磷酸镁水泥的研究进展.docx

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1、磷酸镁水泥的研究进展摘要：磷酸镁水泥是一种新型无机胶凝材料，兼有水泥、陶瓷和耐火材料的优点。综述了国内外磷酸镁水泥的制备、水化硬化机理、性能的研究进展，并分析了磷酸镁水泥推广应用中存在的一些问题，展望了磷酸镁水泥今后的发展前景。关键字：磷酸镁水泥水化机理性能ResearchProgressesinMagnesiumPhosphateCementJianhongQiu(CollegeofCivilEngineering.FuzhouUniversity.Fuzhou,FujianProvince350108,China)Abstract:Magnesiumphosphatecement(MPC)

2、isanewinorganiccementingmaterialwithsomecharacteristicsofcements,ceramicsandrefractorymaterials.Theresearchprogressesofpreparation,hydrationandhardenmechanisms,proertiesofMPCathomeandabroadaresummarized.TheexistingproblemsforpopularizationandapplicationofMPCanddevelopmentprospectsinthefutureareanaly

3、zed.Keywords:magnesiumphosphatecement;hydrationmechanisms;properties1.前言磷酸镁水泥(magnesiumphosphatecement,MPC)是一种新型无机胶凝材料，早在20世纪三四十年代ProSenIU和EarnShaW就发现MpC材料可应用于铸造业。MPC是一种以酸碱中和反应为基础形成化学键而产生强度的胶凝材料，国外学者又将其命名为CBpCS(Chemicallybondedphosphateceramics)日。这类胶凝材料具有传统水泥所不具有的优异性能：早强快硬、粘结力强、体积稳定性好、耐热性好、耐高温、与旧混凝土

4、之间的相容性好、耐久性好及环境适应性广等，同时兼有陶瓷、水泥、耐火材料的优点。MpC具有独特的性能，在建筑材料、耐高温材料、固封废料、深层油井固化、生物骨粘结材料等方面呈现出广阔的应用前景，己成为国内外学者关注的研究热点之一。2.国内外研究进展2.1磷酸镁水泥的制备SUgama以磷酸二氢筱(NH4H2PO4)和MgO为原料开发出磷酸彼镁水泥，但由于NHMhPOs反应时放出氨气，污染环境，限制了其在工程中推广与应用。Wagh印以KH2PO4替代NH4H2PO4成功开发出性能更为优越的磷酸钾镁水泥，克服了磷酸筱镁水泥在制备过程中释放氨气的缺点，并将其用作固核固废材料。在国内，夏锦红采用由高温嫂烧菱

5、镁矿(MgCO1)制备的MgO、NH4H2PO4及缓凝剂硼砂(NaaBKhTOHa)为原料来制备早强快硬的磷酸筱镁水泥，并将其用于混凝土结构的快速修补.杨建明以采用不同粒度的原料、复合磷酸盐(Whatisthis?)以及不同掺吊:的缓凝剂(Payattentiontoretardersandcollectinfoabouttheirproandcon)配制出磷酸钾镁水泥，指出原料粒度对MpC强度有较大影响周启兆凶采用电工级镁砂(WhatiSthis?MgoCOntent?)、磷酸二氢钾(KH2PO4)及硼砂为主要原料制备出凝结时间可控(Whattimerange?)、3d抗压强度和粘结强度分别

6、达到43MPa和6.2MPa的磷酸镁水泥，并用作混凝土路面修补剂。姜洪义凹采用由二次燃烧轻质碳酸铁(Whatisthis?)(4MgC0jMg(OH)24H2O)得到的重烧Mg0、磷酸二氢筱为主要原料，制备出3h强度可达40MPa以上的磷酸镁水泥。丁铸I期以低纯度镁砂(Iightburntordeadburnt?),粉煤灰及磷酸二氢钾为主要原料，制备出凝结较快、28d抗压强度可达70MPa的磷酸钾镁水泥。2.2磷酸镁水泥的水化硬化机理MPC的水化硬化反应是基于酸碱之间中和的放热反应，对于MPC的水化硬化机理存在一定的争议。目前，国内外众多学者一致赞同溶液一扩散机理国卜。以NH4H2PO4和重烧

