磷酸镁水泥砂浆力学性能实验研究

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摘要：磷酸镁水泥作为一种新型的胶凝材料，具有初凝时间早、早期强度高、粘合强度及耐久性好等优点，其工程应用明显增加。然而不同配比对磷酸镁水泥砂浆力学性能有不同影响，本文将分析高温作用后磷酸镁水泥砂浆试件的外观特征及抗压强度变化规律，选择凝结时间较长、抗压强度较高的水泥砂浆试件配比，并在此基础上研究磷酸镁混凝土的相关特性。

关键词：磷酸镁；水泥砂浆；高温；力学性能

Abstract: the magnesium phosphate cement as a new type of cement materials, with initial setting time early, early high strength, good adhesion strength and durability etc, and its engineering application increased significantly. However different ratio of magnesium phosphate cement mortar mechanical properties have different effects, this article explores the role of high temperature after magnesium phosphate cement mortar specimen appearance characteristics and the compressive strength of the change rule, choose the setting time is longer, compressive strength, high ratio of cement mortar specimens, and based on this study phosphoric acid magnesium concrete related characteristics.

Keywords: phosphate magnesium; The cement mortar; High temperature; Mechanical properties

中图分类号：TU541文献标识码：A 文章编号：

虽然水泥砂浆材料在工程建设中已经得到非常广泛的应用，但当其在高温或局部高温环境中应用时，其性能往往遭到严重的破坏。磷酸镁水泥作为一种新型的胶凝材料，其在常温作用下具有初凝时间早、早期强度高、粘合强度及耐久性好等优点，然而高温作用后的力学性能尚缺乏相关研究。为此作者通过相关实验对水泥砂浆的在高温作用后的抗压强度这一最基本、最重要的一项力学性能进行了实验，得到其相关的规律，为之后磷酸镁混凝土的研究及应用奠定了基础.

1 常温下力学性能呢过试验研究

1.1试件原材料

1. MgO由济南鲁东耐火材料有限公司提供

2. 磷酸二氢钾：工业级，含量98%，直接从市场购买。

3. 缓凝剂：磷酸盐水泥的缓凝剂有多聚磷酸钠、硼酸及硼砂等，而硼砂是磷酸镁水泥系统中一种最有效的缓凝剂，但其反应机理尚需进一步研究。本实验采用硼砂作为磷酸盐水泥的缓凝剂。硼砂工业级，白色晶体，直接从市场购买。

1.2试验仪器与试验过程

磷酸镁水泥砂浆实验采用上海新三思计量仪器制造有限公司生产的微机控制电液伺服万能实验机、抗折强度压力机、水泥稠度凝结时间测定仪、水泥胶砂搅拌机等。

1. 将水泥胶砂搅拌机砂罐内装入1350g标准砂，根据不同的配比称取相应的氧化镁、磷酸二氢钾、硼砂和水。

2. 将大约500g搅拌好的磷酸镁水泥砂浆放入圆模中，然后用砂浆凝结时间测定仪测定其初凝时间，并用秒表记录下从起始时间到初凝所用的时间t（min）。

3. 将过程1中搅拌好的大约2000g磷酸镁水泥砂浆倒入钢模中，每个配比制作3条 的磷酸镁水泥砂浆试件。

4. 将制作好的水泥砂浆试件置于标准养护室养护。

5. 对按照要求养护的试件进行抗折、抗压强度测试，每个配比的试件测试两个，并记录所有实验结果。

通过测试不同配比的磷酸镁水泥砂浆试件的凝结时间和抗压强度，挑选出凝结时间大于20分钟及1天抗压强度大于20 MPa的磷酸镁水泥砂浆试件的配比。

1.3磷酸镁水泥砂浆凝结时间及抗压强度测定

选择以下4个配比制作磷酸镁水泥砂浆试件，尺寸为 ，测定其凝结时间。将磷酸镁水泥砂浆试件置于标准养护条件下养护1天后，测定其抗折、抗压强度。

配比1：氧化镁、磷酸二氢钾、硼砂的质量比100:85:5

配比2：氧化镁、磷酸二氢钾、硼砂的质量比140:40:7

配比3：氧化镁、磷酸二氢钾、硼砂的质量比100:85:7

配比4：氧化镁、磷酸二氢钾、硼砂的质量比100:85:10

用水量：水灰比约为0.1～0.15，根据实际情况进行适量调整。这里“灰”指氧化镁、磷酸二氢钾和硼砂的总质量。

表1-1水泥砂浆凝结时间测定

从表中可以看出，S91-A、 S97-A在配比1的条件下初凝时间大于20min，明显优于其他种类的氧化镁。与配比1比较，S97-A采用配比2后，初凝时间从21min缩短为15min，比较两种配比，仅是减少了磷酸二氢钾的用量。可见，磷酸二氢钾与氧化镁的比例对于初凝时间也有很大的影响。采用配比3，S91-A的初凝时间为49min，比采用配比1的时间有所延长，原因是配比3的硼砂比例有所提高。

