微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆的基本力学性能

冯虎，赵晓聪，高丹盈，赵军

（郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001）

0 引言

磷酸镁水泥（Magnesium Phosphate Cement，简称 MPC）是一种新型高性能建筑材料，一般由重烧氧化镁和磷酸盐配制而成，相对普通硅酸盐水泥而言，具有以下显著优点：凝结快、早强、低温下可水化（-20℃）、耐高温、粘结强度高和施工方便等优点，特别适用于市政道路、公路路面、桥面、机场跑道和码头等快速修复和加固。20世纪50年代开始用做建筑材料，美国Brookhaven国家实验室[1]通过磷酸二氢铵和氧化镁配制了磷酸铵镁胶凝材料，用于路面快速修复，并对其水化机理和水化产物进行了研究。之后，有大量文献围绕磷酸镁水泥的制备、耐水性、缓凝剂以及掺入粉煤灰和硅粉的影响等方面展开了研究。前期研究表明，磷酸镁水泥的性能主要受氧化镁与磷酸盐摩尔比（M/P）、氧化镁颗粒活性、缓凝剂种类和掺量、水掺量和环境温度等方面的影响[2-6]。缓凝剂方面，杨建明等[7]通过添加十二水合磷酸氢二钠来改良力学性能和控制凝结时间；段新勇等[8]还研发了复合缓凝剂。Zheng和李九苏等[9-10]研究了磷酸镁水泥和磷酸镁水泥混凝土的耐水性和耐久性能。杨楠[11]研究了磷酸镁水泥的粘结性能，结果表明，钢纤维与磷酸镁水泥基体的粘结强度显著高于普通硅酸盐水泥。

相对于普通钢纤维，微细钢纤维抗拉强度更高、单位掺量下根数更多、在基体中分布更加均匀，因此其增强、增韧效果更加显著[12]，活性粉末混凝土为了实现超高强度，普遍采用微细钢纤维进行增强，文献[13-14]也基于此特性，配制了高强和快硬的高性能混凝土，开展了力学性能试验研究。

基于磷酸镁水泥优异特性以及微细钢纤维对脆性水泥基材料优异改性作用，本文配制了微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆，通过分别单掺硼砂和复合缓凝剂，研究砂灰比、水灰比和纤维掺量在不同龄期下微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆的力学性能，并与快硬硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥对比，分析微细钢纤维对不同水泥基体的增强增韧效果。

1 试验

1.1 原材料

氧化镁（M）：重烧镁砂，粒度325目，MgO含量92%，新密市正阳铸造材料厂提供。磷酸二氢钾（P）：白色结晶性粉末，相对密度2.338，熔点252.6℃，工业级，纯度98%，粒度80目，吴江市伟通化工有限公司生产。缓凝剂：硼砂（B），工业级，粒度80～100目，纯度95%，辽宁硼达科技有限公司生产；复合缓凝剂（CR），由硼砂、氯化钙和十二水合磷酸氢二钠复合而成。氯化钙：分析纯，纯度≥96.0%。十二水合磷酸氢二钠（Na2HPO4·12H2O）：结晶状，分析纯，纯度≥99.0%，天津科密欧化学试剂有限公司生产。砂：天然中细河砂，细度模数2.06。P·O42.5水泥：河南孟电集团水泥有限公司提供；42.5级硫铝酸盐水泥：安达特种水泥有限公司提供。钢纤维：微细端钩型钢纤维，上海真强纤维有限公司提供，形状见图1，规格参数见表1。

图1 微细钢纤维形貌

表1 微细钢纤维参数

1.2 物料配比

试验中固定磷酸镁水泥（MPC）组分，即氧化镁和磷酸二氢钾的摩尔比（M/P）固定为4，分别采用硼砂（B）和复合缓凝剂（CR），复合缓凝剂为硼砂、十二水合磷酸氢二钠和氯化钙质量比 1∶3∶1 的混合物[9]。砂灰比（S/C）为砂与磷酸镁水泥的质量比，水灰比（W/C）为水与磷酸镁水泥的质量比，纤维掺量为体积掺量，缓凝剂掺量按占氧化镁质量计。

为了分析微细钢纤维对不同水泥基体的增强效果，本文还进行了快硬硫铝酸盐水泥（SAC）和普通硅酸盐水泥（OPC）微细钢纤维砂浆的强度对比试验。3种砂浆的砂灰比均为1.0，MPC的水灰比为0.16，掺9%复合缓凝剂；OPC的水灰比为0.34，SAC的水灰比为0.36，未掺缓凝剂。

