快速修补水泥研究现状

赵晓航

摘 要：结合水泥混凝土路面快速修补的行业特点，总结水泥混凝土路面快速修补的实际应用需求，分析现有的快速修补材料的力学性能、耐久性能等。重点介绍磷酸镁水泥、氯氧镁水泥和碱式硫酸镁水泥的优缺点，综述了国内外学者在三种快硬水泥性能方面的研究进展，总结这三种快硬水泥存在的问题，并展望未来的应用前景，探讨快速修补材料的发展新途径。

关键词：快速修补 磷酸镁水泥 氯氧镁水泥 碱式硫酸镁水泥 力学性能

一、引言

作为全球应用最广泛的建筑材料，水泥混凝土在耐久性能方面表现不足需要学者进行深层探索。季冻区的水泥混凝土路面在车辆荷载、环境因素的耦合作用过程中经常出现不同程度的破损，常见的破坏形式为横向断裂、板角断裂、错台、填缝料损坏、坑洞、唧泥等，这些病害影响道路的寿命和交通安全。因此路面出现破坏后需要进行快速修补从而恢复道路正常使用，为了尽可能降低路面维修对交通的延误影响，分别从修补材料、施工工艺等不同的方面进行探索。

目前，水泥混凝土路面的相关修补材料有很多种，但大多都无法满足实际路用性能。如在繁忙的交通路段，快速修补材料的作用就是能够快速开放交通，不影响正常的交通运输。因此，应对以上问题，需要开发早期强度高、养护时间短，而且与旧水泥混凝土的黏结性能好、材料的韧性高、收缩性能和耐磨性能好的水泥混凝土路面快速修补材料。

随着工业民用技术的快速发展，特种水泥行业涌现出不少佼佼者。普通水泥混凝土养护周期长，对交通影响大。快硬水泥可以很好地解决这一问题。目前主要的快硬水泥有快硬硅酸盐水泥、高铝水泥、硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥、碱式硫酸镁水泥等。其中磷酸镁水泥和碱式硫酸镁水泥凭借其出色力学性能和耐久性能得以快速发展。

二、磷酸镁水泥

磷酸镁水泥是重烧镁砂和磷酸二氢钾在常温下加水后，经过酸碱中和反应，生成的新型气硬性胶凝材料。该材料具有快速凝结硬化、体积稳定性好、早期强度高、耐久性能好、黏结性能优异等特点。基于以上优点，磷酸镁水泥可作为修补材料应用在水泥混凝土路面快速修补领域。

Sugama等对MPC的水化机理和微观结构等开展研究。Wagh等提出采用KH2PO4代替（NH4）2HPO4制备磷酸镁钾水泥，后者在生产过程中会产生氨气。我国哈尔滨工业大学等高校对MPC的水化机理、性能改善展开研究。磷酸镁水泥性能主要包括强度、黏结性、工作性等，这些性能与重烧镁砂颗粒细度、磷镁（磷酸盐/氧化镁）质量比、缓凝剂和掺合料的种类与掺量、水胶比等因素有关。

磷酸镁水泥的一系列优异性能使其能够满足多种特殊条件的使用要求。然而它是一种高脆性材料，磷酸镁水泥在受到冲击等外部作用力时表现出延性差、易断裂，在潮湿环境下耐水性差。未来的发展方向将着眼于通過添加其他材料进行改性，使得磷酸镁水泥在延展性、柔性得到提升。

三、氯氧镁水泥

氯氧镁水泥是由活性较高的氧化镁与MgCl2溶液发生反应形成的凝胶材料。高活性MgO 的含量，不仅影响反应物种类、水化成型速度以及体积稳定性，而且对基本力学性能的影响也较大。国内外学者们进行了大量的工作研究氯氧镁水泥的水化机理和产物。

目前，氯氧镁水泥等相关材料已经广泛应用在工业、建筑等行业中，但是其仍然存在很多不足，如易开裂、热膨胀大，其中最主要缺陷就是氯氧镁水泥的抗水性差的问题。冯超对氯氧镁水泥水分侵蚀机理及其耐水性进行了深入的研究，通过改善氯氧镁水泥水化晶体形貌、减少水分传输通道以及隔离水分接触等方法可降低水解反应面积，添加减水剂或缓凝剂可促进水泥水化晶体形貌变化，碳化作用可形成有效保护层包裹水化产物以阻碍水分渗透。

四、碱式硫酸镁水泥

碱式硫酸镁水泥是一种以MgO-MgSO4-H2O体系的胶凝材料为基础，经过添加外加剂改进后，形成以碱式硫酸镁晶须为主要水化产物的新型镁质水泥。

吴成友等研究了碱式硫酸镁水泥的基本性能，结果表明该材料具有快速凝结硬化、早期强度高等优点。对于碱式硫酸镁水泥，外加剂是核心技术，目前合理的配制及性能研究非常有限，因此对碱式硫酸镁水泥的配料规律和基本性能探讨对其在建筑材料应用的推广具有重要意义。

目前，碱式硫酸镁水泥大多应用在建筑保温材料、轻质混凝土砌块等装饰装修工程，但其在路面修复工程中也具有巨大的应用前景。辽宁海城拥有全国最大的美菱矿储备，但远没有白云石分布广泛。硫酸镁的价格很大程度地影响着碱式硫酸镁水泥的生产成本，积极投身于寻找或开发更为廉价的原料来源，势必推动碱式硫酸镁水泥制品的广泛应用。为了降低生产成本、秉承环保理念，研究使用轻烧白云石与工业废硫酸制备碱式硫酸镁水泥的生产工艺还有待进一步研究。

五、综合评述

综合来看，磷酸镁水泥具有快速硬化的优势，然而属于脆性材料，容易断裂，耐水性差。未来的研究重点可致力于改性方面，使得磷酸镁水泥既可以快速施工、快速恢复构造物正常运营，又可以使修补材料具有足够的柔韧性，很好地与旧水泥混凝土构造物协同工作。国内外有很多学者和工程技术人员对氯氧镁水泥进行研究，通过研制各种外加剂、使用填充料、改变水泥生产工艺等方法试图提高抗水性、解决吸潮返卤、提高钢筋防锈能力，并已经取得一系列成果，但是未能在根本上解决氯氧镁水泥的缺陷问题。碱式硫酸镁水泥拥有更加全面的综合性能，然而原料中轻烧氧化镁的组成成分、α-MgO/MgSO4配比、化学外加剂种类及掺量均对碱式硫酸镁水泥的性能有重要影响，其中化学外加剂技术是制备碱式硫酸镁水泥的核心，积极开发新型经济实用的外加剂，以便最低限度地降低维修养护行为对民众出行和社会经济的负面影响，使水泥混凝土基础设施更好地服务于国民生产。

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