磷酸镁水泥制备及性能研究

安宇坤，刘爱平，刘刚，贾援

1 引言

磷酸镁水泥（MPC）是以磷酸盐、重烧氧化镁、缓凝剂为主要原料，其他矿物掺合料为辅料组成的一种新型胶凝材料[1,2]。磷酸镁水泥水化过程基于酸碱中和反应凝结硬化，其反应速率快、早期强度高，且具有粘结能力强、耐磨性高、耐腐蚀性优异等特点，在建筑材料快速修补、3D打印、医学等领域具有广阔的应用前景[3]。

本研究以净浆流动度、凝结时间、抗压强度为指标，探究了磷酸镁水泥水胶比、氧化镁与磷酸盐摩尔比（M/P）、硼砂及粉煤灰掺量对磷酸镁水泥性能的影响。结合X射线衍射仪（XRD）与扫描电子显微镜（SEM）对试验结果进行了分析，为今后磷酸镁水泥市场应用提供依据。

图1 不同M/P值下水胶比对磷酸镁水泥强度的影响

2 试验

2.1 试验原料

试验原材料包括：磷酸二氢钾、氧化镁、硼砂（均为分析纯）、标准砂、粉煤灰，粉煤灰化学成分见表1。

2.2 净浆试验

净浆配合比设计是磷酸镁水泥研究的基础。本项试验以磷酸镁水泥净浆的抗压强度为指标，分析水胶比、M/P值、粉煤灰和硼砂对磷酸镁水泥净浆性能的影响。

2.2.1 水胶比对磷酸镁水泥净浆强度的影响

本试验所用的氧化镁是分析纯试剂，为白色细微粉末，活性较高，其需水量与重烧镁砂有较大区别。当水胶比为0.30及以下时，形成的净浆十分粘稠，工作性极差；增加用水量，将水胶比调至0.32后，形成的净浆微稠，具备试验条件。以水胶比为0.32、0.34、0.36和0.38依次试验，试验结果见图1。

由图1可知，磷酸镁水泥和普通硅酸盐水泥一样，在一定范围内随着水胶比的增加，其抗压强度降低；在最佳M/P值（3/1）条件下，水胶比为0.32时的抗压强度却明显低于水胶比为0.34时的抗压强度，这是由于水胶比为0.32时其净浆流动度差，在相同振实条件下，试件成型后存在孔隙等严重缺陷，因此其强度较低；在高M/P值情况下，由于原料中氧化镁粉末含量增加，胶凝系统需水量增加，使水泥水胶比0.36时的强度略高。

2.2.2 M/P值对磷酸镁水泥净浆强度的影响

水胶比分别为0.32、0.34、0.36和0.38时，不同M/P比值的磷酸镁水泥净浆的3h、1d、3d、7d、28d抗压强度曲线见图2。

由图2可见，随着氧化镁含量的增加，磷酸镁水泥各龄期的净浆强度表现出先增强后降低趋势，在M/P=3：1时磷酸镁水泥强度最佳，且早期强度较高，后期强度持续增长，水胶比0.34时最大，达到50.2MPa；另外，试验结果表明，M/P值越大，磷酸镁水泥水化反应速率越快，稠度越大，凝结时间越短，工作性越差。

2.2.3 缓凝剂硼砂对磷酸镁水泥净浆的影响

在最佳水胶比（0.34）与M/P值（3/1）条件下，研究了硼砂掺量对磷酸镁水泥凝结时间与抗压强度的影响，试验结果见表2。

试验表明，磷酸镁水泥的凝结时间随着硼砂掺量的增加而显著延长，原因是硼砂的加入使体系pH升高、温度降低并在MgO颗粒表面反应生成硼酸镁络合物，延缓了MgO溶解，降低了水化剧烈程度[4]；净浆强度随硼砂掺量的增加，先增大后减小，硼砂掺量10%时强度优势明显。

2.2.4 粉煤灰改性磷酸镁水泥净浆研究

图2 不同水胶比下M/P值对磷酸镁水泥强度的影响

表2 磷酸镁水泥凝结时间与抗压强度结果

根据上述试验，选择M/P值3/1，水胶比0.34，硼砂掺量10%的配比进行粉煤灰改性磷酸镁水泥试验，粉煤灰掺量与试样强度见图3。

图3 不同掺量粉煤灰的磷酸镁水泥净浆抗压强度

由图3可见，粉煤灰改性磷酸镁水泥3h与1d的净浆强度随粉煤灰的增加而降低；3d后粉煤灰掺量40%以下的试样强度增加，超过空白试样，随粉煤灰掺量增加而增加，粉煤灰掺量50%时强度显著降低。

图4 磷酸镁水泥水化后XRD测试结果

对空白试样和掺40%粉煤灰的试样进行XRD与SEM测试，测试结果见图4～6。

由图4a与图5可见，未掺加粉煤灰的磷酸镁水泥水化后，产生大量紧密连接的棒状晶体，该晶体为其水化产物MgKPO4·6H2O（MKP），其相互搭接在一起形成网状结构，覆盖在未水化的MgO颗粒表面，在化合键与氢键的作用下，其结构越来越致密，产生强度[5]。

由图4b与图6可见，掺粉煤灰后的磷酸镁水泥水化后，MKP的结晶度变差，未参与反应的粉煤灰颗粒起到微集料效应，填充在水化产物的空隙中，使结构更加致密，所以掺加粉煤灰后的磷酸镁水泥28d强度更高。

3 结语

（1）在满足磷酸镁水泥工作性的前提下，适当降低水胶比，有利于强度的提高。

（2）在相同M/P值下，磷酸镁水泥的强度随龄期增加而增大，3d和7d的抗压强度增长迅速，这是因为磷酸镁水泥早期水化反应速度快，在28d内强度呈持续增长趋势。

图5 粉煤灰掺量为0%的净浆试件SEM图

图6 粉煤灰掺量为40%的净浆SEM图

（3）M/P值越大，磷酸镁水泥凝结速率越快，凝结时间越短，掺加缓凝剂可以显著延长凝结时间。

（4）掺加粉煤灰会降低磷酸镁水泥前期强度，粉煤灰掺量为40%时，磷酸镁水泥的性能最佳，可略微提高其后期强度。