姜自超，张时豪，丁建华，戴丰乐

（后勤工程学院化学与材料工程系，重庆401311）

磷酸镁水泥基材料渗透性研究现状

姜自超，张时豪，丁建华，戴丰乐

（后勤工程学院化学与材料工程系，重庆401311）

磷酸镁水泥的性能优良，在各领域应用广泛。综述了磷酸镁水泥基材料的渗水性、氯离子渗透性和气体渗透性，对工程应用和进一步研究有一定借鉴意义。

磷酸镁水泥；基材料；渗透性

水泥基材料的耐久性问题是学术界和工程界关注的热点之一，国内外因水泥基材料的耐久性问题造成巨大的经济损失。水泥基材料的耐久性涉及的影响因素多且复杂，但大多都与外界介质进入体系内部有关[1-4]。水泥基材料的渗透性是指气体、液体或离子受压力、化学势或电场作用在材料中渗透、扩散或迁移的难易程度[5,6]。渗透性（或从另一个方向称作抗渗性，）是水泥基材料的重要性能指标，充分了解掌握渗透性是预判水泥基材料耐久性的重要前提。

磷酸镁水泥是一种基于酸碱中和反应的快硬早强的新型胶凝材料[7-9]，其主要组分为过烧氧化镁（碱组分）和酸式磷酸盐（酸组分），以及控制凝结时间的缓凝剂。研究表明，以磷酸二氢铵或磷酸二氢钾为酸组分的磷酸镁水泥具有较好的性能，因此，根据所采用磷酸盐的不同又将磷酸镁水泥分为磷酸铵镁水泥和磷酸钾镁水泥。磷酸镁水泥应用前景广阔[10,11]，有必要对其渗透性进行探讨。

1 磷酸镁水泥基材料渗透性

1.1 磷酸镁水泥基材料抗渗水性

汪宏涛[12]参照DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》研究了磷酸铵镁水泥砂浆的抗渗水性。首先成型上口径70 mm，下口径80 mm，高30 mm的圆台试件，成型1 h内脱模后于室温自然养护至7 d，在试体表面和试验模内表面涂一层密封材料，把试件压入试验模使两底面齐平，静置24 h后装入SS-15型渗透仪中，每组6个试件。水压从0.2 MPa开始，保持2 h，增至0.3 MPa，以后每隔1增加0.1 MPa。

试验发现，增压至抗渗仪的极限压力4.0 MPa后仍未从试件顶面渗水，保持水压4.0 MPa恒定，24 h后停止试验，立即取出试件，劈开后测量渗水高度，以此评价试件的抗渗性，试验所采用的配合比和结果如表1所示[12]。

表1 砂浆配合比及渗水试验结果[12]Table1 Mortar mix ratio and permeability test results

可以发现磷酸铵镁水泥砂浆的抗渗水性能较好，汪宏涛[12]认为原因主要有两方面，一是磷酸铵镁水泥砂浆的水胶比较低，水化反应后体系内自由水含量较少，不会形成很多的孔隙，另一方面，磷酸铵镁水泥砂浆的收缩较低，不会由于收缩产生微裂缝降低砂浆的抗渗水性能。

李九苏等[13]参照JTG E30-2005中水泥混凝土渗水高度试验方法(T0569-2005)研究了磷酸钾镁水泥混凝土的抗渗水性，采用河砂和花岗岩作为集料。研究发现掺加硅溶胶或HEA高效防水剂，可显著改善磷酸钾镁水泥混凝土的抗渗水性，并发现硅溶胶或HEA高效防水剂均能降低磷酸钾镁水泥混凝土的孔隙率、改善孔隙结构。