相关资料表明，影响砂浆试件强度和凝结时间的主要因素有砂灰比S/B、硼砂与氧化镁的比、氧化镁与磷酸二氢钾的比M/P、水灰比W/B等。并且配上细骨料以后，磷酸镁水泥工作性能良好，特别是抗压性能良好，可以继续配制磷酸镁混凝土试件。

1.4磷酸镁水泥砂浆试件的抗压应力-应变关系

通过对磷酸镁水泥砂浆试件的抗压强度实验，特别是对于试件破坏过程以及应力-应变曲线的分析，观察磷酸镁水泥砂浆试件的力学性能。实验结果如下：

1. S91-A:S91-B=4:1砂浆试件的7d抗压强度，配比100:85:5，水灰比为0.2。见表3-1、如图3.1所示。

表1-2试件抗压强度

图1.1 荷载-位移曲线

2. S97-A砂浆试件的7d抗压强度，配比100:85:5，水灰比为0.2。见表2-4、如图2.2所示。

表1-3试件抗压强度

图1.2 荷载-位移曲线

试件位移随着力的增大而增长，大致可以分为四个阶段，第一阶段，力从0KN加载到5KN，的直线段，称为初始阶段。在本阶段，由于试件比较密实，试件位移发展较缓慢，开始出现微小的裂缝。第二阶段，随着力的增大，位移继续发展，裂缝也进一步发展，相对于力的增加，位移发展速率加快，称为缓冲阶段。第三阶段，曲线的斜率明显增大，加压速率明显加快，随着力的增加，位移的增加放缓，称为强化阶段。第四阶段，水泥砂浆试件表面裂缝贯通，且局部有压碎的现象，荷载达到峰值，即试件达到了极限抗压强度，称为破坏阶段。

高温后磷酸镁砂浆

2高温后力学性能试验研究

2.1 试件加载装置及升温制度

将试件做成 规格，按要求进行养护。每个配比制作10个试件

本次实验加热设备采用龙口市电炉总厂出品的高温箱式实验炉，升温曲线采用实测的炉温曲线，如图2.1所示。由于磷酸镁水泥砂浆试件的抗压强度在试件养护7天以后便增长缓慢，所以本次实验对标准养护条件下的砂浆试件养护7 天进行实验。本实验将养护7天后的的磷酸镁水泥砂浆试件放在实验炉中，将炉温从室温分别升温到200℃、400℃、600℃、800℃、1000℃，并分别恒温1小时，保证试件受热均匀。然后将试件用铁钳夹出，自然冷却1天后观察其实验现象并测定其高温作用后抗压强度。

图2.1 实测升温曲线

2.2试验结果及分析

实验结果表明，将试件由室温升温到200℃且恒温1h，自然冷却1天后，试件抗压强度比常温下试件的抗压强度分别降低51%、62%，抗压强度变化明显。本实验条件下造成高温作用下水泥砂浆抗压强度变化的主要原因可能是由水泥石高温脱水导致的自身强度变化和水泥石与集料间界面粘结强度变化的双重作用引起的。将试件由室温升温到400℃、600℃时，试件抗压强度降低，其降低幅度比升温到200℃时试件抗压强度的降幅减小。试件由室温升温到800℃之前表面无任何裂缝、掉皮、缺角等现象。升温到1000℃时，试件表面出现几条微裂缝，压碎后发现砂子变成透明的晶体，试件内部为红褐色，如图4.6、图4.7所示。总体上看，磷酸镁水泥砂浆试件高温作用后的抗压强度呈现随温度升高逐渐劣化的趋势，试件升温到200℃时降低幅度较大，试件升温到600℃以上时抗压强度变化趋于平缓。

3初步试验结论

1. 砂灰比S/B、缓凝剂与氧化镁的比、水灰比、氧化镁掺量、氧化镁和磷酸二氢钾的摩尔比等因素都影响磷酸镁水泥砂浆力学性能抗折、抗压强度。

2. 磷酸镁水泥砂浆试件高温作用后的抗压强度呈现随温度升高逐渐劣化的趋势，试件升温到200℃时降低幅度较大，试件升温到600℃以上时抗压强度变化趋于平缓，试件升温到1000℃时抗压强度降低超过常温下的75%，试件几乎丧失强度。

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图2.2试件抗压强度与温度的关系

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