磷酸钾镁水泥力学性能研究进展综述

杨元全，邓永刚

（沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110158）

磷酸钾镁水泥是一种可持续发展胶凝材料，与波特兰水泥熟料的生产工艺相比，磷酸镁水泥不需要消耗大量的粘土资源，磷酸钾镁水泥在常温下加水后，通过原材料自身一系列的物理化学作用，即可生产坚硬、高粘结性的新型胶凝材料，这种材料具备了陶瓷、耐火材料以及水泥多种硅酸盐材料的主要优点。力学性能是满足磷酸钾镁水泥短期维护和长期服役的关键影响因素。原材料[1-2]、配合比[2-6]、缓凝剂[7-8]、掺合料[3、8-12]、养护条件[3、5、6]等均会对磷酸钾镁水泥的力学性能产生影响。

1 原材料与配合比的影响

研究表明，MgO 的细度对磷酸钾镁水泥的力学性能具有重要的影响。YANG 等[6]发现MgO 比表面积越大（即粒径越细），磷酸镁早期强度发展越快。CHANG 等[13]系统地研究了MgO 细度对磷酸钾镁水泥强度发展的影响，发现早期强度受MgO 比表面积影响较少，7d 以后随着比表面积的增加，磷酸钾镁抗压强度先增加后减少，其在MgO 比表面积322m2/kg 时具有最佳的后期力学性能如图 1（a）所示。

磷酸镁水泥浆主要是由MgO 和磷酸盐水化产物组成的，而MgO 颗粒的强度要高于磷酸盐水化产物的强度[15]，因此当磷酸盐水化产物数量满足可以填充MgO 颗粒间隙并将MgO 颗粒很好的包覆条件后，内部未反应的MgO 则可以充当骨料的作用，从而提高磷酸镁水泥的力学性能。YANG 等[6]发现随着M/P 的增加，磷酸镁水泥的力学性能先提高随后降低，并指出M/P 在4~5 时磷酸镁水泥的强度强度发展最好。HOU 等[14]研究了W/C=0.2，M/P=4.8~18 时磷酸钾镁的抗压强度［图1（b）］，发现总体上随着M/P 的增加磷酸钾镁水泥的抗压强度是逐渐降低的。除此之外，磷酸钾镁水泥的力学性能与W/C 也有较大的关系，LI 等[5]采用W/C区间0.14~0.20 制备磷酸钾镁水泥，发现当W/C 从0.14~0.16 增加时磷酸钾镁水泥的早期强度逐渐增加，当W/C 超过0.16 后磷酸钾镁水泥的强度迅速下降；但对于后期强度随着W/C 的增加，强度是逐渐降低的。尤超[16]同时研究M/P 比（质量比）和W/C 对磷酸钾镁水泥抗压强度的影响，发现高M/P（质量比）条件下（3~4），3h 抗压强度随着W/C 的增加而降低；而低M/P（质量比）条件下（1.5~2），3h 抗压强度随着W/C 的增加而增加，然后才逐渐降低。他的试验结果表明M/P 对磷酸钾镁水泥抗压强度的影响规律，受到W/C 的影响。后来MA 等[4]通用理论推导和试验验证的方式证明了磷酸家镁水泥最优M/P 与W/C 有关，W/C 越小，最优M/P 越小。

图1 MgO 细度[13]和M/P[14]对磷酸钾镁水泥抗压强度的影响

2 矿物掺合料影响

掺合料对磷酸钾镁水泥的力学性能具有较大影响。XU 等[17]将硅灰石掺入磷酸钾镁水泥中，研究了在不同W/C 条件下，硅灰石对磷酸钾镁水泥抗压强度和抗折强度的影响（图2），发现在高W/C=0.5 时（图2 中27-W-P05）磷酸钾镁水泥的抗压强度和抗折强度都很低，当W/C 由0.5 降低到0.25 时（图2 中27-WP025）磷酸钾镁的抗压强度和抗折强度极大的提升；在1~7d 掺加硅灰石的磷酸钾镁抗压强度要比不掺的强度低，但随后随着养护龄期的增加掺加硅灰石磷酸钾镁的抗压强度远远超过不掺硅灰石的样品［图2（a）中27-C-P025］，而对于抗折强度，掺加硅灰石的磷酸钾镁水泥在早期较未掺加样品表现不明显，但随着养护龄期的增加掺加硅灰石的磷酸钾镁样品的抗折强度迅速超过不掺加硅灰石的样品。ZHANG 等[18]研究了粉煤灰对磷酸钾镁水泥抗压强度的影响，研究发现当M/P=4 时，不掺加粉煤灰的磷酸钾镁3d 以后的抗压强度变化不大，当在体系中掺加粉煤灰后会降低磷酸钾镁水泥的抗压强度，但是掺加粉煤灰后的试样3d后抗压强度逐渐增加，而28d 强度仍然低于不掺加粉煤灰的磷酸钾镁试样；当M/P=6~8 时，粉煤灰对磷酸钾镁水泥抗压强度的影响规律基本与M/P=4 时相同，同的是在该M/P 范围下，掺加30%粉煤灰的磷酸钾镁试样的28d 强度开始超过不掺加粉煤灰的磷酸钾镁试样的抗压强度。