水泥基材料中水泥浆体的抗渗水性要远低于骨料，因此水泥基材料的抗渗水性主要取决于水泥浆体的孔结构。Powers[14]研究发现，抗渗水性随孔隙率的增加而降低，孔隙率在10%以下时，试件基本不透水，孔隙率在10%～20%时，抗渗水性缓慢降低，孔隙率升高到25%后，抗渗水性急剧下降。但水泥基材料的渗水性和孔隙率并不是简单的函数关系，P.K.Mehta等[15]研究发现，水泥基材料的抗渗水性主要取决于孔结构的特征，包括孔隙的分布、连通状况、孔径的曲折性等。临界孔径通常用来表征水泥基材料中孔隙的连通性，是指能将较大孔径的孔隙连通起来的孔的最大孔级，一般采用压汞试验测得。而随孔隙率增大，水泥基材料中临界孔径会增大，体系内部毛细孔会形成连续贯通的网路，造成抗渗水性降低。磷酸镁水泥是一种低水胶比的胶凝材料，体系的孔隙率较低，内部的毛细孔容易被水化凝胶堵塞或者隔开，整体上造成临界孔径的降低，使其具有较好的宏观抗渗水性。

1.2 磷酸镁水泥基材料抗氯离子渗透性

与液体的渗透不同，离子在介质中的扩散来源于离子的浓度差，氯离子在水泥基材料中的扩散系数可以较好的反映渗透性好坏，且氯离子侵入是造成混凝土中钢筋电化学腐蚀的重要因素，因此常用氯离子的扩散系数也常被用来评价水泥基材料的渗透性[16,17]。

自然扩散试验也叫自然浸泡试验，美国标准AASHTO T259和北欧标准Nord test Build 443-94就使用此方法。试验时先将试件长时间浸泡于氯盐溶液中，再通过化学分析的方法得到氯离子浓度与扩散距离的关系，然后利用菲克第二定律计算出氯离子的扩散系数，具体如式（1）：

式中：D—氯离子的扩散深度；

C—氯离子浓度；

x—扩散深度；

t—浸泡时间。

甄树聪等[18]参照非稳态扩散法的北欧标准Nord test Build 443-94研究了磷酸钾镁水泥砂浆长期浸泡在饱和氯化钠溶液和海水中的氯离子渗透情况，研究发现，磷酸钾镁水泥砂浆抗氯离子渗透性能优于普通硅酸盐水泥砂浆，且掺入10%粉煤灰进一步提高了磷酸钾镁水泥砂浆抗氯离子渗透性。同时发现磷酸钾镁水泥砂浆氯离子渗透深度x(mm)与在海水和饱和氯化钠溶液中浸泡时间t(d)之间的关系可用式（2）描述：

并且发现磷酸钾镁水泥砂浆浸泡环境下氯离子分布与菲克第二定律标准分布相关性很好，说明菲克第二定律能够较好地描述氯离子在磷酸钾镁水泥砂浆中的渗透规律。

直流电量法是国内外较为流行的混凝土渗透性评价方法，也是美国ASTM C1202-91标准所采用的方法，直流电量法通过在混凝土两端加上直流电压，使氯离子从试件负极向正极移动，依据规定时间内通过试件电量的多少来评价试件抗氯离子渗透性能，相较于自然扩散的方法，它具有操作简单、评价快速等优点。

曹德万等[19]按照ASTM C1202-91标准研究了磷酸钾镁水泥砂浆抗氯离子渗透性，并同普通硅酸盐水泥砂浆进行了对比。研究发现，磷酸钾镁水泥砂浆抗氯离子渗透性优于普通硅酸盐水泥砂浆，粉煤灰和硅灰可以提高磷酸钾镁水泥砂浆抗氯离子渗透性，粉煤灰和硅灰分别使磷酸钾镁水泥砂浆的电通量降低了15.3%、64.4%，而通过复掺两种矿物掺和料，磷酸钾镁水泥砂浆的电通量降低幅度达79.6%。曹德万等[19]认为，复掺粉煤灰和硅灰可以形成更佳的颗粒级配，有利于填充体系中的孔隙，减少较大的孔连通的可能性。

