唐家云，黎红兵，薛伶俐，吴凯

（1.四川省建筑科学研究院有限公司，四川 成都 610036；2.同济大学 材料科学与工程学院，上海 201804）

0 引言

公路是我国基础设施建设中重要的组成部分，是经济社会发展的基本保障。目前，修建于20世纪七八十年代的大部分混凝土路面已经达到设计使用年限，存在不同程度的损伤。20世纪末修建的混凝土路面中尚未达到使用年限的，在环境恶劣、维护不当和交通荷载超重的情况下，也出现了一定程度的破损。这不但降低了公路的使用性能，还极大地降低了路面结构的承载能力，增加了道路运输成本，加大了驾驶危险程度，妨碍了公路运输行业的发展[1-2]。当前，我国经济正在高速发展，公路运输体量巨大，为了降低由于公路路面损坏造成的经济损失，在尽可能缩短维护修补时间的情况下，路面快速修补成了道路发展方向的关键技术。

磷酸镁水泥（Magnesium Phosphate Cement，MPC）是一种新型气硬性胶凝材料，由过烧氧化镁、磷酸盐类和缓凝剂等按一定比例在常温下发生化学反应制成[3]。在常温下，MPC会与水发生化学反应，然后开始凝结硬化，反应过程与硅酸盐水泥类似。MPC水化产物的力学性能、致密程度和耐酸碱腐蚀程度一般较高，与陶瓷的相关特性相近，因此又被成为“化学结合陶瓷”或“陶瓷水泥”[4]。

与硅酸盐水泥相比，MPC的早期强度和粘结强度较高，凝结时间较短，且在低温条件下仍具有较好的抗冻性和耐磨性。因此，MPC可用于公路、桥梁、隧道、机场跑道和工厂地面等的快速修补及温度较低的季节或地区施工[5]。但同时，MPC的价格也比硅酸盐水泥更高。本文介绍了掺加3种常见矿物掺合料来降低成本的方法，并分析了不同矿物掺合料对MPC力学性能的影响。

1 磷酸镁水泥的性能研究

MPC在常温下加水后，发生以酸碱中和反应为基础的放热反应，生成以MgNH4PO4·6H2O（鸟粪石）为主的水化产物，MPC的许多性能都有别于普通硅酸盐水泥，具体表现为：

（1）凝结时间短。MPC在数分钟内即可凝结硬化，为了延长运输和施工的时间，通常需要向MPC体系中掺入缓凝剂以延长MPC的凝结时间[6]。

（2）早期强度高。MPC的抗压强度在1 h内可达20 MPa以上，若减少缓凝剂掺量或降低体系的水胶比，还可进一步提高早期强度。早期强度的高低对于修复时间的长短有重要影响，这对于工程抢修至关重要[7]。

（3）界面粘结强度高。MPC与混凝土基体间不仅存在机械咬合力和范德华力，还存在化学键作用。其原因在于混凝土中的水化产物与MPC中的磷酸盐会发生化学反应生成磷酸盐。Qiao等[8]对比研究了不同M/P的MPC与普通硅酸盐水泥的抗折粘结强度随养护时间的变化，如图1所示[8]，试验结果表明，与硅酸盐水泥相比，MPC具有更高的粘结强度。

图1 M/P对MPC抗折粘结强度的影响

（4）耐磨性好。MPC水化硬化体中通常含有大量未水化的氧化镁颗粒，这些经过高温重烧后的氧化镁颗粒硬度高、结构致密、耐磨性好[9]。

（5）体积稳定性好。与硅酸盐水泥相比，MPC的收缩率更低，调整配合比可使MPC修补材料产生微膨胀[10]。因此，MPC与混凝土基体有较好的体积相容性。

（6）MPC与混凝土基体材料的热膨胀系数相近，有良好的力学相容性[11]。

（7）原料来源广泛，我国菱镁矿资源总量达31.45亿t，白云石矿40亿t以上，是世界上镁矿资源最丰富的国家，这些矿产丰度高，容易进行自然循环[12]。

MPC具有上述诸多性能特点，适合用作混凝土快速修补材料，具有广阔的市场前景。但是，MPC的成本较高，通常需要掺入矿物掺合料替代部分水泥来降低成本。

2 磷酸镁水泥的改性方法研究

2.1 粉煤灰改性磷酸镁水泥

粉煤灰是一种具有潜在活性的火山灰质材料，广泛应用于普通水泥混凝土中，能够改善新拌混凝土的和易性，提高混凝土水化硬化浆体的后期强度和体积稳定性等[13]。黄义雄[14]分别研究了在相同水灰比和相同扩展度下，粉煤灰掺量对MPC砂浆抗压强度的影响，结果如图2、图3所示[14]。

图2 相同水胶比下粉煤灰掺量对砂浆抗压强度的影响

图3 相同扩展度下粉煤灰掺量对MPC抗压强度的影响

由图2可见，在相同水胶比下，随着粉煤灰掺量从0增加到50%，MPC砂浆的抗压强度逐渐降低；粉煤灰掺量增加到10%时，MPC砂浆的抗压强度下降最快；粉煤灰掺量为50%时，MPC砂浆的抗压强度仅为对照组的一半。由图3可见，在相同扩展度下，粉煤灰掺量为10%时，MPC砂浆的抗压强度较对照组有所提高。

