磷酸盐水泥基普通混凝土路面修补剂的研究.pdf

轩 建巍 全 国 中 文 核 心 期 刊 磷酸盐水泥基普通混凝土路面修补剂的研究 周启兆 ， 焦宝祥 ， 丁胜 ， 刘孝江 ， 蔡玉斌 ， 成扬 ( 1 盐城市交通局， 江苏 盐城2 2 4 0 0 3 ； 2 盐城 工学院， 江苏 盐城2 2 4 0 5 I ) 摘要 ： 研究了一种用于水泥混凝土路面修补用的磷酸镁水泥( M P C ) 胶结剂， 探讨了影响磷酸镁水泥终凝时问和抗压强度的主 要因素。结果表明， 以比表面积为 1 8 8 9 c m2 g的氧化镁粉末， 与磷酸氖 = 钠 磷 酸二氢钾 ( 摩尔 比) =1 5复合 ， 并掺加硼砂可 以制备 终 凝时间 2 0mi n ， 3 d和 2 8 d抗压强度分别达 4 3 、 6 2MP a ， 粘 结强度达 6 2 、 8 6MP a的磷酸镁水泥 。 关键 词： 磷酸镁水泥； 终凝时间； 抗压强度： 路面修补剂 中图分 类号 ： T Q 1 7 7 5 文献标识码： B 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 2 5 0 4 Th e r e s e a r c h o f c o n c r e t e p a v e m e n t p a t c h i n g ma t e r i a l b a s e d o n m a g n e s i u m p h o s p h a t e c e me n t Z HO U Q i z h a o ， J I A 0 B a o x i a n g 2 ， D I NG S h e n g 1 ， L I U X i a o j i a n g ， C A ，Y u b i n 。 ， C H E N G Y a n g ( 1 Ya nc h e n g T r a f f i c Bu r e a u ， Ya n c h e ng 2 2 4 0 0 3， J i a n g s u， C hi n a ； 2 Ya n c h e ng I n s t i t u t e o f T e c h no l o g y， Ya n c h e n g 22 4 0 5 1 ， J i a n g s u， Ch i n a ) Abs t r a c t ： A k i n d o f n i a g n e s i u m p h o s p h a t e c e me n t ( MP C) c e n mn t i ng a g e n t f o r t h e u s e o f c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t p a t c hi n g i s r e s e a r c h e dT h e ma i n f a c t o r s i n flu e n c i n g fin a l s e t t i n g t i me a n d C O u l p r e s s i v e s t r e n g t h o f MP C we r e ,e x p l o r e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e fin a l s e t t i n g t i n m o f t h e o p t i mi z i n g MPC s a mp l e s r e a c h e s 2 0 mi n， t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f s a mp l e s c u r e d f o r 3 d a n d 2 8 d r e a c h e s r e s p e c t i v e l y 4 3 MPa a n d 6 2 MPa ， a n d i t s b o