杨全兵等[20]比较研究了磷酸镁水泥砂浆、普通硅酸盐水泥砂浆和矿渣水泥砂浆的防钢筋锈蚀性能，试验时分别将普通圆钢筋浇筑于三种水泥砂浆中，之后对组合试件进行干湿循环试验，干湿循环制度如下：即在60±2℃下干燥3天，冷却后在3%氯化钠溶液中浸泡l天为一个循环。一定循环次数后，测定钢筋锈蚀失重率。试验结果发现，6次干湿循环后，磷酸镁水泥砂浆中钢筋锈蚀失重率为普通硅酸盐水泥砂浆的22.8%、矿渣水泥砂浆的48.6%，可以认为磷酸镁水泥砂浆的防钢筋锈蚀性能优于其它两种水泥砂浆，间接说明磷酸镁水泥砂浆具有良好的抗氯离子渗透性。

1.3 磷酸镁水泥基材料抗气体渗透性

与液体和离子相同，气体也是渗透水泥基材料的介质，由于气体分子本身的特点，它可以经孔隙结构较为容易的穿过水泥基材料，而气体的扩散过程可以较为精确地反应水泥基材料的孔隙情况和抗渗透性强弱[21]。气体进入到水泥基材料内部会引起一系列耐久性问题，例如，二氧化碳气体会导致普通硅酸盐水泥基材料的碳化反应，而氧气是造成钢筋混凝土结构发生电化学反应引发钢筋锈蚀的必要条件。

Hongyan Ma等[22]按照RILEM方法[23]研究了磷酸钾镁水泥的气体渗透性和孔结构的关系，研究发现磷酸钾镁水泥的孔隙率随水胶比的降低而降低，当水胶比不变时，M/P比值（过烧氧化镁和磷酸二氢钾的摩尔质量比）为6的试件具有最低的孔隙率和最小的临界孔径，同时也有最高的抗压强度和最小的气体渗透系数。

多孔材料的渗透性与孔隙结构的关系学术界已经进行了很多研究，提出了Carman-Kozeny模型、Bundle of capillary tubes模型等诸多模型[24-26]，多数模型最终可归结为式（3）。

式中：K—气体渗透系数；

φ—孔隙率；

dc—临界孔径；

β—与孔隙结构相关的模型参数。

Hongyan Ma等[22]发现磷酸钾镁水泥的气体渗透系数与孔隙结构的关系也满足上式，将不同配比磷酸钾镁水泥的孔隙数据和气体渗透系数代入上式进行拟合，求得β=3.09×10-4，相关系数R2为0.967。说明磷酸钾镁水泥气体渗透性和孔结构的关系符合经典渗透理论。

2 结论

磷酸镁水泥基材料的抗渗透性较好，优于普通硅酸盐水泥基材料。材料的抗渗透性主要取决于其孔隙结构，磷酸镁水泥是一种低水胶比的胶凝材料，具有较低的孔隙率和较小的临界孔径，这构成了优良抗渗透性的结构基础；在磷酸镁水泥基材料中加入矿物掺和料或高效防水剂可以进一步提高其抗渗透性；磷酸镁水泥基材料渗透性与孔隙结构的关系符合经典理论。

目前关于磷酸镁水泥基材料渗透性的相关研究还较少，对影响其渗透性的因素研究不够全面；且对于渗透性和其它性能相关关系的研究较为缺乏；现有研究的多针对某一介质的渗透性，缺乏不同介质渗透性的横向对比，以上的问题都需要在以后的研究中加以解决。

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Research Status of Permeability of Magnesium Phosphate Cement Based Materials

JIANG Zi-chao,ZHANG Shi-hao,DING Jian-hua,D AI Feng-le
（Department of Chemical and Materials Engineering,Logistical Engineering University,Chongqing 401311，China）

Magnesium phosphate cement(MPC)has excellent properties and is widely used in various fields.In this paper,the water permeability,chloride ion permeability and gas permeability of the magnesium phosphate cement based materials were reviewed,which could provide a certain reference for engineering application and further research.

Magnesium phosphate cement;Based materials;Permeability

TU 528

A

1671-0460（2017）03-0514-03

重庆市自然科学基金项目，项目号：cstc2012jjB50009。

2016-09-09

姜自超（1990-），男，山东临沂人，在读硕士，研究方向：磷酸镁水泥胶凝材料研究。E-mail：614327919@qq.com。