磷酸镁水泥裂缝修补浆料的制备和性能评价

李智慧

盐城市市政设施管理处 江苏 盐城 224002

1 引言

磷酸镁水泥(MPC)同时具有水泥和化学结合陶瓷的属性，由于其与混凝土的相容性好、粘结性能好、体积稳定性强、耐久性好以及绿色无污染，特别适合用于混凝土结构缺陷的修补[1-4]。目前，对于MPC基材料在混凝土结构修补加固的应用研究[1-4]，主要侧重于修补后混凝土构件的性能评价。作为混凝土狭窄裂缝的修补材料，修补浆体的工作性能需满足施工要求，即浆体需有足够的流动性，以便顺利的流淌至裂缝深处，且浆体需具有自密实能力，便于浇注成型。由于新拌MPC体系呈酸性且水灰比低，适用于硅酸盐水泥浆体的减水增塑剂对MPC基材料浆体流动性改善效果不明显，需采用其它改善措施。MPC浆体的流动性很大程度上取决于氧化镁的品质及细度、镁磷比和水胶比[5]。汪宏涛的研究[6]证实粉煤灰对MAPC有良好的减水增塑作用，据此研究成果配置了一种复合减水剂，能显著增加MAPC砂浆的流动度并提高强度；林玮[7]的研究也证实40%掺量的粉煤灰能大幅提高MPC浆体流动性并有效改善粘聚性和保水性。本文拟配置高流动性且有自密实功能的MPC浆体，并测试其工作性和硬化体的基本物理力学性能，为钢筋混凝土结构裂缝修补提供一些基础数据。

2 试验过程

2.1 原材料

死烧氧化镁粉（MgO）的比表面积为216m2·kg-1，其中的MgO含量为92.6%，由激光粒度仪测得粉体的平均粒径为60.06μm；粉煤灰（FA）为二级灰，激光粒度仪测得其平均粒径为45.12μm。磷酸二氢钾为工业级，主粒度为245μm~350μm；复合缓凝剂（CR）由分析级硼砂和十二水合磷酸二氢钠等按适当比例在实验室制得；水玻璃的波美度为39.2-40.2，模数为3.2-3.4。

2.2 MPC浆体和试件制备

磷酸钾镁水泥（MPC）浆体的配合比见表1，由MgO、KH2PO4、CR、水玻璃和粉煤灰（FA）组成。其中M0为参考样，M1添加了水玻璃，M2、M3和M4为M1浆体中10%、20%、30%（质量分数）的FA等量替代MgO粉。

在25℃室温下，将称量好的KH2PO4、复合缓凝剂和MgO粉、FA倒入水泥胶砂搅拌锅中，加入含水玻璃的水（已将水玻璃与水混合），按一定的搅拌制度搅拌浆体使达到拌合均匀。将拌制好的浆体浇注到相应的试模（40mm×40mm×160mm )，其中部分试模中已放置了龄期超过28d的普通硅酸盐水泥砂浆棱柱体试件（40mm×40mm×80mm，28d抗压强度34.2MPa）。震动密实，刮去多余浆体并用保鲜膜覆盖。水化5h后拆模，置于温度20℃±2℃，湿度60%±5%的养护室中养护至相应龄期。

2.3 试验方法

2.3.1 MPC浆体工作性测试

本研究参考欧州自密实混凝土设计规范EFNARC[8]推荐的自密实砂浆工作性测试方法，选择φ60/φ100 mm×70mm的截锥圆模测试浆体的扩展度和图1所示的V-型漏斗测试浆体的流出时间，根据试验结果综合评价MPC浆体的工作性（流动性和粘聚性）。控制环境温度为25℃，MPC浆体的制备方法与成型试件的浆体制备方法相同。将新拌MPC浆体（控制加碱组份后6 min）一次性倒入截锥圆模中，倒满后排除浆体中的气泡并抹平表面，立刻垂直提起截锥圆模，使浆体自由流动，待浆体在平面上停止流动后，用钢直尺测试浆体垂直方向的直径。同样将新拌MPC浆体一次性倒入V-型漏斗中，倒满后排除浆体中的气泡并抹平表面，打开漏斗口挡板，使浆体自由流出，用秒表记录所有浆体从漏斗中完全流出的时间（T）。将新拌好的MPC浆体静置30min后（自加碱组份时开始计时），再用搅拌器搅拌浆体2min，重新测试MPC浆体的流动扩展度和V-型漏斗流出时间。

2.3.2 MPC浆体物理力学性能测试

参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》, 用加载水泥抗折抗压试验机（YZH-300.10型）测试MPC试件（40mm×40mm×160mm）的抗折和抗压强度。按照文献4方法测试MPC浆体与硅酸盐水泥砂浆的粘结抗折强度。