0～50%的粉煤灰掺量对砂浆的早期强度影响较小。原因主要是在一定扩展度下，掺入粉煤灰会适当减少用水量，降低水胶比，从而部分抵消因掺入粉煤灰造成的强度损失。同时，粉煤灰对砂浆抗压强度还存在不同方面的影响：一方面，粉煤灰具有“微细集料效应”，能够起到优化砂浆颗粒级配和孔结构，提高砂浆密实程度的作用，有利于砂浆强度的发展；另一方面，粉煤灰水化需要消耗碱，降低体系的pH值，延缓水化，不利于砂浆的强度发展，同时粉煤灰内部疏松多孔的结构也会降低强度[7]。

2.2 硅灰改性磷酸镁水泥

我国硅灰的年产量巨大，目前广泛应用于普通水泥混凝土中，可提高混凝土的填充性、稳定性、流动性、力学性能与耐久性[15-16]。任强等[17]分别研究了粉煤灰（FA）、超细粉煤灰（UFA）、硅灰（SF）等矿物掺合料单掺和复掺对MPC砂浆抗压和抗折强度的影响，并与未掺掺合料的对照组（J0）进行对比，结果如图4和图5所示[17]。

图4 矿物掺合料单掺对MPC砂浆强度的影响

由图4可见，随着龄期的延长，掺入10%的粉煤灰或超细粉煤灰均会降低磷酸镁水泥砂浆的抗压和抗折强度。而掺入硅灰的砂浆，其抗压强度未出现明显变化，5、10 d抗折强度较对照组有一定的提高。这主要因为硅灰具有微集料填充效应，有利于提高磷酸镁水泥砂浆密实程度。然而，随着龄期的进一步延长，MPC生成了更多的水化产物，填充了部分孔隙，使得硅灰的微集料填充效应逐渐淡化，导致硅灰对砂浆抗压和抗折强度的影响逐渐减小。由此可见，在矿物掺合料掺量为10%时，相比于粉煤灰和超细粉煤灰，单掺硅灰对提高MPC砂浆的抗压和抗折强度效果更好。

图5 矿物掺合料复掺对MPC砂浆强度的影响

由图5可见，复掺5%硅灰与10%粉煤灰或10%超细粉煤灰对水泥砂浆的早期抗压和抗折强度有一定的提升作用。这主要是因为硅灰颗粒较细，在一定的掺量下可以充分发挥其微集料填充效应，改善MPC砂浆的颗粒级配。同时，硅灰颗粒可作为晶核，促进磷酸镁水泥水化的发展，有利于磷酸镁水泥砂浆抗压和抗折强度的发展。

2.3 钢渣改性磷酸镁水泥

钢渣是炼钢厂在冶炼过程中，在1600℃以上时，通过氧化造渣去除钢水中的碳、硅、硫等杂质而产生的废渣[18]。钢渣中主要包含钢水中被氧化生成的各种氧化物、造渣材料、护炉材料带入的杂质等。我国钢渣年产量约为8000万t，但其利用率仍然较低。由于钢渣硬度大、抗压强度高、耐磨性好等优点，广泛用于普通水泥混凝土的制备中。李悦等[19]研究了钢渣掺量对MPC不同龄期的抗压、抗折强度的影响，结果如图6所示[19]。试验所用钢渣为磨细钢渣，比表面积为657m2/kg。

图6 钢渣掺量对MPC抗压、抗折强度的影响

由图6（a）可见，随着钢渣掺量的增加，MPC的抗压强度先提高后降低，在钢渣掺量为15%时达到最高。这主要是因为钢渣自身弹性模量较高，当钢渣掺量≤15%时，钢渣颗粒均匀地分布在体系中，提高了MPC硬化浆体的抗压强度；当钢渣掺量进一步增加时，胶凝材料的含量相对减少，水化产物不足以包裹钢渣颗粒，难以形成紧密连接，导致体系中孔隙率增大，缺陷增多，使得MPC的抗压强度降低。

由图6（b）可见，随着钢渣掺量的增加，MPC的抗折强度逐渐降低，当钢渣掺量为20%时，与对照组相比，MPC的28 d抗折强度下降了20%左右。这主要是因为，随着钢渣掺量的增加，钢渣与MPC浆体的粘结界面面积逐渐增大。而砂浆的抗折强度对缺陷较为敏感，当钢渣与MPC浆体弱粘结界面逐渐增多，砂浆抗折强度逐渐降低。当钢渣掺量进一步提高时，抗折强度下降的趋势有所减缓。引起该结果的原因可能是体系中钢渣携带的Al2O3含量增多，而Al3+会与MPC中未参与水化的颗粒发生反应生成APH凝胶[20]，在一定程度上抵消了由于钢渣掺量增加而导致的粘结力下降的影响。

3 结语

（1）磷酸镁水泥是一种能够在室温下快速固化的新型水泥，具有凝结速度快、早期强度高、界面粘结强度高、耐磨损、体积稳定性好、抗冻性好等优点，可以应用在工程修复和寒冷地区施工等领域，有着广阔的市场前景。但磷酸镁水泥的成本较硅酸盐水泥高，限制了其大规模应用。

（2）单掺粉煤灰或钢渣可在一定程度上降低磷酸镁水泥的抗压和抗折强度，而单掺硅灰对其影响较小；复掺硅灰与粉煤灰的效果相对较好。