一種高性能磷酸鉀鎂水泥砂漿及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種新型土木工程材料，尤其是一種高性能磷酸鹽水泥基材料，特別 是一種高性能磷酸鉀鎂水泥砂漿及其制備方法，屬于土木工程用材技術領域。
【背景技術】
[0002] 磷酸鎂水泥是由死燒氧化鎂、可溶性磷酸鹽和外加劑等按照一定比例，在酸性條 件下通過酸堿化學反應及物理作用生成的以磷酸鹽為黏結相的無機膠凝材料；該類材料在 常溫下通過化學鍵結合，具備了硅酸鹽類膠凝材料和陶瓷材料的主要特點，即低溫固化、高 早強、高體積穩定性、粘結性強、硬化體偏中性等。磷酸鎂水泥中的磷酸鹽能與普通混凝土 中的水化產物或未水化的熟料顆粒反應生成同樣具有膠凝性的磷酸鈣類產物，因此在與硅 酸鹽混凝土的粘結界面附近，除了物理粘結作用外，還存在很強的化學粘結作用，粘結性較 高；磷酸鎂水泥的酸堿組份遇水后中和反應迅速，強度發展快，早期強度尤其是小時強度非 常高，這是普通硅酸鹽水泥甚至是快硬硫鋁酸鹽水泥等都不能相比的；磷酸鎂水泥基材料 漿體的水膠比低，水化硬化過程的收縮變形僅為硅酸鹽水泥基材料的十分之一，體積穩定 性好；磷酸鎂水泥基材料的熱膨脹系數與普通硅酸鹽混凝土的很接近，之間的熱性能匹配 很好。上述優點使磷酸鎂水泥基材料成為混凝土結構最理想的修補加固材料之一。在磷酸 鎂水泥基材料的配制技術中，凝結時間和水穩定性的控制是關鍵技術。磷酸鎂水泥基材料 凝結快，水化熱早期集中釋放，這對施工操作和后期性能均產生不利影響，限制了其的使用 范圍。磷酸鎂水泥基材料長期與水接觸，存在水溶蝕現象，試件的水養護強度相比同齡 期自然養護的強度會有不同程度的折減，水穩定性有待提高，這限制了其在水環境下的使 用。骨料對磷酸鎂水泥基材料的強度、水穩定性及體積穩定性有重要影響。已有用石英砂、 氧化鋁砂、氧化鎂砂和花崗石作為細骨料，可配制高強度的磷酸鎂水泥砂漿，但石英砂、氧 化鋁砂、氧化鎂砂和花崗巖資源有限、價格昂貴，限制了其使用；普通河砂和石灰石雖來源 豐富且成本低廉，但配制的磷酸鎂水泥砂漿的骨料摻量（最佳骨灰比為1)和強度均較低， 有待進一步改善。
【發明內容】
[0003] 本發明目的是：針對傳統磷酸鎂水泥基材料凝結快、水化熱早期集中釋放、水穩定 性差、對骨料的品質要求高和骨灰比低等問題，提出了一種高性能磷酸鉀鎂水泥砂漿及其 制備方法。該方法所制備的磷酸鉀鎂水泥砂漿凝結時間可控、水化熱分階段釋放、高早強和 后期強度持續增長、水穩定性高、體積收縮小、骨灰比高、骨料資源豐富和價格低、與普通硅 酸鹽混凝土構件的粘結強度高，該發明制備工藝簡單、使用方便、節能環保、成本較低。
[0004] 本發明的技術方案是：一種高性能磷酸鉀鎂水泥砂漿的制備方法，包括以下步 驟：
[0005] 步驟一：取死燒氧化鎂粉作為堿性組份，磷酸二氫鉀作為酸性組份，并摻入復合緩 凝劑，配制成磷酸鉀鎂水泥，其中，所述死燒氧化鎂粉、所述磷酸二氫鉀和所述復合緩凝劑 的質量比依次為60~67 :33~40 :8~12 ;
[0006] 步驟二：取所述步驟一制得的磷酸鉀鎂水泥、硅灰和硫酸亞鐵配制成磷酸鉀鎂水 泥砂漿的膠凝組份，其中，所述磷酸鉀鎂水泥、硅灰和硫酸亞鐵的質量比依次為85~93 : 5 ~10 :0. 25 ~0. 50 ;
[0007] 在所配制的磷酸鉀鎂水泥中摻硅灰和硫酸亞鐵并合理調節其組成結構，得到高強 度和水穩定性的磷酸鉀鎂水泥基膠凝組份。
