摘 要：本研究主要采用磷酸二氫鈉（SDP）部分替代磷酸二氫鉀制備磷酸鎂水泥，研究磷酸二氫鈉對(duì)磷酸鎂水泥負(fù)溫環(huán)境早期力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，磷酸二氫鈉可以縮短磷酸鎂水泥凝結(jié)時(shí)間，當(dāng)磷酸二氫鈉用量質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到75%時(shí)，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間為6min 30s。﹣-10℃環(huán)境下，當(dāng)磷酸二氫鈉完全替代磷酸二氫鉀時(shí)，MPC基材料的增強(qiáng)效果最好，但凝結(jié)時(shí)間卻最短，不足6min。復(fù)合磷酸二氫鈉和磷酸二氫鉀可提高M(jìn)PC的早期抗折強(qiáng)度及粘接強(qiáng)度，且磷酸二氫鈉的摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0到～50%范圍內(nèi)，粘接強(qiáng)度隨著磷酸二氫鈉含量的增加而增加；當(dāng)磷酸二氫鈉摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于50%時(shí)，粘接強(qiáng)度開始下降。

關(guān) 鍵 詞：磷酸鉀鎂水泥；負(fù)溫環(huán)境；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TQ172.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）08-00001199-0×4

我國(guó)北方冬季，對(duì)除冰鹽的使用會(huì)導(dǎo)致路面及周圍結(jié)構(gòu)物發(fā)生嚴(yán)重的鹽凍破壞[1，-2]。處在低溫環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)期外部荷載和環(huán)境因素的影響下會(huì)遭到破壞；一些大體積的混凝土結(jié)構(gòu)由于熱脹冷縮，其表面裂縫在冬季會(huì)張開到最大，危害最為嚴(yán)重。若這些缺陷得不到及時(shí)修補(bǔ)，會(huì)給居民的出行安全和社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)帶來影響。搶修搶建工程的難度和規(guī)模通常較大，不僅要求短時(shí)間內(nèi)修補(bǔ)完成，而且對(duì)時(shí)效性要求高（結(jié)構(gòu)物使用功能快速恢復(fù)）。所以用于工程搶修搶建膠凝材料必須具備如下性能：高強(qiáng)早強(qiáng)、施工性能好、耐久性及體積穩(wěn)定性好、良好的界面粘接能力等，以滿足搶修搶建工程需求[3，-4]。磷酸鎂水泥（MPC）是一種由可溶性磷酸鹽和 MgO 通過中和反應(yīng)得到的新型磷酸鹽膠凝材料。因具有早強(qiáng)快硬、水化放熱量大且集中、與舊界面粘接性好、抗寒耐高溫等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于道路橋梁、機(jī)場(chǎng)跑道、民用建筑和部分軍事應(yīng)急搶修工程中，是一種具有巨大前景的修補(bǔ)材料。磷酸二氫鈉作為磷酸鹽組分能為體系提供最高的水化溫度，以抵御外部負(fù)溫環(huán)境所帶來的負(fù)面影響，且與磷酸二氫鉀復(fù)摻具有更高的力學(xué)性能，是提高M(jìn)PC早期強(qiáng)度的一個(gè)手段。因此，本研究主要采用磷酸二氫鈉（SDP）部分替代磷酸二氫鉀制備磷酸鎂水泥，研究磷酸二氫鈉對(duì)磷酸鎂水泥負(fù)溫環(huán)境早期力學(xué)性能的影響。

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

本實(shí)驗(yàn)中采用重?zé)趸V由菱鎂礦（MgCO3）在工業(yè)窯爐中經(jīng)1700℃高溫煅燒制成。本試驗(yàn)磷酸二氫鉀。磷酸二氫鉀、磷酸二氫鈉以及硼砂為，分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不少于99%由，天津市大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，含量不少于99%。本試驗(yàn)所用的水均為自來水，，磷酸鎂水泥對(duì)水的溫度與用量都比較敏感，如果溶液溫度過低或者過高都會(huì)影響磷酸鎂水泥凝結(jié)時(shí)間。在進(jìn)行低溫環(huán)境試驗(yàn)前，將水放置于（0±2）℃的低溫試驗(yàn)箱中備用。

1.2 試驗(yàn)方法

參照前面的研究結(jié)果[5-7]，本研究選用磷酸鹽與氧化鎂的質(zhì)量比為1/3，由于SDP的摻入會(huì)加速水化速率、縮短凝結(jié)時(shí)間[8]并考慮后續(xù)加入偏高嶺土?xí)档蚆PC凈漿流動(dòng)度[9]，再加上前期的實(shí)驗(yàn)可行性驗(yàn)證，設(shè)置水灰比為0.2、硼鎂比為12%，在此基礎(chǔ)上改變SDP對(duì)KDP的取代量，分別摻入0、25%、50%、75%和100%，如表1所示。

