单掺粉煤灰和矿渣粉对磷酸镁水泥水化进程及强度的影响.pdf

第 42 卷 第 7 期2023 年 7 月硅 酸 盐 通 报BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.42 No.7July,2023单掺粉煤灰和矿渣粉对磷酸镁水泥水化进程及强度的影响刘 进1,韩 达1,张增起2(1.北京城建集团有限责任公司,北京 100088;2.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京 100083)摘要:以石英粉作为参照,通过监测水化热、悬浮液 pH 值及凝结时间变化研究了粉煤灰和矿渣粉(GGBS)对磷酸镁水泥水化进程的影响,并测定了砂浆的抗压强度及硬化浆体的孔结构。结果表明,粉煤灰和矿渣粉对磷酸镁水泥的水化具有较强的延缓作用,且矿渣粉的缓凝效果更强。粉煤灰和矿渣粉能够改善硬化浆体的孔结构,其中矿渣粉的改善效果更为显著。在 15%(质量分数)掺量下,单掺粉煤灰和矿渣粉的磷酸镁水泥砂浆 2 h 抗压强度都略高于纯磷酸镁水泥砂浆。掺粉煤灰的磷酸镁水泥砂浆后期抗压强度等于或略高于纯磷酸镁砂浆,掺矿渣粉的磷酸镁水泥砂浆后期抗压强度显著高于纯磷酸镁水泥砂浆。关键词:粉煤灰;矿渣粉;磷酸镁水泥;水化进程;抗压强度;孔结构中图分类号:TQ172文献标志码:A文章编号:1001-1625(2023)07-2472-07Effects of Single-Doped Fly Ash and GGBS on Hydration Process andStrength of Magnesium Phosphate CementLIU Jin1,HAN Da1,ZHANG Zengqi2(1.Beijing Urban Construction Group Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.School of Metallurgical and EcologicalEngineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:Taking quartz powder as a reference,the effects of fly ash and ground granulated blast furnace slag powder(GGBS)on the hydration process of magnesium phosphate cement were researched by monitoring the changes of hydrationheat,suspension pH value and setting time.In addition,the compressive strength of mortar and pore structure of hardenedpaste were determined.The results show that fly ash as well as GGBS have strong delaying effects on the hydration ofmagnesium phosphate cement,and the delaying effect of GGBS is stronger.Fly ash and GGBS can improve the porestructure of hardened paste,and the improving effect of GGBS is more significant.When the replacement ratio is 15%(mass fraction),the compressive strength of magnesium phosphate cement containing fly ash or GGBS is higher than that ofpure magnesium phosphate cement at 2 h.The compressive strength of magnesium phosphate cement containing fly ash isequal to or higher than that of pure magnesium phosphate cement at late ages.While the compressive strength of magnesiumphosphate cement containing GGBS is significantly higher than that of pure magnesium phosphate cement at late ages.Key words:fly ash;GGBS;magnesium phosphate cement;hydration process;compressive strength;pore structure收稿日期:2023-03-22;修订日期:2023-05-15基金项目:中国科协青年人才托举工程(2022QNRC001)作者简介:刘 进(1992),男,博士。主要从事建筑材料及建筑工程的研究。E-mail:liujin001 0 引 言磷酸镁水泥是一种新型胶凝材料,主要由 MgO 和可溶性磷酸盐组成,其凝结速度快,早期强度高,可应用于军事设施、机场、桥梁的抢修抢建工作中1-2。同时,磷酸镁水泥具有黏结强度高、收缩小的特点,是一种较为理想的修复材料3-4。磷酸镁水泥还被用于核废弃物固化、防腐涂层等,具有广阔的发展前景5-6。然而,磷酸镁水泥早期的反应速率高,水化进程往往难以监测,此外其凝结时间短,对工程实际应用形成了一定考验。MgO 和 KH2PO4的生产成本较高,导致磷酸镁水泥的价格昂贵,不利于其在建筑领域的推广和应用。