刘 飞 潘宝峰 王 磊 何奎亮

(1.大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116023; 2.辽宁省交通运输事业发展中心建设养护部，辽宁 沈阳 110005; 3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引言

磷酸镁水泥(MPC)是由重烧氧化镁、可溶性磷酸盐、矿物掺合料、缓凝剂和水按照一定的比例混合，其主要利用磷酸盐和氧化镁迅速发生的酸碱中和反应，生成较强黏度的无机胶凝结合材料，由于其产物的结晶度高而被称为磷酸盐化学陶瓷结合材料。因此在建筑材料、工程抢修材料、固化重金属污染物、耐火材料和生物医学工程材料等方面均有着非常好的应用前景，是新型胶凝材料方面关注研究的热点之一[1]。

20世纪初，MPC材料开始应用于铸造业。1970年，美国Argonne国家实验室研究发现磷酸钾镁水泥具有更优异的水化性能，并将MPC成功用于固化放射性和有毒废物，随后又将其开发用于冻土地区或具有地热地区深层油井的加固。

我国对磷酸镁水泥的研究较晚，姜洪义、汪宏涛[2]等开展了有关磷酸镁水泥的水化机理和工程应用等相关研究。在路面快速修补方面，李九苏[3]等国内外学者对磷酸镁水泥在实际工程中的修补应用进行了大量研究。

1 磷酸镁水泥水化机理及水化产物

基于可溶性磷酸盐与呈碱性的重烧氧化镁发生酸碱中和反应，反应过程伴随热量的产生，Wagh[4]通过XRD,DTA，FT-IR等一系列表征手段分析其水化产物，推断出MKPC的主要成分为MgKPO4·6H2O(MKP，水化磷酸镁钾，鸟粪石)：

MgO+KH2PO4+5H2O→MgKPO4·6H2O

随着水化反应的进行，饱和的MgKPO4·6H2O晶体析出，将氧化镁颗粒之间的缝隙逐渐填充密实，最终形成以氧化镁颗粒为骨架MgKPO4·6H2O晶体为水化凝胶具有一定强度的硬化体。

2 磷酸镁水泥性能的影响因素

2.1 氧化镁颗粒

Soudee等[5]的研究认为氧化镁比表面积越大，凝结时间越短。常远等[6]研究发现细度对鸟粪石的早期强度没有明显影响。齐召庆等[7]通过改变MgO颗粒的级配体系改善MPC的收缩性能，使MPC不收缩或者产生微膨胀，提高修补质量。如要延长磷酸镁水泥的凝结时间，可以提高MgO煅烧温度或降低MgO比表面积[8]。提高MgO活性可以改善磷酸镁水泥的体积稳定性[8]。

2.2 P/M质量比(磷酸盐/氧化镁)

作为磷酸镁水泥强度的主要来源，磷镁质量比是对性能影响较大的因素。齐召庆等[9]发现磷酸镁水泥收缩达到最大值后会出现膨胀现象，并且膨胀值随着P/M比值的增大而减小。齐浩霖等[10]发现当P/M=1∶3时，抗压强度最大，此时产生的水化产物为结晶度很好的板状晶体。孙春景等[11]发现自然养护条件下MKPC浆体的强度较高，水养护条件下有更多的MgO和KH2PO4发生溶解，导致MKPC浆体的抗压强度较低。

2.3 缓凝剂

磷酸镁水泥凝结速度快源于快速发生的化学反应。需采取高效的缓凝措施以减缓反应速率，同时降低对材料自身性能的影响。有研究表明，磷酸镁水泥抗压强度随着硼砂掺量的增加先升后降，段新勇等[12]以硼砂、氯化钙为原料制备复合缓凝剂，使得水化产物的结晶度和微裂纹得到了一定改善。因此，在延长凝结时间的同时，复合缓凝剂更有利于改善磷酸镁水泥的整体性能。

2.4 掺合料

将矿物掺合料取代部分磷酸镁水泥是为了降低磷酸镁水泥的成本。蒋正武等[13]发现矿物掺和料参与水化进程中，形成的无定形物质是对磷酸镁水泥砂浆强度的补偿；矿物掺合料的火山灰活性是改善磷酸镁水泥砂浆粘结强度的重要原因。