n d s t r e n gth r e a c h e s r e s p e c t i v e l y 62 MPa a n d 8 6 MPa wh e n MPC ma d e b y b o r a x a nd n l a g n e s i u m o x i d e wh i c h h a s a s u r f a c e a r e a o f 1 8 8 9 e m； g， t h e mo l r a t i o o f d i s o d i u m h y d r o g e n p h o s p h a t e a nd po t a s s i u m d i h y d r o g e n p h o s ph a t e t o b e 1 5 Ke y wor ds ma g n e s i u m p h o s p h a t e c e l n e u t I fin a l s e t t i n g t i me ： c o mp r e s s i v e s t r e n g t h： p a v e me n t p a t c h i n g a g e n t 江苏省从2 0 世纪8 0 年代开始修建了较多的水泥混凝土 路面， 从2 0 0 3 年开始的农村公路建设中又修建了总里程达 6 万多k m的农村公路， 其中大部分为水泥混凝土路面。 2 0 世纪 8 0 年代修建的水泥混凝土路面已经进入改造期， 近年来修建 的这些水泥路面等级低，在今后几年将有大量的路面要进行 维修。 传统的维修方法是通过对损坏路面的挖除， 然后再浇筑 混凝土进行修补， 不仅费时、 费力、 费钱， 而且废混凝土难以利 用， 路段封闭时间也较长。 能否研究一种新型胶凝材料在对水 泥混凝土路面的裂缝、 断板、 断角等病害进行清理后灌注， 不 基金项 目： 江苏省交通 厅科技资助项 目( 0 B Y 0 7 一 1 ) 盐城工 学院校级科研项 目( x K Y 2 O O 9 O 3 7 ) 收稿 日期： 2 0 1 0 0 9 1 2 作者简 介： 周启兆 ， 男， 1 9 5 5年 生， 江苏响水人 ， 教授级高工， 从事交通 新材料教学研 究工作 。联系人： 焦宝祥， 地址： 盐城市迎宾大道 9号盐 城工学院材料学院， 电话： 0 5 1 5 - 8 8 2 9 8 8 6 9 ， E - m a i l ： i i a o b a o x i a n g y e i t c n 。 仅让裂缝填满不让其渗漏水，而且让断裂的混凝土重新粘结 成整体， 且不低于原板块的抗折强度。 磷酸镁胶凝材料( M P C ) 具有凝结快、 粘结强度高、 微膨胀、 耐磨、 抗冻、 抗盐冻剥蚀和 护筋等优点， 是一种非常有研究价值、 节能环保的潜在的新型 修补材料， 可以广泛应用于道路、 桥梁、 机场跑道的快速修补 等i 卜 引 。但是该胶凝材料用于修补时， 终凝时间太快， 稠度高， 较大面积修补施工时可操作性较差 1 ， 因此， 有效控制其终 凝时间、 适宜稠度和较高的粘结强度， 对其配方组成的研究是 十分必要的。 1 原材料与实验方法 1 1 原 材料 氧化镁( M ) ： 电熔氧化镁粉， M g 0含量不低于9 5 ， 由辽 宁省桓仁东方红水电站镁砂厂生产的电工级镁砂，经过球磨 机球磨， 获得各种比表面积氧化镁粉， 备用。 磷酸二氢钾( K ) 、 十二水合磷酸氢二钠( N ) 和硼砂( B ) ： 分 N E W BUI L DI NG M ATE RI A L S 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 周启兆， 等： 磷酸盐水泥基普通混凝土路面修补剂的研究 析纯， 由上海久亿化学试剂有限公司提供。 1 2实验方 法 将磷酸盐、 硼砂和水按要求称量， 加入搅拌器搅拌 2 ra i n 后， 加入氧化镁， 慢速搅拌 3 0 s 至充分混合， 然后迅速搅拌2 m l n 得到混合浆料。