一種高性能磷酸鉀鎂水泥砂漿及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)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(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[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(xué)反應(yīng)及物理作用生成的以磷酸鹽為黏結(jié)相的無機(jī)膠凝材料；該類材料在 常溫下通過化學(xué)鍵結(jié)合，具備了硅酸鹽類膠凝材料和陶瓷材料的主要特點(diǎn)，即低溫固化、高 早強(qiáng)、高體積穩(wěn)定性、粘結(jié)性強(qiáng)、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(chǎn)物或未水化的熟料顆粒反應(yīng)生成同樣具有膠凝性的磷酸鈣類產(chǎn)物，因此在與硅 酸鹽混凝土的粘結(jié)界面附近，除了物理粘結(jié)作用外，還存在很強(qiáng)的化學(xué)粘結(jié)作用，粘結(jié)性較 高；磷酸鎂水泥的酸堿組份遇水后中和反應(yīng)迅速，強(qiáng)度發(fā)展快，早期強(qiáng)度尤其是小時(shí)強(qiáng)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(wěn)定 性好；磷酸鎂水泥基材料的熱膨脹系數(shù)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(yōu)點(diǎn)使磷酸鎂水泥基材料成為混凝土結(jié)構(gòu)最理想的修補(bǔ)加固材料之一。在磷酸 鎂水泥基材料的配制技術(shù)中，凝結(jié)時(shí)間和水穩(wěn)定性的控制是關(guān)鍵技術(shù)。磷酸鎂水泥基材料 凝結(jié)快，水化熱早期集中釋放，這對(duì)施工操作和后期性能均產(chǎn)生不利影響，限制了其的使用 范圍。磷酸鎂水泥基材料長(zhǎng)期與水接觸，存在水溶蝕現(xiàn)象，試件的水養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度相比同齡 期自然養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度會(huì)有不同程度的折減，水穩(wěn)定性有待提高，這限制了其在水環(huán)境下的使 用。骨料對(duì)磷酸鎂水泥基材料的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性及體積穩(wěn)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(xì)骨料，可配制高強(qiáng)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(jià)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(qiáng)度均較低， 有待進(jìn)一步改善。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明目的是：針對(duì)傳統(tǒng)磷酸鎂水泥基材料凝結(jié)快、水化熱早期集中釋放、水穩(wěn)定 性差、對(duì)骨料的品質(zhì)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(jié)時(shí)間可控、水化熱分階段釋放、高早強(qiáng)和 后期強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)、水穩(wěn)定性高、體積收縮小、骨灰比高、骨料資源豐富和價(jià)格低、與普通硅 酸鹽混凝土構(gòu)件的粘結(jié)強(qiáng)度高，該發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、使用方便、節(jié)能環(huán)保、成本較低。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)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(fù)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(fù)合緩凝劑 的質(zhì)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(zhì)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(diào)節(jié)其組成結(jié)構(gòu)，得到高強(qiáng) 度和水穩(wěn)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(xì)骨料，其中，所述 普通河砂和所述石灰石砂質(zhì)量比依次為25~50 :50~75 ;
[0009] 通過合理調(diào)節(jié)普通河砂和石灰石砂的比例得到級(jí)配合理的磷酸鉀鎂水泥砂漿雙 組份細(xì)骨料。
[0010] 步驟四：取步驟二制得的膠凝組份、步驟三制得的細(xì)骨料與水混合，制成磷酸鉀鎂 水泥砂漿，其中，所述細(xì)骨料與膠凝組份的質(zhì)量比依次為1. 25~1. 5 :1，外摻水的質(zhì)量占膠 凝組份質(zhì)量的0. 12~0. 15。
[0011] 該步驟通過合理調(diào)節(jié)骨灰比和水膠比，改善了磷酸鉀鎂水泥砂漿的體積穩(wěn)定性、 水穩(wěn)定性和強(qiáng)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(fā)明在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，還包括以下優(yōu)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(yǎng)護(hù)3~24h，然后在自然空氣環(huán)境下養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期。設(shè)置水化早期溫水浸泡的 養(yǎng)護(hù)措施并控制溫水浸泡時(shí)間，以提高磷酸鉀鎂水泥砂漿硬化體的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。
[0015] 在所述步驟一中，所述復(fù)合緩凝劑由四硼酸鈉、十二水合磷酸氫二鈉和無機(jī)氯鹽 組成。
[0016] 在所述步驟一中，所述死燒氧化鎂粉中MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yè)級(jí)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yè)級(jí)硫酸亞鐵。
