磷酸镁水泥用作道路的快速修补材料研究

磷酸镁水泥用作道路的快速修补材料研究
孙佳龙;黄煜镔;范英儒;兰兴阳;牛欣川
【摘要】磷酸镁水泥(magnesium phosphate cement,MPC)作为一种特种水泥,具有早强、快硬、粘接性能好等特点,从原材料、修复机理和复合材料等方面分析了将其用作道路快速修补材料的可行性,在此基础上认为磷酸镁水泥的应用具有很大的优势和广阔前景.重点对磷酸镁水泥的路用性能和施工工艺进行了综述.%As a kind of special cement,magnesium phosphate cement (MPC)has the characteristics of early strength,high hardness and good adhesion.In this paper,the feasibility of using it as a road repair material from the aspects of raw material,repair mechanism and composite materials was analyzed.On this basis,the application of MPC has great adventages and broad prospects.The road performance and construction technolo-gy of MPC are reviewed.
【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2018(049)001
【总页数】4页(P1040-1043)
【关键词】磷酸镁水泥;快速修补;路用性能;施工工艺
【作者】孙佳龙;黄煜镔;范英儒;兰兴阳;牛欣川
【作者单位】重庆大学土木工程学院,重庆 400045;重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆 400045;重庆大学土木工程学院,重庆 400045;重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆 400045;重庆大学材料科学与工程
学院,重庆 400045;重庆大学土木工程学院,重庆 400045;重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆 400045;重庆大学土木工程学院,重庆 400045;重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆 400045
【正文语种】中文
【中图分类】TU526
0 引言
近10年是我国交通运输行业快速发展的时期，根据交通运输部的统计[1]，截止到2015年全国公路总里程457.73万公里，公路养护里程446.56万公里，占公路总里程97.6%；民航运输年旅客吞吐量达到100万人次以上的通航机场有70个，年旅客吞吐量达到1 000万人次以上的有26个。

我国机场跑道早期均是采用水泥道面，随着航空业的发展，原有道面出现了不同程度的破坏，针对机场道面的破坏特点，能够快速修补、保证飞机快速起飞就显得尤为重要。

可以看出，公路、航空业经历过快速建设的时期，现在已经进入到养护的阶段，而且我国很多低等级道路多是采用水泥混凝土路面，所以如何修补水泥混凝土路面延长路面寿命是一个很现实的问题。

采用普通水泥混凝土材料修补，会面临与老混凝土粘接差、养护周期长等问题，所以采用快速修补技术就要求修补材料有以下性质：(1) 早期强度高；(2) 初凝时间不宜过短，保证施工时间；(3) 与老混凝土粘接情况好，且粘接处的强度高；(4) 修补材料的收缩率小；(5) 施工上便捷、简单。

1 磷酸镁水泥的研究现状
磷酸镁水泥作为一种新型凝胶材料，和普通硅酸盐水泥相比，具有其不具备的良好性能。

磷酸镁水泥最早在20世纪30年代于国外开始研究，80年代我国才开始研
究并快速发展，材料本身首先用于生物医学，后来逐步用于建筑的修补材料。

其作为建筑修补材料具有凝结时间短、早强以及与普通混凝土结合好等特点。

因此将磷酸镁水泥用于道路的快速修补材料具有很好的前景。

1.1 原料及制备的影响因素
制备磷酸镁水泥的基本原料由氧化镁(M)、磷酸盐(P)和缓凝剂组成，其制备的实质是氧化镁和磷酸盐发生的酸碱中和反应，由于反应速率较快，故加入适量的缓凝剂来降低初期的反应速率达到延缓初凝的效果。

