一种高性能磷酸钾镁水泥砂浆及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型土木工程材料，尤其是一种高性能磷酸盐水泥基材料，特别 是一种高性能磷酸钾镁水泥砂浆及其制备方法，属于土木工程用材技术领域。
【背景技术】
[0002] 磷酸镁水泥是由死烧氧化镁、可溶性磷酸盐和外加剂等按照一定比例，在酸性条 件下通过酸碱化学反应及物理作用生成的以磷酸盐为黏结相的无机胶凝材料；该类材料在 常温下通过化学键结合，具备了硅酸盐类胶凝材料和陶瓷材料的主要特点，即低温固化、高 早强、高体积稳定性、粘结性强、硬化体偏中性等。磷酸镁水泥中的磷酸盐能与普通混凝土 中的水化产物或未水化的熟料颗粒反应生成同样具有胶凝性的磷酸钙类产物，因此在与硅 酸盐混凝土的粘结界面附近，除了物理粘结作用外，还存在很强的化学粘结作用，粘结性较 高；磷酸镁水泥的酸碱组份遇水后中和反应迅速，强度发展快，早期强度尤其是小时强度非 常高，这是普通硅酸盐水泥甚至是快硬硫铝酸盐水泥等都不能相比的；磷酸镁水泥基材料 浆体的水胶比低，水化硬化过程的收缩变形仅为硅酸盐水泥基材料的十分之一，体积稳定 性好；磷酸镁水泥基材料的热膨胀系数与普通硅酸盐混凝土的很接近，之间的热性能匹配 很好。上述优点使磷酸镁水泥基材料成为混凝土结构最理想的修补加固材料之一。在磷酸 镁水泥基材料的配制技术中，凝结时间和水稳定性的控制是关键技术。磷酸镁水泥基材料 凝结快，水化热早期集中释放，这对施工操作和后期性能均产生不利影响，限制了其的使用 范围。磷酸镁水泥基材料长期与水接触，存在水溶蚀现象，试件的水养护强度相比同龄 期自然养护的强度会有不同程度的折减，水稳定性有待提高，这限制了其在水环境下的使 用。骨料对磷酸镁水泥基材料的强度、水稳定性及体积稳定性有重要影响。已有用石英砂、 氧化铝砂、氧化镁砂和花岗石作为细骨料，可配制高强度的磷酸镁水泥砂浆，但石英砂、氧 化铝砂、氧化镁砂和花岗岩资源有限、价格昂贵，限制了其使用；普通河砂和石灰石虽来源 丰富且成本低廉，但配制的磷酸镁水泥砂浆的骨料掺量（最佳骨灰比为1)和强度均较低， 有待进一步改善。
【发明内容】
[0003] 本发明目的是：针对传统磷酸镁水泥基材料凝结快、水化热早期集中释放、水稳定 性差、对骨料的品质要求高和骨灰比低等问题，提出了一种高性能磷酸钾镁水泥砂浆及其 制备方法。该方法所制备的磷酸钾镁水泥砂浆凝结时间可控、水化热分阶段释放、高早强和 后期强度持续增长、水稳定性高、体积收缩小、骨灰比高、骨料资源丰富和价格低、与普通硅 酸盐混凝土构件的粘结强度高，该发明制备工艺简单、使用方便、节能环保、成本较低。
[0004] 本发明的技术方案是：一种高性能磷酸钾镁水泥砂浆的制备方法，包括以下步 骤：
[0005] 步骤一：取死烧氧化镁粉作为碱性组份，磷酸二氢钾作为酸性组份，并掺入复合缓 凝剂，配制成磷酸钾镁水泥，其中，所述死烧氧化镁粉、所述磷酸二氢钾和所述复合缓凝剂 的质量比依次为60~67 :33~40 :8~12 ;
[0006] 步骤二：取所述步骤一制得的磷酸钾镁水泥、硅灰和硫酸亚铁配制成磷酸钾镁水 泥砂浆的胶凝组份，其中，所述磷酸钾镁水泥、硅灰和硫酸亚铁的质量比依次为85~93 : 5 ~10 :0. 25 ~0. 50 ;
[0007] 在所配制的磷酸钾镁水泥中掺硅灰和硫酸亚铁并合理调节其组成结构，得到高强 度和水稳定性的磷酸钾镁水泥基胶凝组份。
[0008] 步骤三：取普通河砂和石灰石砂混合制成磷酸钾镁水泥砂浆的细骨料，其中，所述 普通河砂和所述石灰石砂质量比依次为25~50 :50~75 ;
