摘要：本文通過摻加不同的礦物摻合料,研究了它們對早強磷酸鎂水泥的早期力學性能的影響。研究結果表明：一定量的礦物摻合料可以有效填充孔隙，提高強度。不同摻合料對磷酸鎂水泥早期強度的影響效果不同，其效果依次為：河沙〉尾礦〉頁巖〉石灰石，SiO2對磷酸鎂水泥漿體有著較好的填充作用。
關鍵詞：礦物摻合料；磷酸鎂水泥；力學性能
中圖分類號TB32
0 前言
磷酸鎂水泥（MPC）是一種早強快硬的新型膠凝材料，在工業生產和日常生活中正發揮著越來越重要的作用。具有早期強度高，凝結時間短的特點，此外，與普通硅酸鹽水泥相比，還具有低溫凝結快、粘結強度高、干縮小、良好的耐磨性和抗凍性等優點，廣泛應用于道路、橋梁、機場跑道的快速修補，以及有害和放射性物質的固化等等。
本文中的磷酸鎂水泥是由死燒氧化鎂、磷酸二氫鉀以及一定量的緩凝劑配制而成。與普通硅酸鹽水泥和其他修補材料相比，磷酸鎂水泥成本較高，因此，國內外很早就開始了關于磷酸鎂水泥的摻雜的研究。丁鑄、Argonne S.Wagh等[1-2]較早的提出采用磷酸二氫鉀取代磷酸二氫銨制備新型磷酸鎂水泥，同時，適當加入一定的工業廢棄物如粉煤灰，可以有效降低成本，又可以在一定程度上提高其性能。本文重點研究了磨細河沙、石灰石、頁巖、鉛鋅尾礦等惰性礦物摻合料對磷酸鎂水泥力學性能的影響。利用惰性摻合料的填充作用，在盡量保證強度的同時，可以降低生產成本，充分利用工業廢棄物，減少環境污染[3-5]。
1原料及實驗方法
1.1原料
死燒氧化鎂（MgO）：濟南魯東耐火材料公司；磷酸二氫鉀（KH2PO4）：工業級化學純；河沙(natural sand)、石灰石(lime stone)、頁巖(Shale)、尾礦(Lead-zinc tailing)的化學成分分析見表1。四種礦物摻合料的粒徑分布見圖1。
1.2 樣品制備和測試方法
將河沙、石灰石、頁巖、鉛鋅尾礦磨細，通過0.08mm方孔篩，篩余小于10%。然后分別作為礦物摻合料加入到磷酸鎂水泥中，摻加量分別為干膠凝材料的10%，20%，30%，40%，50%，分別記為H1、H2……H4,S1、…….S4，Y1、……Y4，Q1……Q4、Q4。凈漿試塊在20×20×20mm模具中成型，置于20±3℃，相對濕度50%環境下養護，1h后脫模，測定其1h，7h，24h，3d，7d試樣抗壓強度。
在NYL-600型壓力試驗機上測定抗壓強度，用日本理學D/max-RB型X射線衍射（XRD）儀測定試樣的物相成分（工作條件：CuKa，管電壓40kV，管電流100mA）。用日本電子公司生產的JSM-5900型的掃描電鏡對選擇試樣的形貌進行觀察。
2 實驗結果與分析
2.1 力學性能測試
表2是摻加不同量的礦物摻合料的磷酸鎂水泥凈漿的早期抗壓強度。從表2中數據可知，磷酸鎂水泥凈漿強度總體上隨著摻合料摻量的增加而降低，摻加磨細河沙的組分力學性能最好，河沙和尾礦能增加流動度，減少用水量，而石灰石和頁巖隨著摻量的增加，會降低凈漿流動度，增加用水量。實驗中根據凈漿流動度測試，確定不同配比的用水量。從強度發展來看，試樣24小時抗壓強度能達到7天強度的80%以上，說明礦物摻合料并沒有改變磷酸鎂水泥早期強度的發展趨勢。