按C B T 1 3 4 6 -2 0 0 1 水泥标准稠度用水 量、 凝结时问、 安定性检验方法 测试水泥的终凝时问， 抗压强 度试块尺寸为 2 0 m m x 2 0 m m x 2 0 m i l l ， 试件成型后 1 h 脱模， 然 后放在试验室空气中 温度为( 2 0 5 ) ， 相对湿度( 5 0 5 ) 1 养护至各龄期， 测其力学性能。 测试M P C与普通硅酸盐水泥砂浆之间的粘结强度采用 问接的方法， 用抗折强度表示。 普通硅酸盐水泥砂浆试件配合 比为 m( 水泥) ： m( 砂) ： 7 , ( 水) = 1 0 ： 3 0 ： 0 5 ， 按 G B T 1 7 6 7 1 1 9 9 9 水泥胶砂强度检验方法( I S O法) 成犁养护 2 8 d 备用。 用切割机将普通硅酸盐水泥砂浆试块从中问切开，用打磨机 将新切断面磨平。 将处理后试件浸泡于水中1 d 后取出， 用湿 抹布将试件表面水份擦干， 使试件处于饱和面干状态。 将切断 后的基体试件成对固定在试模中，切断面留1 0 m m的间隔。 将搅拌好的M P C净浆浇注于所留基体试块的间隙中， 用捣棒 捣实和刮刀刮平振实。 成型好的试件2 h 后脱模， 放存规定养 护条件下养护至规定龄期， 测其抗折强度。 2 结果与讨论 2 1 影响 MP C终凝时间的主要因素 2 1 1 氧化镁细度对 MP C终凝时间的影响 图1 是在氧化镁 r #酸盐摩尔比( M P ) = 5 1 ， 磷酸氢_ 二 钠 磷酸二氢钾摩尔比( N K ) = 1 5 ， 液固比为0 0 8 ， 硼砂掺量为5 时， 不同比表面积的氧化镁粉末对M P C终凝时间的影响。 图 1 氧 化 镁细 度 对 MP C终 凝 时 l司的 影 响 由图1 可见， 在氧化镁粉末比表面积小于2 0 0 0 c m 2 g 时， 终凝时间下降较少； 而比表面积大于2 0 0 0 c m 2 g 时， 终凝时间 迅速缩短。这是因为， 氧化镁颗粒的比表面积越大， 化学活性 越大， 与溶液及磷酸盐固体颗粒接触面积增加， 固液相反应加 快， 相应终凝时间缩短。 2 1 2 硼砂掺量对 MP C终凝 时间的影响 ( 见图2 ) 2 6 新型建筑材料 2 O l 1 2 1 l j 1 1 妻 爨 瓣 硼砂掺量 图 2硼 砂 掺 量 对 MP C终 凝 时 间 的 影响 由图2 可见， 不掺加硼砂时， 所有配比的终凝时间均在 1 ra i n 左右； 硼砂掺量达 1 0 时， 终凝时问达到 1 4 1 7 m i m。说 明硼砂的加入具有一定的缓凝作用， 但凝结仍非常迅速， 且过 量的硼砂会导致体系的强度降低。 S u g a m a 等H 认为： 当M P C与水拌合后， 磷酸二氢盐( 如 N H H 2 P O 、 K H P 0 4 ) 首先溶于水中， H 2 P O 4 - 使溶液呈弱酸性， 在 弱酸性条件下， 死烧 M g O溶解产生M g 2 ， 溶解和扩散到液相 中的M g z + , N H 、 K 、 H 2 P O 4 - 、 H P O 4 2 一 和P 0 迅速反应生成磷酸 盐水化物， 使M P C浆体表现出快硬特性； 若在 M P C反应体系 中有缓凝剂B存在， B 在溶液中提供B 4 0 7 2 _ 并与首先溶解到液 相中M g 结合生成硼酸镁沉淀，并呈薄膜状附在固体颗粒表 面， 该膜层可阻碍M g O颗粒与酸性溶液的接触， 限制了M 溶出， 延缓反应体系的水化反应速度； 但随着时间的延长， 溶 液中的N H 和H 2 P 0 4 一 逐步扩散透过膜层达到M g O颗粒表面， 形成较多的水化产物， 并结晶产生体积膨胀， 导致沉淀膜层破 裂， 使M g O颗粒重新曝露于酸性溶液中， 水化反应速度重新 加快， 生成大量的磷酸盐水化产物使浆体硬化。 2 1 3 复合磷酸盐对 M P C终凝时间的影响 M P C的反应机理是基于微溶盐的酸碱反应，控制悬浮液 的酸度将有利于减少M g O颗粒的溶解。