3 结果分析与讨论

3.1 工作性

本研究拟配置的自密实MPC浆体，若取水胶比为0.18，配制的MPC浆体的流动扩展度和V型漏斗流出。结果表明：30min后M0经重新搅拌的浆体的粘度明显增加，V型漏斗流出时间不能满足欧州自密实混凝土设计规范EFNARC推荐的自密实砂浆的指标要求（流动扩展度240～260mm，V型漏斗流出时间7～11）[8]。 参考已有研究[9], 在MPC浆体中添加适量的水玻璃（2%）。在已添加水玻璃的基础上，再用适量的粉煤灰等量替代死烧氧化镁粉，试验结果表明含适量粉煤灰的MPC浆体（M2、M3）的流动扩展度和V型漏斗流出时间基本满足EFNARC推荐的自密实砂浆的指标要求，具备自密实功能。适量呈弱碱性的水玻璃的加入，可提高新拌MPC浆体的pH值[9]，抑制了浆体中MgO粉的溶解、水解和水化物凝胶的形成，进而延缓了浆体粘度的增加。由于粉煤灰的平均粒径小于死烧氧化镁粉，适量粉煤灰的加入可改善碱组份粉体的颗粒级配，加之粉煤灰中球形颗粒的滚珠润滑作用，使MPC浆体的流动性和粘度均有改善，但粉煤灰替代量太大时，粉煤灰比表面积的增加导致需要的润湿表面水量增加，MPC浆体的游离水量减少，浆体的流动性下降和粘度增加。

3.2 强度

图1为M0-M4试件在自然养护条件下的抗折强度、抗压强度发展以及与硅酸盐水泥砂浆粘结抗折强度的发展。因参考样M0在5h拆模时无强度，故延长了拆模时间并从1d水化龄期开始记录强度。M1拆模时（5 h）的抗折和抗压强度分别为4.5MPa和16.0MPa，早期抗压强度明显高于参考组M0；到28 d龄期时，M0和M1的强度接近。结果证实，适量水玻璃的加入可明显提高MPC浆体的早期强度。用粉煤灰（FA）等量替代死烧氧化镁粉的M2、M3试件的5h拆模抗折强度低于M1，但抗压强度均高于M1。且强度（尤其是与硅酸盐水泥砂浆的粘结强度）随着水化龄期的增长而上升，28d水化龄期时，M2和M3的抗折、抗压强度均高于参考样M0和M1，与硅酸盐水泥砂浆的粘结强度明显高于参考样M0和M1。试验结果表明，用适量FA等量替代MgO粉，可改善MPC浆体的早期和后期强度，明显改善与硅酸盐水泥砂浆的粘结强度。

图2 MPC浆体试件的强度发展

死烧MgO粉表面光滑致密不易吸水，水胶比使MgO颗粒间的游离水量提高和间距增大，加之复合缓凝剂的共同作用，M0在5h水化龄期时生成的水化产物MKP不足够形成以未反应MgO颗粒为核心的网络搭接结构[9]，使MPC浆体的高早强优势丧失。已有研究[10]证实随着溶液pH值提高至超过8时，MKP的生成和结晶速度加快，水玻璃可提高MPC浆体的pH，使浆体中已生成MKP的结晶速度加快，且水玻璃中的硅酸根离子会和水解的Mg2+反应，生成硅酸镁凝胶并填充水化产物MKP晶体之间的空隙，使浆体的结构趋于致密。添加FA后，由于FA异相成核和分散作用，使MPC浆体早期水化反应程度提高。FA中的惰性颗粒（如SiO2）可作为微集料填充在水化产物的间隙，细化孔径，提高了硬化体的密实度[11]；随着水化反应的进行，MPC浆体的温度升高，在FA中的活性成分Al2O3可与磷酸盐反应生成磷酸铝类的胶凝物质填充孔隙，从而提高MPC硬化体的强度。同时，粉煤灰的加入使MPC浆体的体积随着水化龄期的延长逐渐膨胀[11]，进而使MPC浆体与硅酸盐水泥砂浆的粘结抗折强度随着水化龄期的延长而逐步增长。

4 结论

（1）自密实MPC浆体的配制不能仅靠增加水胶比实现，存在水胶比上限0.18。适量水玻璃可抑制MPC浆体的粘度增加速度，但仍不能满足自密实水泥浆体的规定指标；在已添加水玻璃的基础上，再用适量的粉煤灰等量替代死烧氧化镁粉，所制备的MPC浆体的工作性满足EFNARC推荐的自密实砂浆的指标要求，具备自密实功能。

（2）适量水玻璃的加入可明显提高MPC浆体的早期强度。在水玻璃改性的基础上用适量FA等量替代MgO粉，可明显提高MPC浆体的早期强度（5h）和后期强度（28d），明显提高MPC浆体与硅酸盐水泥砂浆的粘结强度。