[0008] 步驟三：取普通河砂和石灰石砂混合制成磷酸鉀鎂水泥砂漿的細骨料，其中，所述 普通河砂和所述石灰石砂質量比依次為25~50 :50~75 ;
[0009] 通過合理調節普通河砂和石灰石砂的比例得到級配合理的磷酸鉀鎂水泥砂漿雙 組份細骨料。
[0010] 步驟四：取步驟二制得的膠凝組份、步驟三制得的細骨料與水混合，制成磷酸鉀鎂 水泥砂漿，其中，所述細骨料與膠凝組份的質量比依次為1. 25~1. 5 :1，外摻水的質量占膠 凝組份質量的0. 12~0. 15。
[0011] 該步驟通過合理調節骨灰比和水膠比，改善了磷酸鉀鎂水泥砂漿的體積穩定性、 水穩定性和強度。
[0012] 所述步驟三和步驟二的順序不分先后，所述步驟三和步驟一的順序不分先后。
[0013] 本發明在上述技術方案的基礎上，還包括以下優選方案：
[0014] 還包括步驟五：將成型好的磷酸鉀鎂水泥砂漿試件3~6h脫模，置于30~50°C 的溫水中養護3~24h，然后在自然空氣環境下養護到規定齡期。設置水化早期溫水浸泡的 養護措施并控制溫水浸泡時間，以提高磷酸鉀鎂水泥砂漿硬化體的強度和水穩定性。
[0015] 在所述步驟一中，所述復合緩凝劑由四硼酸鈉、十二水合磷酸氫二鈉和無機氯鹽 組成。
[0016] 在所述步驟一中，所述死燒氧化鎂粉中MgO的質量分數多90%，死燒氧化鎂粉的 比表面積為200~220m 2/kg。
[0017] 在所述步驟一中，所述磷酸二氫鉀為工業級磷酸二氫鉀，該磷酸二氫鉀的主粒度 為 40/350 ~60/245 目 / y m。
[0018] 在所述步驟二中，所述硅灰中SiO2的質量分數多75%，所述硅灰的比表面積為 20000 ~28000m2/kg。
[0019] 在所述步驟二中，所述硫酸亞鐵為工業級硫酸亞鐵。
[0020] 在所述步驟三中，所述普通河砂為中砂，其細度模數為2. 3~3. 0。
[0021] 在所述步驟三中，所述石灰石砂由石肩篩除0. 315mm以下的石粉和5mm以上的粗 顆粒而得到，其細度模數為3. 4~4. 0。
[0022] -種采用上述方法制備而成的高性能磷酸鉀鎂水泥砂漿。
[0023] 本發明的優點是：
[0024] 1、本發明通過合理調節復合緩凝劑的組成結構和摻量，可調控磷酸鉀鎂水泥砂漿 的凝結時間在20~60分鐘范圍，水化熱分階段釋放，包括誘導前期、誘導期、加速期、減速 期和穩定期，解決了磷酸鉀鎂水泥砂漿凝結快、施工可操作性差和水化熱早期集中釋放等 問題。
[0025] 2、本發明通過在磷酸鉀鎂水泥中摻入適量的硅灰和硫酸亞鐵，有效改善了磷酸鉀 鎂水泥基膠凝組份硬化體的微結構，進而改善磷酸鉀鎂水泥砂漿的強度和水穩定性，使其 60d抗折強度提高5~10 %、60d抗壓強度提高10~20 %和60d水養護剩余強度率提高 10 ~20%〇
[0026]3、本發明通過將粒徑較細的普通河砂和粒徑較粗的石灰石砂按比例混合，改善細 骨料的顆粒級配，使磷酸鉀鎂水泥砂漿的最佳骨灰比提高25~50 %，60d抗壓強度提高 15~30%，收縮變形減少30~60%。
[0027] 4、本發明通過將脫模后的磷酸鉀鎂水泥砂漿試件置于30~50°C的溫水中養護 3~24h，然后在自然空氣環境下養護到規定齡期，使磷酸鉀鎂水泥砂漿的3d強度提高 10~20%，60d強度提高5~10%。
[0028] 5、本發明經制得的磷酸鉀鎂水泥砂漿，初凝時間在20~60分鐘范圍，水化熱分階 段釋放；3d抗折為8~llMPa、抗壓強度為50~65MPa ;60d抗折強度為10~13MPa、抗壓 強度為65~75MPa ;60d水養護剩余強度率為90~120%;60d收縮應變為5~IOX 10-5。 與老混凝土的3d粘結強度為4. 5~5. 5MPa、60d粘結強度為6. 0~7. 5MPa。