1.3 试块制作

原材料的投放顺序为：将固体颗粒按配合比称量后倒入搅拌锅低速搅拌混匀，然后，缓慢添加微细钢纤维并保持低速搅拌，最后加水搅拌。将搅拌好的浆体迅速浇筑到40 mm×40 mm×160 mm的三联钢模中，置于振动台上振动，用刮刀压实抹平。采用磷酸镁水泥、硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的试块分别在浇筑成型30 min、3 h和6 h后脱模，置于室内养护（室温18～22℃，相对湿度50%）。

1.4 测试方法和仪器

抗压和抗折强度测试：根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行，每组3个试件，试件尺寸40 mm×40 mm×160 mm，抗折强度测试后的断块在受压面积为40 mm×40 mm的压头下进行抗压试验。微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆试块测试了养护龄期6 h、12 h、l d、3 d和7 d的抗压和抗折强度。普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的试块只测试了7 d龄期的抗压强度。

2 结果与分析

2.1 掺加复合缓凝剂MPC的力学性能

2.1.1 砂灰比的影响

水灰比为0.18，微细钢纤维掺量为1.2%，复合缓凝剂掺量为9%时，不同砂灰比下MPC各龄期的抗压、抗折强度试验结果如图2所示。

由图2可见，各组试件的抗压强度随龄期的延长发展很快，1 d龄期时强度可达7 d龄期的70.8%～89.6%。砂灰比过大时（S/C=1.2），胶凝物生成量不足以充分包裹细骨料和钢纤维，同时，拌合物的工作性能变差，抗压强度有下降的趋势；砂灰比太小时（S/C=0.8），砂用量偏少，没有充分发挥砂的骨料作用，同时在拌合、浇筑过程中发现拌合物流动性较大，实际用水量可能已经超过理论需水量，导致其抗压强度在早龄期时小于砂灰比为1.0的情况。各龄期下抗折强度随砂灰比的变化规律与抗压强度类似。

图2 砂灰比对MPC各龄期强度的影响

2.1.2 水灰比的影响

砂灰比为1.0，微细钢纤维掺量为1.2%，复合缓凝剂掺量为9%时，不同水灰比下MPC各龄期的抗压、抗折强度试验结果如图3所示。

图3 水灰比对MPC各龄期强度的影响

由图3可见，各组试件的抗压强度随龄期延长发展迅速，1 d龄期时强度可达7 d龄期的72.5%～80.5%；抗压强度随着水灰比的增大而先提高后降低，在水灰比为0.16时达到最大，即砂灰比1.0时，水灰比在0.16达到最优。当水灰比为0.14时，实际用水量偏少，造成拌合不均匀，水化产物对砂和纤维包裹不均匀，因而强度反而比水灰比0.16低；水灰比为0.18时，实际用水量偏大，过量水使得早期强度发展较慢，后期水分蒸发导致试块内部孔隙率增加，进而削弱了强度。各水灰比下抗折强度随着龄期延长逐渐提高，其中3 d龄期以内，增加尤为迅速；随着水灰比的增大，早期抗折强度无太大差别，但后期抗折强度整体先提高后降低，原因与抗压强度变化类似。

2.1.3 微细钢纤维掺量的影响

砂灰比为1.0，水灰比为0.16，复合缓凝剂掺量为9%时，不同微细钢纤维掺量下MPC各龄期的抗压、抗折强度试验结果如图4所示。

图4 掺复合缓凝剂时微细钢纤维掺量对MPC强度的影响

由图4可见，各微细钢纤维掺量下MPC的抗压强度随龄期的延长迅速提高，6 h抗压强度最高为37.3 MPa，达到7 d的66.4%；1 d抗压强度达到7 d的80%～83%。各龄期抗压强度随微细钢纤维掺量增加而提高，与不掺微细钢纤维的相比，7 d龄期时增幅达70%，短龄期时增幅更大。磷酸镁水泥水化产物与钢纤维的粘结强度显著优于普通硅酸盐水泥[11]，同时，微细钢纤维相同掺量下较普通钢纤维具有更多的根数，因此微细钢纤维对于提高磷酸镁水泥砂浆抗压强度的效果显著。

各微细钢纤维掺量下MPC的抗折强度随龄期延长而提高，3 d内增长迅速，3 d达到7 d强度的87%～97%。各龄期抗折强度随微细钢纤维掺量的增加而提高，与不掺微细钢纤维的相比，最大增幅可达297%，微细钢纤维对于提高磷酸镁水泥砂浆抗折强度的效果较抗压强度更为显著。