[0009] 通过合理调节普通河砂和石灰石砂的比例得到级配合理的磷酸钾镁水泥砂浆双 组份细骨料。
[0010] 步骤四：取步骤二制得的胶凝组份、步骤三制得的细骨料与水混合，制成磷酸钾镁 水泥砂浆，其中，所述细骨料与胶凝组份的质量比依次为1. 25~1. 5 :1，外掺水的质量占胶 凝组份质量的0. 12~0. 15。
[0011] 该步骤通过合理调节骨灰比和水胶比，改善了磷酸钾镁水泥砂浆的体积稳定性、 水稳定性和强度。
[0012] 所述步骤三和步骤二的顺序不分先后，所述步骤三和步骤一的顺序不分先后。
[0013] 本发明在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：
[0014] 还包括步骤五：将成型好的磷酸钾镁水泥砂浆试件3~6h脱模，置于30~50°C 的温水中养护3~24h，然后在自然空气环境下养护到规定龄期。设置水化早期温水浸泡的 养护措施并控制温水浸泡时间，以提高磷酸钾镁水泥砂浆硬化体的强度和水稳定性。
[0015] 在所述步骤一中，所述复合缓凝剂由四硼酸钠、十二水合磷酸氢二钠和无机氯盐 组成。
[0016] 在所述步骤一中，所述死烧氧化镁粉中MgO的质量分数多90%，死烧氧化镁粉的 比表面积为200~220m 2/kg。
[0017] 在所述步骤一中，所述磷酸二氢钾为工业级磷酸二氢钾，该磷酸二氢钾的主粒度 为 40/350 ~60/245 目 / y m。
[0018] 在所述步骤二中，所述硅灰中SiO2的质量分数多75%，所述硅灰的比表面积为 20000 ~28000m2/kg。
[0019] 在所述步骤二中，所述硫酸亚铁为工业级硫酸亚铁。
[0020] 在所述步骤三中，所述普通河砂为中砂，其细度模数为2. 3~3. 0。
[0021] 在所述步骤三中，所述石灰石砂由石肩筛除0. 315mm以下的石粉和5mm以上的粗 颗粒而得到，其细度模数为3. 4~4. 0。
[0022] -种采用上述方法制备而成的高性能磷酸钾镁水泥砂浆。
[0023] 本发明的优点是：
[0024] 1、本发明通过合理调节复合缓凝剂的组成结构和掺量，可调控磷酸钾镁水泥砂浆 的凝结时间在20~60分钟范围，水化热分阶段释放，包括诱导前期、诱导期、加速期、减速 期和稳定期，解决了磷酸钾镁水泥砂浆凝结快、施工可操作性差和水化热早期集中释放等 问题。
[0025] 2、本发明通过在磷酸钾镁水泥中掺入适量的硅灰和硫酸亚铁，有效改善了磷酸钾 镁水泥基胶凝组份硬化体的微结构，进而改善磷酸钾镁水泥砂浆的强度和水稳定性，使其 60d抗折强度提高5~10 %、60d抗压强度提高10~20 %和60d水养护剩余强度率提高 10 ~20%〇
[0026]3、本发明通过将粒径较细的普通河砂和粒径较粗的石灰石砂按比例混合，改善细 骨料的颗粒级配，使磷酸钾镁水泥砂浆的最佳骨灰比提高25~50 %，60d抗压强度提高 15~30%，收缩变形减少30~60%。
[0027] 4、本发明通过将脱模后的磷酸钾镁水泥砂浆试件置于30~50°C的温水中养护 3~24h，然后在自然空气环境下养护到规定龄期，使磷酸钾镁水泥砂浆的3d强度提高 10~20%，60d强度提高5~10%。
[0028] 5、本发明经制得的磷酸钾镁水泥砂浆，初凝时间在20~60分钟范围，水化热分阶 段释放；3d抗折为8~llMPa、抗压强度为50~65MPa ;60d抗折强度为10~13MPa、抗压 强度为65~75MPa ;60d水养护剩余强度率为90~120%;60d收缩应变为5~IOX 10-5。 与老混凝土的3d粘结强度为4. 5~5. 5MPa、60d粘结强度为6. 0~7. 5MPa。