為模擬低溫施工環(huán)境，在進(jìn)行試驗(yàn)前24h小時(shí)將磷酸鹽、緩凝劑、摻合料和40mm×40mm×160mm模具放入相應(yīng)溫度的低溫試驗(yàn)箱中提前進(jìn)行冷凍。試件澆鑄成型后立即放入低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，溫度根據(jù)試驗(yàn)條件設(shè)定為﹣-10℃。參照GB/T 1346《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》、JC/T2537-—2019《磷酸鎂修補(bǔ)砂漿》來測(cè)量磷酸鎂水泥的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及粘接強(qiáng)度。

KDP代表磷酸二氫鉀，SDP代表磷酸二氫鈉，B代表硼砂，M代表氧化鎂。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝結(jié)時(shí)間

圖1為在﹣-10℃環(huán)境下，不同磷酸二氫鈉摻和物的磷酸鎂水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間。

根據(jù)圖1知，隨著磷酸二氫鈉的加入，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間急劇減小。未添加磷酸二氫鈉時(shí)，SDP0組最終凝結(jié)時(shí)間為72min。加入磷酸二氫鈉后，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間明顯縮短，當(dāng)磷酸二氫鈉用量達(dá)到75%時(shí)，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間為6min 30s。當(dāng)磷酸二氫鈉全部替代磷酸二氫鉀時(shí)，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間最短僅為5min 12s，說明用磷酸二氫鈉代替磷酸二氫鉀縮短了磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間。Liu等[10]通過對(duì)氧化鎂改性的研究發(fā)現(xiàn)，鎂離子濃度對(duì)磷酸鎂水泥凝固時(shí)間有顯著影響。磷酸二氫鈉的可溶性更強(qiáng)，更容易形成酸性環(huán)境，所以磷酸二氫鈉的加入加速了Mg2+在MgO顆粒表面的溶解，反過來又加速了的水化反應(yīng)速度縮短了磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間。與未摻磷酸二氫鈉的磷酸鎂水泥凈漿相比，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四組凈漿凝結(jié)時(shí)間分別縮短了56.1%、79.2%、90.9%、91.9%。

2.2 抗折強(qiáng)度

圖2顯示了在﹣-10℃環(huán)境下，不同磷酸二氫鈉摻量對(duì)MPC試塊抗折強(qiáng)度的影響。

從圖2中可以看出，在未摻入磷酸二氫鈉時(shí)，SDP0試塊抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)隨齡期的增加而增加的趨勢(shì)，2h抗折強(qiáng)度僅為1.6MPa，水化到3d后抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)到5.3MPa。相較于空白組SDP0，在摻入磷酸二氫鈉后，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四組試塊抗折強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，其中這四組試塊在養(yǎng)護(hù)齡期為1d時(shí)抗折強(qiáng)度最高，抗折強(qiáng)度分別為7.2MPa、7.6MPa、9.2MPa和8.1 MPa，相較于SDP0組的4.5 MPa，抗折強(qiáng)度分別提高60%、68.9%、104.4%和80%?？梢园l(fā)現(xiàn)，復(fù)合磷酸二氫鈉和磷酸二氫鉀可提高M(jìn)PC的早期抗折強(qiáng)度，且說明復(fù)合磷酸鹽的比例和抗折強(qiáng)度提升有關(guān)，其中在各齡期下，SDP75組試件相較于其他四組試件抗折強(qiáng)度都為最高，說明磷酸二氫鈉替代量為75%時(shí)，對(duì)磷酸鎂水泥抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果最好。養(yǎng)護(hù)齡期為3d時(shí)SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四組試件較1d抗折強(qiáng)度略有下降，抗折強(qiáng)度分別降低4.3%、16.9%、2.2%和12.5%。

2.3 抗壓強(qiáng)度

圖3顯示了在﹣-10℃環(huán)境下，不同磷酸二氫鈉摻量對(duì)磷酸鎂水泥凈漿試塊抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，對(duì)于所有MPC試塊，隨著凝結(jié)時(shí)間的縮短，其抗壓強(qiáng)度都有不同程度的提高。相較于空白組SDP0，其試塊抗壓強(qiáng)度不隨齡期的增長(zhǎng)而發(fā)生大幅度的改變，但在摻入磷酸二氫鈉的磷酸鎂水泥凈漿中，試塊的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出隨著磷酸二氫鈉含量的增加而增加的趨勢(shì)。其中，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100四組試件的抗壓強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)齡期為1 d以前，強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，SDP100組試在養(yǎng)護(hù)1 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較小。