【附圖說明】
[0029] 為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技 術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0030] 圖1是本發明高性能磷酸鉀鎂水泥砂漿的制備工藝流程。根據圖1的工藝過程可 將高性能磷酸鉀鎂水泥砂漿的制備分為四個階段：第一階段為凝結時間可控、高強度、高水 穩定性的磷酸鉀鎂水泥基膠凝組份的制備，第二階段為級配合理的磷酸鉀鎂水泥砂漿雙組 份細骨料的制備，第三階段為高性能和高骨灰比的磷酸鉀鎂水泥砂漿的制備，第四階段為 提高磷酸鉀鎂水泥砂漿硬化體強度和水穩定性的合理的養護制度的設計。
[0031] 圖2是高性能磷酸鉀鎂水泥砂漿的初始水化溫度變化曲線圖。
[0032] 圖3是高性能磷酸鉀鎂水泥砂漿在初始60d內的收縮應變發展曲線圖。
[0033] 圖4為實施例一制備的磷酸鉀鎂水泥砂漿硬化體樣品的SEM圖之一；
[0034] 圖5為實施例一制備的磷酸鉀鎂水泥砂漿硬化體樣品的SEM圖之二；
[0035] 圖6為實施例一中用磷酸鉀鎂水泥基膠凝組份制備的硬化體的SEM圖。
【具體實施方式】：
[0036] 以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解，這些實施例是用于說明 本發明而并非限制本發明的范圍。實施例中采用的實施條件可以根據具體施工單位的條件 做進一步調整，未注明的實施條件通常為常規實驗中的條件。
[0037] 具體實施例方式：
[0038] 實施例一
[0039] 步驟一，取60質量份的死燒氧化鎂粉作為堿性組份和40質量份的磷酸二氫鉀作 為酸性組份，8質量份復合緩凝劑，配制凝結時間大于0. 5小時的磷酸鉀鎂水泥。所述復合 緩凝劑由四硼酸鈉、十二水合磷酸氫二鈉和無機氯鹽組成，復合緩凝劑中各成分質量比依 次為，四硼酸鈉：十二水合磷酸氫二鈉：無機氯鹽=1 :3 :2。
[0040] 需要說明的是，在該步驟一中，所述死燒氧化鎂粉、磷酸二氫鉀和復合緩凝劑的質 量比并非必須是60 :40 :8。發明人經過大量實驗發現，為了達到本發明的目的，所述死燒氧 化鎂粉、磷酸二氫鉀和復合緩凝劑的質量比最好在60~67 :33~40 :8~12范圍內。
[0041] 在該步驟一中，所述死燒氧化鎂粉中MgO的質量分數優選多90%，死燒氧化鎂粉 的比表面積優選為200~220m2/kg。所述磷酸二氫鉀一般采用工業級磷酸二氫鉀，該磷酸 二氫鉀的主粒度優選為40/350~60/245目/ ym，"目/ ym"為數值"40/350~60/245"后 面的計量單位。
[0042] 步驟二，取90質量份磷酸鉀鎂水泥（步驟一制得）、10質量份硅灰和0. 25質量份 硫酸亞鐵，混合得到膠凝組份。
[0043] 在該步驟二中，所述磷酸鉀鎂水泥、硅灰和硫酸亞鐵的質量比依次為并非必須是 90 :10 :0. 25。發明人經過大量實驗發現，為了達到本發明的目的，所述磷酸鉀鎂水泥、硅灰 和硫酸亞鐵的質量比最好在85~93 :5~10 :0. 25~0. 5范圍內。
[0044] 在該步驟二中，所述硅灰中SiO2的質量分數優選多75%，硅灰的比表面積優選為 20000~28000m 2/kg。所述硫酸亞鐵一般采用工業級硫酸亞鐵。<