圖2是不同混合材（含量10%）的磷酸鎂水泥早期強度曲線。從途中可以看出，摻加磨細河沙的組分抗壓強度最高，發展最好，1小時和24小時強度分別達到了43和65MPa，而對照組（control-未加混合材的磷酸鎂水泥試樣）的強度明顯要低于前者，其主要原因可能是河沙很好的填充了磷酸鎂水泥漿體的孔隙，降低了孔隙率，使其結構更加致密，同時混合材的加入降低了水化反應的速率，降低了水化熱，從而降低了氣孔率。與此同時，摻加尾礦、頁巖、石灰石三組分24小時前強度發展相當，但是低于參照組，說明他們的摻入延緩了磷酸鎂水泥早期水化過程，24小時后，尾礦強度有一個很大的提高，遠遠高于參照組和頁巖、石灰石組分，說明尾礦中可以對后期水化起到一定的作用。
2.2 X-射線衍射分析（XRD）
圖3是摻加河沙、頁巖、鉛鋅尾礦和對照組的XRD衍射圖譜。圖4是摻加石灰石的組分的XRD衍射圖譜。從圖中可以看出，主要的水化產物是帶有一個結晶水的磷酸鎂鉀晶體（MgKPO4.H2O-MKP），不摻加礦物摻合料的對照樣（Control）的磷酸鎂鉀晶體衍射峰強度要高于摻加混合材的，礦物摻合料的加入使得彌散峰增加，并且不同混合材的石英衍射峰強度也相差很大，這與SiO2含量多少有關。同時，晶體衍射峰強度的降低表明礦物摻合料的加入減少了結晶水化產物的生成，從而使得水化反應生成更多的凝膠或者無定形相，同時也驗證了前面關于礦物摻合料能相對減緩水化反應速率的說法。
2.3 孔結構測試
表3是凈漿的孔結構參數表。水泥漿體的孔隙率是決定水泥性質的重要參數，與水泥的強度、機械性能和電性能等有著一定的內在聯系。
由表3可知，不同的混合材對磷酸鎂水泥漿體孔結構分布影響不同。摻加一定細度的河沙和尾礦有利于孔結構的細化，使得孔的分布向小孔（無害孔和少害孔）方向發展，從而增加機體的致密度，頁巖對孔結構影響不是很大，相反，石灰石的加入卻增加了孔隙率，有害孔數量大量增加，雖然石灰石顆粒較細，但是在實驗過程中石灰石的加入導致體積膨脹，氣孔率增加，體積膨脹的原因還有待進一步研究。綜合來看，礦物摻合料中SiO2含量越高，水泥漿體的致密度越高，這說明富硅礦物摻合料可以作為一個較好的填充料，用于磷酸鎂水泥基修補材料中。
3結論
1）
一定量的惰性混合材可以作為礦物摻合料用于磷酸鎂水泥中，并且可以有效的提高磷酸鎂水泥的力學性能，降低水灰比，減緩水化速率，增加流動度。
2）
含硅（SiO2）礦物摻合料對磷酸鎂水泥漿體有著很好的填充作用，四種礦物摻合料對磷酸鎂水泥力學性能的影響效果依次是：河沙〉尾礦〉頁巖〉石灰石，一定細度的磨細河沙可以有效提高磷酸鎂水泥的早期強度。
參考文獻
1 丁鑄，李宗津.早強磷硅酸鹽水泥的制備和性能[J].材料研究學報,2006,20(2):141.
2 Wagh A, Jeong S, Singh D. High strength phosphate cement using industrial byproduct ashes. In: Azizinamini A, et al., editors.Proceedings of First International Conference[C]. ASCE， 1997:542.
3 鄭克仁，鄒慶焱，何富強. 礦物摻合料摻量對孔結構的影響[J]. 山西建筑，2007，33（22）:181
4 馮云,包先誠等. 不同混合材摻量對低堿水泥適應性的試驗研究[J].新世紀水泥導報，2007，3:28.
5 管宗甫，楊力遠. 利用外加組分提高水泥強度[J]. 水泥，2001，11:4.