[0020] 在所述步驟三中，所述普通河砂為中砂，其細(xì)度模數(shù)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(xì)度模數(shù)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(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0024] 1、本發(fā)明通過合理調(diào)節(jié)復(fù)合緩凝劑的組成結(jié)構(gòu)和摻量，可調(diào)控磷酸鉀鎂水泥砂漿 的凝結(jié)時(shí)間在20~60分鐘范圍，水化熱分階段釋放，包括誘導(dǎo)前期、誘導(dǎo)期、加速期、減速 期和穩(wěn)定期，解決了磷酸鉀鎂水泥砂漿凝結(jié)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(fā)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(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善磷酸鉀鎂水泥砂漿的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，使其 60d抗折強(qiáng)度提高5~10 %、60d抗壓強(qiáng)度提高10~20 %和60d水養(yǎng)護(hù)剩余強(qiáng)度率提高 10 ~20%〇
[0026]3、本發(fā)明通過將粒徑較細(xì)的普通河砂和粒徑較粗的石灰石砂按比例混合，改善細(xì) 骨料的顆粒級(jí)配，使磷酸鉀鎂水泥砂漿的最佳骨灰比提高25~50 %，60d抗壓強(qiáng)度提高 15~30%，收縮變形減少30~60%。
[0027] 4、本發(fā)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(yǎng)護(hù) 3~24h，然后在自然空氣環(huán)境下養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期，使磷酸鉀鎂水泥砂漿的3d強(qiáng)度提高 10~20%，60d強(qiáng)度提高5~10%。
[0028] 5、本發(fā)明經(jīng)制得的磷酸鉀鎂水泥砂漿，初凝時(shí)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(qiáng)度為50~65MPa ;60d抗折強(qiáng)度為10~13MPa、抗壓 強(qiáng)度為65~75MPa ;60d水養(yǎng)護(hù)剩余強(qiáng)度率為90~120%;60d收縮應(yīng)變?yōu)?~IOX 10-5。 與老混凝土的3d粘結(jié)強(qiáng)度為4. 5~5. 5MPa、60d粘結(jié)強(qiáng)度為6. 0~7. 5MPa。
【附圖說明】
[0029] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用 的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0030] 圖1是本發(fā)明高性能磷酸鉀鎂水泥砂漿的制備工藝流程。根據(jù)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(gè)階段：第一階段為凝結(jié)時(shí)間可控、高強(qiáng)度、高水 穩(wěn)定性的磷酸鉀鎂水泥基膠凝組份的制備，第二階段為級(jí)配合理的磷酸鉀鎂水泥砂漿雙組 份細(xì)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(qiáng)度和水穩(wěn)定性的合理的養(yǎng)護(hù)制度的設(shè)計(jì)。
[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(nèi)的收縮應(yīng)變發(fā)展曲線圖。
[0033] 圖4為實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施方式】：
[0036] 以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)上述方案做進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例是用于說明 本發(fā)明而并非限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中采用的實(shí)施條件可以根據(jù)具體施工單位的條件 做進(jìn)一步調(diào)整，未注明的實(shí)施條件通常為常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的條件。
[0037] 具體實(shí)施例方式：
[0038] 實(shí)施例一
[0039] 步驟一，取60質(zhì)量份的死燒氧化鎂粉作為堿性組份和40質(zhì)量份的磷酸二氫鉀作 為酸性組份，8質(zhì)量份復(fù)合緩凝劑，配制凝結(jié)時(shí)間大于0. 5小時(shí)的磷酸鉀鎂水泥。所述復(fù)合 緩凝劑由四硼酸鈉、十二水合磷酸氫二鈉和無機(jī)氯鹽組成，復(fù)合緩凝劑中各成分質(zhì)量比依 次為，四硼酸鈉：十二水合磷酸氫二鈉：無機(jī)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(fù)合緩凝劑的質(zhì) 量比并非必須是60 :40 :8。發(fā)明人經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為了達(dá)到本發(fā)明的目的，所述死燒氧 化鎂粉、磷酸二氫鉀和復(fù)合緩凝劑的質(zhì)量比最好在60~67 :33~40 :8~12范圍內(nèi)。
[0041] 在該步驟一中，所述死燒氧化鎂粉中MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選多90%，死燒氧化鎂粉 的比表面積優(yōu)選為200~220m2/kg。所述磷酸二氫鉀一般采用工業(yè)級(jí)磷酸二氫鉀，該磷酸 二氫鉀的主粒度優(yōu)選為40/350~60/245目/ ym，"目/ ym"為數(shù)值"40/350~60/245"后 面的計(jì)量單位。
[0042] 步驟二，取90質(zhì)量份磷酸鉀鎂水泥（步驟一制得）、10質(zhì)量份硅灰和0. 25質(zhì)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(zhì)量比依次為并非必須是 90 :10 :0. 25。發(fā)明人經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為了達(dá)到本發(fā)明的目的，所述磷酸鉀鎂水泥、硅灰 和硫酸亞鐵的質(zhì)量比最好在85~93 :5~10 :0. 25~0. 5范圍內(nèi)。
[0044] 在該步驟二中，所述硅灰中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選多75%，硅灰的比表面積優(yōu)選為 20000~28000m 2/kg。所述硫酸亞鐵一般采用工業(yè)級(jí)硫酸亞鐵。<