降低悬浮液酸度的最 有效方法是加入部分低酸度磷酸盐提高体系的p H值。 图3 反 映了在硼砂掺量为氧化镁质量的5 时， 用不同取代量( 摩尔百 分数) 磷酸氢二钠取代磷酸二氢钾后M P C 浆体的终凝时间。 磷酸氢二钠掺量 图 3 复合磷酸盐对 M P C终凝时间的影响 由图3 可以看出， 掺加磷酸氢二钠可有效延缓M P C 浆体 的早期水化反应速度和终凝时间。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 周启兆， 等： 磷酸盐水泥基普通混凝土路面修补剂的研究 经测试， 磷酸二氢钾一 硼砂一 氧化镁一 水体系初始悬浮液的 p H值约为5 2 ， 而磷酸二氧钾一 磷酸氢二 钠一 硼砂一 氧化镁一 水 体系初始悬浮液的p H值约为 5 5 。因此， 磷酸氢-钠使体系 终凝时问延长的机理归结于： ( 1 ) 磷酸氢二 钠溶出的H P O 4 2 - 抑 制了磷酸二氢钾的溶解， 促使体系p H值的提高， 抑制了氧化 镁的溶解； ( 2 ) 磷酸氢二钠的溶解是一种吸热反应， 其溶解有 效降低了体系的温度，从而有效地降低了体系的水化反应速 度， 延长了体系的终凝时间。 为了进一步了解复合磷酸盐对 M P C水泥终凝时间的影 响， 选择以2 0 磷酸氢二钠代替磷酸二氢钾制备不同氧化镁 与磷酸盐摩尔比( M P ) 体系进行研究， 结果见图4 。 硼 砂 掺 戢 图 4不同M P 摩 尔 比对 MP C终凝 时间的影响 由图4可见， 添加硼砂时， 终凝时间显著延长， 尤以M P 为4 l 和 5 l 时最为突出。另外， 随M P的增大， 终凝时问缩 短，可能与体系的绝对水灰比有关，因为磷酸氢二钠晶体有 1 0 个水分子， 其将会进入体系中， 在M P较小时， 悬浮液的水 量多， 溶解的磷酸氢二钠晶体质量多， 溶解产生的吸热多， 使 体系温度降低幅度大， 因而终凝时f H H 对较长。 2 2 MP C的抗压 强度 2 2 1 氧化镁比表面积对 M P C抗压强度的影响 硼砂掺量为氧化镁质量的5 ，磷酸氢二钠 磷酸二氢钾 ( 摩尔比) = 1 4 ， 液固比为0 0 8 时， 氧化镁比表面积对 M P C抗 压强度的影响见图 5 。 龄 期 d 图 5 氧 化镁 比表面积 对 MP C抗压 强度 的影 响 由图 5可见， 随着氧化镁比表面积的增加， 各龄期抗 压强度增大。其中氧化镁比表面积为 1 3 3 6 c m g的M P C 抗压强度最低； 而氧化镁比表面积不小于 1 8 8 9 c m 。 g的样 品，早期抗压强度有一定差别，但 2 8 d抗压强度相差无 几。综合考虑终凝 时问等因素 ， 氧化镁的比表面积宣控制 在 1 8 0 0 2 0 0 0 c m 。 g 。 2 2 2 复合磷 酸盐对 MP C抗压强度的影响 液固比为0 0 8 ， 硼砂掺量为5 ， 氧化镁 磷酸盐( 摩尔比) = 5 1 时， 磷酸氢二钠取代部分磷酸二氢钾后M P C的抗压强度 变化见图 6 。 墅 想 摆 龄 期 d 图 6 复合磷酸盐对 MP C抗压 强度 的影 响 由图6 可见，磷酸氢二钠取代部分磷酸二氢钾后， M P C 的早期抗压强度都有所下降；但当磷酸氢二钠 磷酸二氢钾 ( 摩尔比) 为 1 5时， M P C的2 8 d 抗压强度接近纯磷酸二氢钾 配制的试样， 其它试样强度均有较大幅度下降。 可能是因为磷 酸氢二钠有 l 0 个结晶水， 导致实际液固比增加， 且磷酸氢二 钠与氧化镁反应活性小所致。 2 2 3 氧化镁与磷酸盐摩尔比对 M P C抗压强度的 影响 磷酸氢二钠 磷酸二氢钾( 摩尔比) = 1 5 ， 硼砂掺量为5 ， 液固比为 0 0 8 时， 氧化镁与磷酸盐的摩尔比( M P ) 对 M P C抗 压强度的影响见图7 。 垒 麓 辖 龄 划 d 图 7 氧 化镁 与磷酸盐摩尔 比对 MP C抗压强度的影响 由图7可知， M P的大小对早期抗压强度略有影响， 而 2 8 d 抗压强度则有较大差别。 