图2 硅灰石对磷酸钾镁水泥抗压和抗折强度的影响[17]

MO 等[19]同时研究了粉煤灰和偏高岭土对磷酸钾镁水泥的力学性能的影响，研究表明粉煤灰的掺加会会降低磷酸钾镁的抗压强度，且随着粉煤灰掺量的增加磷酸钾镁水泥的抗压强度逐渐降低；与之相反，在磷酸钾镁水泥中掺加30%的偏高岭土能够增强磷酸钾镁水泥的28d 抗压强度，但是将偏高岭土的掺量增加到50%，磷酸钾镁的28d 抗压强度会比对照组（纯水泥）抗压强度低，但随着养护龄期的进一步增加到180d，掺加50%偏高岭土的磷酸钾镁水泥的抗压强度会与对照组抗压强度相当。

3 养护条件影响

磷酸钾镁作为一种快凝水泥，养护条件对其力学性能的影响也较为敏感。CHONG 等人[20]的研究表明，磷酸镁水泥在干燥空气中养护的强度要高于在水中养护的强度。水养护环境不仅会溶解磷酸镁水泥中未反应的磷酸盐，从而使磷酸镁水泥中产生较多的孔隙从而降低其强度，而且还有可能溶解部分水化产物进而对磷酸镁水泥的力学性能产生不利影响[15]。POPOVICS 等[21]研究了冷养护、常温养护和高温养护对磷酸镁水泥力学性能的影响，发现随着养护温度的提高，磷酸镁水泥的早期强度会得到提高，但对后期强度影响较少。

4 缓凝剂影响

由于磷酸钾镁水泥凝结硬化时间较短，在不作改性处理的情况下仍然很难满足拌合、施工等要求。因而，需要对磷酸钾镁水泥进行处理，常见的方法是在磷酸钾镁水泥中掺加缓凝剂改善磷酸钾镁的工作性能，根据文献报道，缓凝剂多以水溶性氟化物、多聚磷酸盐、硼氧化物为主[22-27]。目前，常见的缓凝剂主要有硼砂（NaB4O7·10H2O）、三聚磷酸钠（STP，Na5P3O10）、硼酸（H3BO3）和冰醋酸（CH3COOH）等。三聚磷酸钠可以将磷酸镁水泥的凝结时间从4~7min 提高到15min[28-29]，三聚磷酸钠对磷酸镁水泥起到缓凝作用的机理是基于：三聚磷酸钠可以与磷酸镁水泥溶液中释放的镁离子发生络合反应，从而降低镁离子参与反应的数量，进而延迟水泥的水化[28]。但是受溶解度的限制，三聚磷酸钠对于磷酸镁水泥的缓凝效果有限[29]。目前，硼氧化物逐渐成为磷酸镁水泥的主要缓凝剂，与三聚磷酸钠相比硼氧化物的效率更高，用量也更低。硼氧化物缓凝剂中最常见的是硼砂和硼酸。宋旭艳[30]等研究了硼砂对磷酸钾镁水泥力学性能的影响，当掺加14%的硼砂时可以将磷酸钾镁水泥的凝结时间延长至40min，但随着硼砂掺量的增加，磷酸钾镁水泥的力学性能损失严重，掺加14%硼砂的磷酸钾镁水泥3h 基本上没有强度，即使养护至7d，其强度也仅为对照组（无缓凝剂）强度的40%。尤超[16]通过研究硼砂对磷酸钾镁水泥体系的力学性能发现，硼砂对磷酸钾镁水泥体系力学性能的影响与试件或构件的体积大小、环境温度等有关系，但即使是在大体积以及高温环境下，硼砂的掺加仍然会降低磷酸钾镁水泥的力学性能。因此，如何在延长磷酸钾镁水泥凝结时间的同时，提升磷酸钾镁水泥力学性能，或者不显著降低磷酸钾镁水泥性能将是一个关注热点。

5 结论与展望

（1）原材料细度对磷酸钾镁水泥的力学性能具有重要的影响，比表面积越大，磷酸镁早期强度发展越快。但原材料细度对磷酸钾镁水泥力学性能的影响有限，需要结合配合比优化提升磷酸钾镁水泥力学特性。

（2）掺合料对磷酸钾镁水泥的力学性能具有较大影响，大部分掺合料的掺加会降低磷酸钾镁水泥早期力学性能，但随着龄期的发展，磷酸钾镁水泥力学性能可以与未掺加掺合料样品相当。

（3）随着养护温度的提高磷酸镁水泥的早期强度会得到提高，但对后期强度影响较少。

（4）利用原材料选择、配合比及养护条件等因素提升磷酸钾镁水泥力学性能的影响，仍然难以从根本上改善磷酸镁水泥服役性能，通过磷酸钾镁水泥水化组分调整与优化是提升其服役性能的有效途径。