摘要：本文通过掺加不同的矿物掺合料,研究了它们对早强磷酸镁水泥的早期力学性能的影响。研究结果表明：一定量的矿物掺合料可以有效填充孔隙，提高强度。不同掺合料对磷酸镁水泥早期强度的影响效果不同，其效果依次为：河沙〉尾矿〉页岩〉石灰石，SiO2对磷酸镁水泥浆体有着较好的填充作用。
关键词：矿物掺合料；磷酸镁水泥；力学性能
中图分类号TB32
0 前言
磷酸镁水泥（MPC）是一种早强快硬的新型胶凝材料，在工业生产和日常生活中正发挥着越来越重要的作用。具有早期强度高，凝结时间短的特点，此外，与普通硅酸盐水泥相比，还具有低温凝结快、粘结强度高、干缩小、良好的耐磨性和抗冻性等优点，广泛应用于道路、桥梁、机场跑道的快速修补，以及有害和放射性物质的固化等等。
本文中的磷酸镁水泥是由死烧氧化镁、磷酸二氢钾以及一定量的缓凝剂配制而成。与普通硅酸盐水泥和其他修补材料相比，磷酸镁水泥成本较高，因此，国内外很早就开始了关于磷酸镁水泥的掺杂的研究。丁铸、Argonne S.Wagh等[1-2]较早的提出采用磷酸二氢钾取代磷酸二氢铵制备新型磷酸镁水泥，同时，适当加入一定的工业废弃物如粉煤灰，可以有效降低成本，又可以在一定程度上提高其性能。本文重点研究了磨细河沙、石灰石、页岩、铅锌尾矿等惰性矿物掺合料对磷酸镁水泥力学性能的影响。利用惰性掺合料的填充作用，在尽量保证强度的同时，可以降低生产成本，充分利用工业废弃物，减少环境污染[3-5]。
1原料及实验方法
1.1原料
死烧氧化镁（MgO）：济南鲁东耐火材料公司；磷酸二氢钾（KH2PO4）：工业级化学纯；河沙(natural sand)、石灰石(lime stone)、页岩(Shale)、尾矿(Lead-zinc tailing)的化学成分分析见表1。四种矿物掺合料的粒径分布见图1。
1.2 样品制备和测试方法
将河沙、石灰石、页岩、铅锌尾矿磨细，通过0.08mm方孔筛，筛余小于10%。然后分别作为矿物掺合料加入到磷酸镁水泥中，掺加量分别为干胶凝材料的10%，20%，30%，40%，50%，分别记为H1、H2……H4,S1、…….S4，Y1、……Y4，Q1……Q4、Q4。净浆试块在20×20×20mm模具中成型，置于20±3℃，相对湿度50%环境下养护，1h后脱模，测定其1h，7h，24h，3d，7d试样抗压强度。
在NYL-600型压力试验机上测定抗压强度，用日本理学D/max-RB型X射线衍射（XRD）仪测定试样的物相成分（工作条件：CuKa，管电压40kV，管电流100mA）。用日本电子公司生产的JSM-5900型的扫描电镜对选择试样的形貌进行观察。
2 实验结果与分析
2.1 力学性能测试
表2是掺加不同量的矿物掺合料的磷酸镁水泥净浆的早期抗压强度。从表2中数据可知，磷酸镁水泥净浆强度总体上随着掺合料掺量的增加而降低，掺加磨细河沙的组分力学性能最好，河沙和尾矿能增加流动度，减少用水量，而石灰石和页岩随着掺量的增加，会降低净浆流动度，增加用水量。实验中根据净浆流动度测试，确定不同配比的用水量。从强度发展来看，试样24小时抗压强度能达到7天强度的80%以上，说明矿物掺合料并没有改变磷酸镁水泥早期强度的发展趋势。
图2是不同混合材（含量10%）的磷酸镁水泥早期强度曲线。从途中可以看出，掺加磨细河沙的组分抗压强度最高，发展最好，1小时和24小时强度分别达到了43和65MPa，而对照组（control-未加混合材的磷酸镁水泥试样）的强度明显要低于前者，其主要原因可能是河沙很好的填充了磷酸镁水泥浆体的孔隙，降低了孔隙率，使其结构更加致密，同时混合材的加入降低了水化反应的速率，降低了水化热，从而降低了气孔率。与此同时，掺加尾矿、页岩、石灰石三组分24小时前强度发展相当，但是低于参照组，说明他们的掺入延缓了磷酸镁水泥早期水化过程，24小时后，尾矿强度有一个很大的提高，远远高于参照组和页岩、石灰石组分，说明尾矿中可以对后期水化起到一定的作用。
2.2 X-射线衍射分析（XRD）
图3是掺加河沙、页岩、铅锌尾矿和对照组的XRD衍射图谱。图4是掺加石灰石的组分的XRD衍射图谱。从图中可以看出，主要的水化产物是带有一个结晶水的磷酸镁钾晶体（MgKPO4.H2O-MKP），不掺加矿物掺合料的对照样（Control）的磷酸镁钾晶体衍射峰强度要高于掺加混合材的，矿物掺合料的加入使得弥散峰增加，并且不同混合材的石英衍射峰强度也相差很大，这与SiO2含量多少有关。同时，晶体衍射峰强度的降低表明矿物掺合料的加入减少了结晶水化产物的生成，从而使得水化反应生成更多的凝胶或者无定形相，同时也验证了前面关于矿物掺合料能相对减缓水化反应速率的说法。
2.3 孔结构测试
表3是净浆的孔结构参数表。水泥浆体的孔隙率是决定水泥性质的重要参数，与水泥的强度、机械性能和电性能等有着一定的内在联系。
由表3可知，不同的混合材对磷酸镁水泥浆体孔结构分布影响不同。掺加一定细度的河沙和尾矿有利于孔结构的细化，使得孔的分布向小孔（无害孔和少害孔）方向发展，从而增加机体的致密度，页岩对孔结构影响不是很大，相反，石灰石的加入却增加了孔隙率，有害孔数量大量增加，虽然石灰石颗粒较细，但是在实验过程中石灰石的加入导致体积膨胀，气孔率增加，体积膨胀的原因还有待进一步研究。综合来看，矿物掺合料中SiO2含量越高，水泥浆体的致密度越高，这说明富硅矿物掺合料可以作为一个较好的填充料，用于磷酸镁水泥基修补材料中。
3结论
1）
一定量的惰性混合材可以作为矿物掺合料用于磷酸镁水泥中，并且可以有效的提高磷酸镁水泥的力学性能，降低水灰比，减缓水化速率，增加流动度。
2）
含硅（SiO2）矿物掺合料对磷酸镁水泥浆体有着很好的填充作用，四种矿物掺合料对磷酸镁水泥力学性能的影响效果依次是：河沙〉尾矿〉页岩〉石灰石，一定细度的磨细河沙可以有效提高磷酸镁水泥的早期强度。
参考文献
1 丁铸，李宗津.早强磷硅酸盐水泥的制备和性能[J].材料研究学报,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 郑克仁，邹庆焱，何富强. 矿物掺合料掺量对孔结构的影响[J]. 山西建筑，2007，33（22）:181
4 冯云,包先诚等. 不同混合材掺量对低碱水泥适应性的试验研究[J].新世纪水泥导报，2007，3:28.
5 管宗甫，杨力远. 利用外加组分提高水泥强度[J]. 水泥，2001，11:4.