M P 为5 l 时， 2 8 d 抗压强度最 大；M P为 4 1 时，次之； M P为 7 1 时， 2 8 d 抗压强度最小。 M P 低时， 可能存在未反应的磷酸盐， 削弱了水化产物结晶结 构网的联结， 造成强度偏低； M P过高时， 氧化镁不能充分溶 解， 水化产物偏少， 导致强度降低。因此， 只有适当的 M P比 值， 才能获得良好的结晶网络结构。 2 3 MP C的粘结 强度 粘结力是修补剂的关键技术。以比表面积为 1 8 8 9 c m 2 g N E W BUl L DI NG MAT E RI AL S 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 周启兆， 等： 磷酸盐水泥基普通混凝土路面修补剂的研究 氧化镁为原料， 终凝时间控制在 2 0 m i n的优选配方 氧化镁 磷酸盐( 摩尔L L ) = 5 1 ， 磷酸氢二钠 磷酸二氢钾( 摩尔L L ) = 1 5 ， 硼砂掺量为5 ， 液固比为o o 8 J ,j 基础， 研究磷酸镁的粘结强 度。 在 m( 氧化镁) ： m( 水合磷酸氢二钠) ： m( 磷酸_ l 氢钾) ： m( 硼 砂) ：m( 7 1 0= 1 0 0 ： 2 4 5 ： 4 2 ： 5 ： 1 3 3 时， M P C 水泥与普通硅酸盐水 泥砂浆的3 d 、 7 d 、 2 8 d 粘结强度分别为6 2 、 7 8 和 8 6 M P a 。 其原因归结为磷酸盐与硅酸盐水泥水化产物c s H凝胶和 C a ( 0 H ) 的化学反应产生粘结。 3 结论 ( 1 ) 氧化镁粉末比表面积影响M P C的终凝时间和抗压强 度。氧化镁粉末比 表面积大， 抗压强度高， 但终凝时间不易控 制； 反之， 比表面积小， 终凝时间易调， 但抗压强度低。综合考 虑终凝时间和获得较高强度的要求，本实验氧化镁粉末比表 面积为 1 8 8 9 c m 2 g 时最佳。 ( 2 ) 以复合磷酸盐结合硼砂可以制备终凝时间适当、 抗压强度和粘结强度高的M P C水泥。其最佳配比为氧化 镁 磷酸盐( 摩尔比) = 5 1 ， 磷酸氢二钠 磷酸二氢钾( 摩尔 比) = 1 5 ， 硼砂掺量为 5 ， 液固比为 0 0 8 质量配比为： m( 氧化镁) ： m( 水合磷酸氢二钠) ： m( 磷酸二氢钾) ： m( 硼 砂) ： m( 7 1 0= 1 0 0 ： 2 4 5 ： 4 2 ： 5 ： 1 3 3 1 ， 其终凝时间为2 0 m i n ， 3 d 和2 8 d 抗压强度分别达 4 3 M P a 和 6 2 M P a ，粘结强度达 6 2 MP a丰 口8 6 MP a 。 ( 3 ) 复合磷酸盐控制终凝时间的机理归结于磷酸氢二钠 溶出的H P 0 4 2 一 抑制了 磷酸二氢钾的溶解，促使体系 p H值的 提高， 抑制了氧化镁的溶解； 磷酸氢二钠的溶解是一种吸热反 应， 其溶解有效降低了体系的温度， 从而有效地降低了体系的 水化反应速度， 延长了体系的终凝时间。 参考文献 ： 【 I 1 汪宏涛 ， 曹巨辉 军事工程用磷酸盐水泥材料研究 J I _后勤工程学 院学报 ， 2 0 0 5 ， 2 1 ( 1 ) ： 5 - 8 2 杨全兵， 张树 青， 杨钱荣 ， 等 新型超快硬磷酸盐修补材料性能 J 混凝 土与水泥制品， 2 0 0 0( 4 ) ： 8 1 1 3 R o b e lff P C， S h a w J D Ma t e r i a l s f o r t h e r e p a i r a n d p r o t e c t i o n o f c o n c e r e t e J C o n s t r u t i o n B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 1 9 9 7 ， l 1 ( 5 - 6 ) ： 2 7 5 2 81 4 S o u d e e E， P e r a J I n fl u r e n e e o f m