7、Mgo为原料制备MPC为例来说明MPC的水化硬化过程：MPC粉末与水混合后，磷酸二氢铁在水中迅速溶解并离子化生成NH，、M、和POj,氧化镁粉末受到水与氢离子的进攻后，颗粒表面溶解生成Mg2+,游离出的Mg?.与NH4+及P0/作用形成一种无定形的镁-磷酸核盐络合物水化凝胶，MgNH4PCh6H2O(俗称鸟粪石)被认为是最主要的反应产物，随着反应的进行，产物逐渐结晶析出。由于体系中氧化镁过剩，析出的产物就覆在氧化镁粒于表面，并形成一层水化产物膜将氧化镁粒子紧密地连结成一体。这样，在水化产物作用下整个体系逐渐凝结和硬化。trytounderstandthefollowingandsearchfo

8、rmoreinfo:Thephosphate-cementprocessisbasedonanacid-basereactionbetweenmagnesiumoxide(MgO)andasolutionofalkaliphosphatesaltsuchassodiumorpotassiumphosphate.Herewedescribetheprocessbasedonmonopotassiumdihydrogenphosphate(KH2PO4).Thereactionproductismagnesiumpotassiumphosphate(MgKPO4.6H2O)thatisformed

9、bydissolutionofMgOinthesolutionofKH2PO4anditseventualreactiontoformtheproductaccordingtothereaction,MgO+KH2PO4+5H2OMgKPO4.6H2O2.3磷酸镁水泥的工作性能MPC材料水化反应速度快、凝结硬化迅速、不利于成型、工作性能较差。目前，主要从凝结时间、流动性、粘度、保水性以及粘聚性来评价MPC的工作性能。Hal/研究了缓凝剂对磷酸铁镁体系凝结时间的影响规律，指出随着硼酸和硼砂掺量增加，MPC的凝结时间延长，但三聚璘酸钠的缓凝效果受其在饱和NH4H2PO4中的溶解度限制，当其溶解度为

10、340g/c?时，缓凝效果最好，MPC的凝结时间达到15min左右。WagN1和SOUde对MPC的凝结时间进行研究，认为Mgo活性影响MPC的凝结时间，经过1300匕高温帽烧，表面结构发生重组，使Mgo颗粒之间变得更加密实，Mgo颗粒的粒径增大，从而降低MgO在水溶液中的溶解度，减小MPC的水化速度，延长凝结时间；煨烧温度越高越易导致Mgo颗粒凝聚和较小颗粒团聚，MgO比表面积从11.90m2/g降低到0.91n/g,相应凝结时间从Imin延长到9min.姜洪义、杨建明、汪宏涛闾、焦宝祥四、李鹏晓同等的研究表明，磷酸盐与氧化镁的比例(P/M)、水灰比(W/C)、原料种类与细度、缓凝剂、环境温

11、度以及粉煤灰对MpC的凝结时间产生显著影响，在其他条件相同的情况卜，P/M越小，MPC凝结时间越短，一般控制P/M在l4l5之间；用水最的增加相应地降低了MPC水化反应速度；以低酸度磷酸盐(NH也HPo4和K2HPO4为原料，在水料比和缓凝剂一定的情况卜，随着(NH/HPo4与K2HPO4的物质的量比降低，其浆体的流动性增强，凝结时间延长；MgO粉末比表面积增加，MgO粉末与溶液接触面积增大，水化反应速度加快,一般控制Mgo的比表面积在13OO3OOOcn/g;环境温度升高，MPC水化反应速度加快，凝结时间缩短；加入硼砂缓凝剂是延长MPC凝结时间最为有效的方法之一，随着缓凝剂掺量增加，MPC凝

