以提高玻璃粉的火山灰活性，但是蒸压时间不一样，玻璃粉的活性也不一样，但蒸压时间过长，玻璃粉的活性提高越明显。

玻璃中的SiO2是稳定存在的［SiO4］4-网络结构，活性不宜显现。在蒸压条件下，玻璃中的硅氧铝聚合物可以解体成为硅氧聚合物和铝氧聚合物，使SiO2和Al2O3的活性表现出来。当把经过蒸压活化的玻璃粉添加到磷酸镁水泥中之后，玻璃粉可以发挥出类似粉煤灰的火山灰活性。而试验也表明，添加了经过活化的玻璃粉之后，从SEM电镜照片中反映出MPC浆体的水化产物中水化硅酸镁的数量有所增加，证明经过蒸压处理的玻璃粉与MPC浆体中的Mg2+发生了反应，而添加活化的玻璃粉的MPC浆体的经过水浸泡之后的抗压强度比未经蒸压处理的玻璃粉的MPC浆体水浸泡后的抗压强度高，也表明了经过活化的玻璃粉与MPC的生成物可以固化MKP，阻止其溶出，从而提高MPC的耐水性。与此同时，磨细的玻璃粉还可以发挥其微集料填充效应，提高浆体的致密度，增强其抗渗性。

废玻璃在如今的城市建筑垃圾中所占的比例较大，现在对于废弃玻璃的处理多是填埋处理，但经过填埋的玻璃不宜被微生物分解，会造成环境极大的污染及造成土壤资源的浪费，因此研究玻璃的回收利用具有重要的现实意义。而在早期，建筑行业对于玻璃的回收利用主要集中在利用玻璃作为混凝土的骨料使用，但在之后的研究中发现使用玻璃作为骨料的时候，会有发生碱骨料反应的风险。而把经过处理的玻璃粉添加到MPC中正是要利用其活性，让其发生反应。因此，玻璃粉经过活化处理，添加到MPC中后，不仅可以有效提高其耐水性，强化MPC的性能，同时也可以利用固体垃圾——玻璃，响应绿色建筑的概念。

［1］杨建明，等.水玻璃对磷酸钾镁水泥性能的影响［J］.建筑材料学报，2011，14（2）：227-233.

［2］林玮，孙伟，李宗津.磷酸镁水泥中的粉煤灰效应研究［J］.建筑材料学报，2010，13（6）：716-721.

［3］刘数华，王磊，谢国帅，等.掺玻璃粉水泥净浆水化性能［J］.建筑材料学报，2015，18（1）：31-37.