3 磷酸镁水泥改性

3.1 聚合物改性磷酸镁水泥

适量聚合物的掺入让混凝土脆性降低，柔性增大，变形能力增加。聚合物填充了基体内部孔隙并形成三维空间网状结构，使混凝土材料的抗磨损能力明显改善，便于道路修补。黄煜镔等[14]研究发现聚合物乳液粘度大，浆体流动度减小，可延长磷酸镁水泥凝结时间。

3.2 纤维改性磷酸镁水泥

20世纪末，国内外学者开始将纤维加入混凝土中以提高混凝土的力学性能和耐久性能。姜自超等[15]掺加0.5%～2.0%(体积分数)的玻璃纤维和微钢纤维，发现可增强磷酸镁水泥的抗压强度和耐磨性。钱觉时等[16]研究表明玄武岩纤维增韧的磷酸镁水泥材料在性能上比玻璃纤维具有应用优势。

4 MPC性能

4.1 力学性能

MPC砂浆的强度与各组分的掺量均有不同程度的关系，综合选取适当的原料掺量能够提高磷酸镁水泥的强度、韧性和粘结性能。掺加矿物掺合料既可以优化配合比，提升MPC力学性能，又可以降低成本。汪宏涛[17]通过优化配合比设计使磷酸镁水泥砂浆3 h抗压强度达到40 MPa以上、抗折强度达到6 MPa以上。

目前笔者开展的研究中，玄武岩纤维增韧磷酸镁水泥砂浆具有良好的力学性能。其微观测试如图1所示。

4.2 水稳定性

李东旭等[18]的实验结果表明水养条件下与自然养护条件下相比，MPC抗压强度是下降的。因为水养条件下水泥基体中少量未反应的磷酸盐溶出，使得周围pH下降呈酸性环境，鸟粪石晶体逐渐溶解，使体系孔隙率增大，因此出现强度倒缩现象。学者们积极研究改善磷酸镁水泥耐水性能的措施。杨建明发现水玻璃对MPC浆体有增稠作用，不仅增强浆体的抗渗性，还可固化鸟粪石，阻止其溶出[19]。

4.3 抗冻性能

吴发红等[20]实验测得磷酸镁水泥净浆经过400次冻融循环后仍具有较好的抗冻性。因此磷酸镁水泥非常适用于寒冷地区的道路桥梁快速修补。

4.4 耐腐蚀性能

混凝土长时间受到海水冲击和有害离子侵蚀，往往伴随着水工混凝土结构出现剥落、破损现象。甄树聪等[21]发现掺加10%粉煤灰的MPC砂浆抗氯离子侵蚀性明显优于水泥砂浆。俞佳欢等[22]发现磷酸盐快速修补材料耐盐腐蚀性能较强，耐酸碱腐蚀性能较差。

5 综合评述

磷酸镁水泥(MPC)，一种在常温下通过酸—碱中和反应形成的新型快速胶凝材料。与传统硅酸盐水泥相比，磷酸镁水泥，具有强度发展快、抗冻、耐盐腐蚀等优点，力学性能虽受到原材料占比的影响，但通过掺加聚合物和纤维可以得到有效改善。此外，矿物掺合料的掺入不仅降低成本，还改善磷酸镁水泥的水稳定性和抵抗酸碱腐蚀的能力。目前迎合国家可持续发展战略，废弃物应用于磷酸镁水泥改性领域将具有广阔的应用前景。

6 结语

磷酸镁水泥耐久性相对于传统硅酸盐水泥具有明显的优势。凭借快速形成强度的优势，磷酸镁水泥可用于抢修、快速修复工程。目前研究主要集中在提升磷酸镁水泥力学性能的措施方面，而对实际应用中其与已有构造物材料的协同工作性能尚缺乏研究。因此，未来可研究磷酸镁水泥修补材料和旧水泥混凝土构造物协同工作特性，为该材料的推广和应用提供理论基础和实践指导。