【附图说明】
[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技 术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030] 图1是本发明高性能磷酸钾镁水泥砂浆的制备工艺流程。根据图1的工艺过程可 将高性能磷酸钾镁水泥砂浆的制备分为四个阶段：第一阶段为凝结时间可控、高强度、高水 稳定性的磷酸钾镁水泥基胶凝组份的制备，第二阶段为级配合理的磷酸钾镁水泥砂浆双组 份细骨料的制备，第三阶段为高性能和高骨灰比的磷酸钾镁水泥砂浆的制备，第四阶段为 提高磷酸钾镁水泥砂浆硬化体强度和水稳定性的合理的养护制度的设计。
[0031] 图2是高性能磷酸钾镁水泥砂浆的初始水化温度变化曲线图。
[0032] 图3是高性能磷酸钾镁水泥砂浆在初始60d内的收缩应变发展曲线图。
[0033] 图4为实施例一制备的磷酸钾镁水泥砂浆硬化体样品的SEM图之一；
[0034] 图5为实施例一制备的磷酸钾镁水泥砂浆硬化体样品的SEM图之二；
[0035] 图6为实施例一中用磷酸钾镁水泥基胶凝组份制备的硬化体的SEM图。
【具体实施方式】：
[0036] 以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明 本发明而并非限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体施工单位的条件 做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
[0037] 具体实施例方式：
[0038] 实施例一
[0039] 步骤一，取60质量份的死烧氧化镁粉作为碱性组份和40质量份的磷酸二氢钾作 为酸性组份，8质量份复合缓凝剂，配制凝结时间大于0. 5小时的磷酸钾镁水泥。所述复合 缓凝剂由四硼酸钠、十二水合磷酸氢二钠和无机氯盐组成，复合缓凝剂中各成分质量比依 次为，四硼酸钠：十二水合磷酸氢二钠：无机氯盐=1 :3 :2。
[0040] 需要说明的是，在该步骤一中，所述死烧氧化镁粉、磷酸二氢钾和复合缓凝剂的质 量比并非必须是60 :40 :8。发明人经过大量实验发现，为了达到本发明的目的，所述死烧氧 化镁粉、磷酸二氢钾和复合缓凝剂的质量比最好在60~67 :33~40 :8~12范围内。
[0041] 在该步骤一中，所述死烧氧化镁粉中MgO的质量分数优选多90%，死烧氧化镁粉 的比表面积优选为200~220m2/kg。所述磷酸二氢钾一般采用工业级磷酸二氢钾，该磷酸 二氢钾的主粒度优选为40/350~60/245目/ ym，"目/ ym"为数值"40/350~60/245"后 面的计量单位。
[0042] 步骤二，取90质量份磷酸钾镁水泥（步骤一制得）、10质量份硅灰和0. 25质量份 硫酸亚铁，混合得到胶凝组份。
[0043] 在该步骤二中，所述磷酸钾镁水泥、硅灰和硫酸亚铁的质量比依次为并非必须是 90 :10 :0. 25。发明人经过大量实验发现，为了达到本发明的目的，所述磷酸钾镁水泥、硅灰 和硫酸亚铁的质量比最好在85~93 :5~10 :0. 25~0. 5范围内。
[0044] 在该步骤二中，所述硅灰中SiO2的质量分数优选多75%，硅灰的比表面积优选为 20000~28000m 2/kg。所述硫酸亚铁一般采用工业级硫酸亚铁。<