第 7 期刘 进等:单掺粉煤灰和矿渣粉对磷酸镁水泥水化进程及强度的影响2473矿物掺合料如粉煤灰(fly ash,FA)、矿渣粉(ground granulated blast furnace slag powder,GGBS)等在硅酸盐水泥中已得到了广泛研究。近年来,各类矿物掺合料也逐渐应用于磷酸镁水泥,矿物掺合料不仅可以调节磷酸镁水泥的性能,还能够降低磷酸镁水泥的材料成本7。掺入粉煤灰和矿渣粉后,磷酸镁水泥的早期强度往往降低,当掺量不高时,其后期强度能够有所增长8-9。粉煤灰在磷酸镁水泥中曾被认为是惰性填料,仅具有稀释和填充作用10。但也有学者11-12认为,粉煤灰在磷酸镁水泥中能够表现出化学活性,其与磷酸盐反应可能生成磷酸钙、硅酸钾铝、磷酸铝相等。矿渣粉在磷酸镁水泥中具有化学活性,可能与磷酸盐反应生成磷铝酸钾等水化产物11。本文通过制备高水胶比浆体和高水胶比悬浮液,监测磷酸镁水泥早期的水化放热和 pH 值变化情况,并以石英粉(quartz powder)作为参照,研究了粉煤灰和矿渣粉对磷酸镁水泥水化进程及凝结时间的影响。此外,对单掺粉煤灰和矿渣粉的磷酸镁水泥砂浆的抗压强度及硬化浆体的孔结构进行了探索。1 实 验1.1 原材料试验所用 MgO 为经 1 700 过烧的镁砂(magnesia powder),KH2PO4与硼砂的纯度不低于 99%。试验所用粉煤灰为一级粉煤灰,矿渣粉为 S105 级矿渣粉。镁砂、石英粉、粉煤灰、矿渣粉的主要化学组成如表 1所示,粒径分布如图 1 所示。试验所用砂为符合水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)(GB/T 176712021)规定的 ISO 标准砂。表 1 原材料的主要化学组成Table 1 Main chemical composition of raw materialsMaterialMass fraction/%CaOSiO2Al2O3MgOFe2O3ZnONa2OK2OP2O5Magnesia powder3.361.960.3893.180.760.02Quartz powder0.0199.920.020.010.010.01Fly ash5.5746.9234.210.717.270.040.241.480.22GGBS40.2330.8116.217.090.950.060.180.560.12图 1 原材料的粒径分布Fig.1 Particle size distribution of raw materials1.2 配合比掺入石英粉、矿渣粉和粉煤灰后,复合磷酸镁胶凝材料的配合比如表 2 所示。其中,Q15、F15 和 G15的掺量为15%(质量分数),Q30、F30 和 G30 分别表示石英粉、粉煤灰、矿渣粉的掺量为 30%,取代方式为同时取代 MgO 和 KH2PO4,即保持 MgO 与 KH2PO4的比值不变。按照配合比对胶凝材料进行称量后,制备复合磷酸镁硬化浆体和磷酸镁砂浆,分别用于凝结时间、孔结构以及抗压强度测试,其水胶比为 0.18,缓凝剂(硼砂)的掺量为 MgO 与 KH2PO4质量和的 4%,砂浆的胶砂比为 1。制备高水胶比浆体和高水胶比悬浮液,分别用于水化热和 pH 测试,浆体的水胶比为 0.5,悬浮液的水胶比为 5。表 2 复合磷酸镁胶凝材料的配合比Table 2 Mix ratio of composite magnesium phosphate cementitious materialsSampleMix ratio(mass fraction)/%MgOKH2PO4Quartz powderFly ashGGBSMPC59.940.1Q1550.934.1152474资源综合利用硅 酸 盐 通 报 第 42 卷续表SampleMix ratio/%MgOKH2PO4Quartz powderFly ashGGBSF1550.934.115G1550.934.115Q3041.928.130F3041.928.130G3041.928.1301.3 测试方法磷酸镁水泥的水化放热采用等温水化量热仪进行测试,仪器环境温度为 25,称取 10 g 水泥与 5 g 去离子水,搅拌约 30 s 后放入仪器中监测水化放热情况。高水胶比悬浮液的 pH 值测试依照文献13中的方法,将 20 g 水泥与 100 g 去离子水倒入烧杯中后,以 300 r/min 的速率搅拌,每间隔 10 s 采集悬浮液的 pH值。磷酸镁水泥净浆的凝结时间依照水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法(GB/T 13462011)规定的方法测试,浆体倒入试模后,采用维卡仪每间隔 30 s 测试其凝结情况,将终凝时间作为磷酸镁水泥的凝结时间。磷酸镁水泥浆体搅拌完成后,倒入离心管中进行密封,28 d 龄期时,将硬化浆体剪切成边长约 5 mm 的小立方块,用无水乙醇浸泡终止水化,在 40 下烘干 24 h 后,采用压汞仪测试样品 3.2 nm 360 m 的孔径分布情况。制备 40 mm 40 mm 160 mm 的砂浆试样,在 2 h、1 d、7 d、28 d 和 90 d 时,依照水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)(GB/T 176712021)规定的测试方法,采用 300 kN 电液式压力机测试磷酸镁水泥砂浆的抗压强度。2 结果与讨论图 2 粉煤灰和矿渣粉对磷酸镁水泥水化放热的影响Fig.2 Effects of fly ash and GGBS on hydration heat of magnesium phosphate cement2.1 水化热粉煤灰和矿渣粉对磷酸镁水泥水化放热的影响如图 2 所示。磷酸镁水泥遇水后,KH2PO4立即溶解并吸收一定热量,接着 MgO 溶解并释放大量热量,水化放热速率曲线随即产生第一个放热峰;随后 MgO 的溶解速率逐渐降低,水化放热速率下降,曲线呈现峰谷;当离子达到过饱和浓度后,开始生成 KMgPO46H2O 并释放热量,水化放热速率曲线形成第二个放热