a g n e s i a s u r f a c e o n t h e s e t t i n g t i me o f ma g n e s i a p h o s p h a t e c e me n t s f J 1 C e me n t a ri d C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 2 3 2( 1 ) ：l 5 3 -l 5 7 5 1 Z h u D i n g ， Z o n g j i n L i Hi g h E a r l y S t r e n g t h ma g n e s i u m p h o s p h a t e c e n i e n t w i t h tl y a s h I J 1 A C I Ma t e r i a l s J o u n l a l ， 2 0 0 5 ， 1 0 2( 6 ) ： 3 7 5 -3 8 1 A ( 上接 第 2 4页) 4 结论 ( 1 ) 市售的3种发泡剂 A L S 、 A E A与 N X与 V I V I D聚羧 酸石膏分散剂协同作用最好的为A E A ， 二者共同作用可以增 大石膏浆体的流动度， 缩短浆体的凝结时问。单掺A E A发泡 剂会降低石膏浆体的流动度； 在保证减水率一致的前提下， 将 A E A分别与N S F与V I V I D石膏分散剂复配，随着A E A掺量 增大， 均不会减小石膏浆体的流动度， 且A E A与V I V I D复配的 效果要优于其与 N S F 复配。 ( 2 ) 随着A E A发泡剂掺量增加， 石膏板的表观密度降低； 从复配方面来看， 复配了分散剂的石膏板表观密度要大于未加 分散剂的板，且复配N S F 萘系分散剂的石膏板表观密度要大 于复配V I V I D聚羧酸分散剂的石膏板； V I V I D与A E A复配后 的石膏板与空白石膏板比较， 表观密度降低， 但抗压强度增大。 ( 3 ) 在不改变石膏板厂现有生产工艺下， 用 V I V I D聚羧 酸石膏分散剂替代萘系N S F 分散剂后，浆体流动度增大， 石 膏浆体中分布着大小均匀的气泡， 浆体流动性良好， 得到的石 2 8 新 型建 筑材 料 2 0 1 1 2 膏浆体表观密度降低， 同时不影响石膏初凝时问， 符合石膏板 生产需求。 参考文献： 【 1 凌晓晖 ， 欧跃海 ， 施存有 ， 等 我国纸 面石 膏板 的发展历程及现状 l J ll 新型建筑 材料 ， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 1 - 5 2 彭家 惠， 瞿金东 ， 张建新， 等 石膏减水剂 的吸 附形态及分散稳定 性研究 J I 武汉理工大学学报， 2 0 0 3( 1 1 ) ： 2 5 2 8 3 彭家惠， 瞿金东 ， 张建新 ， 等 F DN减水剂对建筑石膏水化和硬化 体结构的影响lJ 1 _ 建筑材料 学报 ， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 1 4 1 9 4 张高科， 谢毅， 朱瀛波， 等 减水剂对石膏微观结构及性能的影响 l J l l非 会 属 矿 ， 2 0 0 4( 9 ) ： 6 - 8 5 赵 建华 三聚氰胺高效减水剂在石膏砌块 生产 中的应用 J J 墙材 革新与建筑节 能， 2 0 0 6 ( 7 ) ： 3 0 3 1 6 】 孙天文 石膏微发泡剂的研制I J J 新型建筑材料 ， 2 0 0 1 ( 2 ) ； 1 - 3 7 邓最亮 ， 林珩， 傅乐峰 ， 等 町降低脱硫石膏板生产能耗的新型石 膏分散剂l J I 石膏建材， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 2 4 2 7 A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m