當(dāng)SDP摻量超過50%時(shí)，MPC基質(zhì)開始由磷酸鎂鉀基水泥向磷酸鎂鈉基水泥轉(zhuǎn)變，通過文獻(xiàn)[11]中SDP對(duì)MPC水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的研究，可以發(fā)現(xiàn)鈉型鳥糞石以非晶態(tài)出現(xiàn)。對(duì)于SDP100試件而言，其水化產(chǎn)物只有非晶態(tài)的鈉型鳥糞石，非晶態(tài)的鈉型鳥糞石可以填充空隙，細(xì)化孔隙結(jié)構(gòu)，因此強(qiáng)度繼續(xù)增加，而在-10 ℃環(huán)境養(yǎng)護(hù)1 d，強(qiáng)度達(dá)到54.8MPa之后，其抗壓強(qiáng)度變化不明顯。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)至3 d時(shí)，SDP25、SDP50、SDP75和SDP100組的抗壓強(qiáng)度分別為36.6、44.8、51.6和57.3 MPa。SDP25、SDP50、SDP75和SDP100組的抗壓強(qiáng)度比未加磷酸二氫鈉的SDP0組分別提高了215.5%、286.2%、344.8%和394%。這說明抗壓強(qiáng)度的提高與復(fù)合磷酸鹽（KDP和SDP）的比例有關(guān)，其中SDP100組強(qiáng)度的提高最大，說明在-10 ℃環(huán)境下，當(dāng)磷酸二氫鈉完全替代磷酸二氫鉀時(shí)，MPC基材料的增強(qiáng)效果最好，但SDP100組凝結(jié)時(shí)間卻為最短，不足6min，不滿足于工程施工。

2.4 粘接強(qiáng)度

圖4為磷酸二氫鈉摻量對(duì)磷酸鎂水泥在-﹣10 ℃環(huán)境養(yǎng)護(hù)1d和4d粘接強(qiáng)度的影響。從圖4可見磷酸二氫鈉的摻量在0到～50%范圍內(nèi)，粘接強(qiáng)度隨著磷酸二氫鈉含量的增加而增加，養(yǎng)護(hù)齡期為1d時(shí)SDP0、SDP25的粘接強(qiáng)度分別為1.7MPa和3.9MPa，SDP50的粘接強(qiáng)度最高為4.2MPa，與SDP0相比提高了147.1%，增幅較大。當(dāng)磷酸二氫鈉摻量高于50%時(shí)，粘接強(qiáng)度開始下降，SDP75和SDP100粘接強(qiáng)度為3.2MPa和2.8MPa，較SDP50降低了23.8%和33.3%。養(yǎng)護(hù)齡期至4d時(shí)，SDP0、SDP25、SDP50、SDP75和SDP100五組試件的粘接強(qiáng)度也是呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，磷酸二氫鈉摻量為50%時(shí)達(dá)到峰值；SDP0、SDP25、SDP50、SDP75和SDP100五組試件粘接強(qiáng)度分別為2.3MPa、4.1MPa、4.5MPa、3.7MPa和3.5MPa，相較于1 d的五組試件分別提高了35.3%、5.1%、7.1%、15.6%和25%；從圖中可以看到，較養(yǎng)護(hù)1 d的試件而言，SDP25和SDP50組在養(yǎng)護(hù)4 d后，其粘接強(qiáng)度提高程度不明顯。

3 結(jié)論

（1）加入磷酸二氫鈉后，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間明顯縮短，當(dāng)磷酸二氫鈉用量達(dá)到75%時(shí)，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間為6min 30s。當(dāng)磷酸二氫鈉全部替代磷酸二氫鉀時(shí)，磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間最短僅為5min 12s，說明用磷酸二氫鈉代替磷酸二氫鉀縮短了磷酸鎂水泥凈漿的最終凝結(jié)時(shí)間。

（2）﹣-10℃環(huán)境下，當(dāng)磷酸二氫鈉完全替代磷酸二氫鉀時(shí)，MPC基材料的增強(qiáng)效果最好，但SDP100組凝結(jié)時(shí)間卻為最短，不足6min，不滿足于工程施工。

（3）復(fù)合磷酸二氫鈉和磷酸二氫鉀可提高M(jìn)PC的早期抗折強(qiáng)度，且說明復(fù)合磷酸鹽的比例和抗折強(qiáng)度提升有關(guān).磷酸二氫鈉的摻量在0～50%，粘接強(qiáng)度隨著磷酸二氫鈉含量的增加而增加；當(dāng)磷酸二氫鈉摻量高于50%時(shí)，粘接強(qiáng)度開始下降。

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