2.2 缓凝剂类型对MPC力学性能的影响

2.2.1 掺硼砂缓凝剂试样的力学性能

砂灰比为0.8，水灰比为0.16，硼砂缓凝剂掺量为6%时，不同微细钢纤维掺量下MPC各龄期的抗压、抗折强度试验结果如图5所示。

图5 掺硼砂缓凝剂时微细钢纤维掺量对MPC强度的影响

由图5可见，随着龄期的延长，各微细钢纤维掺量下MPC的抗压强度均显著提高，早强特性明显，1 d强度达到7 d的62.2%～75.5%。随着微细钢纤维掺量的增加，各龄期下的抗压强度逐渐提高，掺量在0.8%以内时增加显著，超过0.8%后增幅减小。与不掺微细钢纤维的相比，微细钢纤维掺量为1.6%时7d抗压强度可提高53%。强度整体略高于掺复合缓凝剂的情况，复合缓凝剂相对硼砂进一步减缓了磷酸镁水泥的水化反应，早龄期强度较掺硼砂的有所降低，有文献表明[8]，7 d以后掺2类缓凝剂的强度趋于一致。

随龄期延长，各微细钢纤维掺量下MPC的抗折强度逐渐提高，1 d以内时增加迅速，1 d达到7 d强度的80%～89%；随微细钢纤维掺量的增加各龄期抗折强度也逐渐提高，且提高幅度较抗压强度更加显著，与不掺微细钢纤维相比，微细钢纤维掺量为1.6%时，抗折强度最大可提高216%。

2.2.2 采用不同缓凝剂的试块强度对比分析

为了进一步分析2类缓凝剂的不同效果，对水灰比为0.16、砂灰比为1.0、纤维掺量为0.8%、分别掺6%硼酸和9%复合缓凝剂的试件（记为B-0.8%和CR-0.8%）以及水灰比为0.16、砂灰比为0.8、纤维掺量为1.2%，分别掺6%硼酸和9%复合缓凝剂的试件（记为B-1.2%和CR-1.2%）折压比进行分析，结果见图6。

图6 缓凝剂对MPC折压比的影响

由图6可见，相同缓凝剂时微细钢纤维掺量1.2%的折压比在长龄期时高于微细钢纤维掺量为0.8%的情况；复合缓凝剂时的折压比显著高于单掺硼砂的情况，说明复合缓凝剂时微细钢纤维对磷酸镁水泥砂浆的韧性改良更加显著。掺量合适的复合缓凝剂可以使磷酸镁水泥水化产物（KMgPO4·6H2O）的晶粒减小，堆积紧密，微裂纹也得到了一定改善[9]，这些特征也将改良钢纤维与基体的界面，进而使得微细钢纤维增韧效果更加突出。

2.3 水泥类型对基体力学性能的影响（见图7）

图7 水泥类型对基体抗压强度的影响

由图7可见，3种水泥的基体抗压强度都随微细钢纤维掺量的增加而显著提高，说明微细钢纤维的增强作用显著。随着钢纤维掺量从0增加到1.6%，MPC、SAC和OPC三种水泥基体抗压强度分别提高了69.8%、42.0%、26.0%，可见微细钢纤维对MPC基体的增强效果最显著。相对于SAC和OPC，MPC浆体在水化初期呈弱酸性，钢纤维中的金属离子部分溶出并与溶液中的磷酸盐结合，纤维周围形成相对致密的磷酸盐保护膜即钝化膜；界面过渡区的微缺陷及裂纹减少、密实度增加，并且，磷酸镁水泥基体与钢纤维的界面过渡区范围更小、结构更密实，磷酸镁水泥水化产物能良好生长并桥接在基体与纤维之间，因此，磷酸镁水泥基体与钢纤维粘结性能更好。有研究表明[12]，钢纤维与磷酸镁水泥的粘结强度和纤维拔出耗能分别是与硅酸盐水泥的1.96倍和1.66倍。良好的粘结性能带来更显著的增强效果。

3 结论

（1）由于磷酸镁水泥的快速水化，在微细钢纤维增强作用下，微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆早强特性显著，6 h抗压强度可达37.3 MPa，是7 d强度的66.4%，适用于各类抢修工程。

（2）随纤维掺量增加，微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆的抗压和抗折强度都显著提高，抗折强度提高更加明显。

（3）随微细钢纤维掺量的增加，MPC的折压比逐渐增大，微细钢纤维对于磷酸镁水泥砂浆的韧性提高比较明显。

（4）相对硼砂缓凝剂，掺量合适的复合缓凝剂改善了基体与钢纤维的界面，随纤维掺量的增加，折压比显著增大，钢纤维的增韧效果更突出。