12、结时间延长，能够满足施工要求；加入粉煤灰可以降低MPC的稠度，改善其流动性能，当粉煤灰掺量超过12%时可以延长MPC的凝结时间opayattentiontoanyretarderwhichcandelaysettingforatleast30min!2.4磷酸镁水泥的力学性能.MPC具有优越的力学性能，早期强度较高。目前，对MPC力学性能的研究主要集中在MPC砂浆或混凝土的抗压强度、抗折强度、粘结强度以及弹性模量。姜洪义四、李鹏晓3)认为M/P显著影响MPC的强度，其值不宜过小或过大：M/P过小时，磷酸盐相对过剩，易吸水膨胀，导致基体开裂，降低MpC的强度；M/P过大时，Mgo相对过剩，不能生

13、成足够的水化产物胶结未反应的Mgo颗粒，颗粒之间较为松散，进而强度降低，一般控制P/M(beCOnSiStent!)在1/41/5之间。YangEI的研究表明MgO活性和比表面积会影响MPC的力学性能。Mgo活性越高，比表面积越大，MgO溶解能力越强，水化反应速度越快，凝结硬化时间越短，早期强度发展较快，但7d之后强度基本处于稳定。HallM指出缓凝剂及水胶比对MPC材料的强度和弹性模量具有重要的影响，认为MPC的强度及弹性模量随缓凝剂种类和掺量及水胶比的不同而表现各异。随着缓凝剂掺量的增加，MPC早期3h强度和弹性模量降低，*j28d后强度和弹性模量的影响不大；随着水胶比增大，MPC的强度和

14、弹性模量迅速卜.降。杨建明巧认为在保持相同稠度的情况下，缓凝剂硼砂掺量月MPC硬化体抗压强度的影响，与硼砂掺量影响水化反应速度进而影响MPC硬化体的微观结构有着密切的关系，而且当缓凝剂掺量为7.5%10%时，MPC的抗压强度较高。丁铸IH)J对以粉煤灰为矿物掺合料制备MPC进行了研究，指出粉煤灰掺量为40%时，MPC28d抗压强度达到70MPa,比未掺粉煤灰试样的28d抗压强度高出1.5倍(didtheauthorsexplainedwhy,differencesinmicrostructure,hydrationproducts?).张思宇凶研究了粉煤灰掺睛对磷酸篌水泥复含材料力学性能的影响

15、规律，掺入粉煤灰为10%,各个龄期强度均有所提高，28d强度可达50MPa以上。环境温度对MPC强度的发展也有一定的影响，Yangl2|)指出随着环境温度的升高，MPC的抗压强度增大，特别是早期强度发展较为迅速。Mgcementcandevelopstrengthquicklyunderverycoldenvironments,canbeusedincoldregions!2.5磷酸镁水泥的体积稳定性MPC作为一种十分优异的混凝土结构快速修补材料，其体积稳定性是控制混凝土结构表面开裂、提高界面粘结强度、保证修补成功和耐久性的要素之一。杨全兵网指出磷酸盐水泥基材料(MPB)的热膨胀系数和干缩率远

16、比其他材料低，且MPB与旧混凝土之间的热性能具有很好的匹配性。汪宏涛e、林玮冏对MPC基材料体积变化的影响因素进行了试验研究(ShoWsomenumbersandhowthesenumberscomparedwithportland!),认为Mgo的活性、水胶比、P/M、缓凝剂以及粉煤灰搭:影响MpC体积变化的主要因素C2.6磷酸镁水泥的耐水性MPC作为结构混凝土的快速修补材料，其耐水性的优劣势必会对其耐久性产生影响，同时，耐水性差将在很大程度上影响其广泛应用。doyouimplyMgcementingeneralorincertaincases(withNH4H2PO4orKH2PO4)hasdeteriorationproblemsinwater?showsomenumbersifavailable!李东旭L认为原料配比对MpC的耐水性影响较大，加入矿物掺合料、优化配比等可以有效改善MpC的耐水性能。