氧化镁的活性会影响反应速率，为了增加初凝的时间，王爱娟[2]研究表明，增加
氧化镁的煅烧温度，可以降低氧化镁的比表面积和活性，进而延长了初凝时间。

所以现阶段氧化镁主要采用重烧氧化镁作为原料。

高瑞[3]利用4种不同的磷酸盐研
究了在相同摩尔浓度下，磷酸二氢盐较一氢盐能形成早期强度高的磷酸镁水泥。

范英儒[4]研究了磷酸盐对磷酸镁水泥粘接强度的影响，磷酸二氢钾和磷酸二氢铵复
合制备的磷酸镁水泥的抗折、粘接强度比单一磷酸盐提高40%。

对于道路快速修补，原材料的选用就会影响后面的路用性能。

目前磷酸镁水泥的缓凝剂主要以硼砂为主，但因其掺量较大，以牺牲早期强度延长凝结时间为代价，因此很多研究人员对复合缓凝剂做了大量的工作。

王二强[5]利
用三乙醇胺-硼酸复合的缓凝剂进行实验，可以提高凝结时间，且不降低抗压强度。

段新勇[6]以硼砂- 十二水合磷酸氢二钠和氯化钙为原料制备的缓凝剂证明了其缓凝效果比等掺量的硼砂性能更好。

复合型缓凝剂将会是以后发展的重要方向。

1.2 修复机理
磷酸镁水泥自身的性能决定了其作为修补材料是完全可行的。

磷酸镁水泥的反应本质是酸碱中和反应，普遍认为硬化机理为反应生成的主要产物——鸟粪石在氧化
镁周围形成的紧密结构，进而产生强度。

汪宏涛、杨楠[7- 8]通过研究微观结果，发现了磷酸镁水泥砂浆可以与普通水泥砂浆中未水化产物发生水化反应，粘结处不
仅包括物理作用还包括化学作用，因此提高了粘结处的强度。

此外，磷酸镁水泥也有和普通水泥相似的物理性能(表1)。

Yang[9- 10]也在文献中证明了磷酸镁水泥砂浆和普通混凝土砂浆有相似的热膨胀系数和弹性模量，说明两者有很好的体积相容性。

表1 磷酸镁水泥材料与普通混凝土的热膨胀、收缩率性能
Table 1 Thermal expansion and contraction percentage of magnesium phosphate cement and ordinary concrete
材料种类热膨胀系数/×10-6·℃-1收缩率/×10-4·℃-1磷酸镁水泥砂浆9．60．34磷酸镁水泥混凝土8．20．25普通水泥砂浆10～2030～50普通混凝土7～146～9
1.3 制备复合材料的研究现状
在改进磷酸镁水泥原有的基本材料和配合比的基础上，很多人也通过掺入其它材料制备复合磷酸镁水泥，来提高磷酸镁水泥的各种性能。

例如，汪宏涛等[11]在磷酸镁水泥基材料中掺入钢纤维，当钢纤维掺量在0.8%～1.5%时，可以显著提高磷酸镁水泥的早期强度，还可以降低磷酸镁水泥的收缩率和提高耐磨性。

苏柳铭[12]研究了聚丙纤维对磷酸镁水泥砂浆性能的影响，并讨论了钢纤维和聚丙纤维混合对砂浆性能的影响，结果表明对砂浆的抗冲击和耐磨性都有良好的表现。

杨建明[13]利用玻璃纤维织物铺放涂胶在磷酸镁水泥试件上，而且磷酸镁水泥试件与玻璃纤维织物可以更好的粘接在一起，从而提高了试件的抗弯强度。

李国新[14]研究了粉煤灰和矿粉对磷酸镁水泥性能的影响，结果表明随着掺量的不断提高，磷酸镁水泥的抗压强度都出现先增大后减小的趋势，也证明了矿粉的性能比粉煤灰更佳。

不同复合材料的选用显著提高了磷酸镁水泥的适用范围，未来通过掺入不同的纤维或纳米材料，不但可以提高其使用性能，还可能制备出智能的修补材料，对于道路早期破坏的修补、防止破损扩大都有很重要的意义。

1.4 磷酸镁水泥路用性能的研究
1.4.1 物理性能及其影响因素
磷酸镁水泥的物理性能主要包括凝结时间和流动度两个方面。

其中凝结时间不宜过短，一方面为了保证施工有充足的时间；另一方面保证浆体在进入到破坏的裂缝前不凝结；流动度则需要保证浆体能够充分进入裂缝和缝隙中。

作为道路快速修补材料，希望凝结时间和流动度尽可能大。

很多的研究人员对此也进行了研究，例如肖卫[15]从水胶比、M/P比和掺合料3
个方面分析了对磷酸镁水泥凝结时间和流动度的影响。

水胶比在0.14～0.2时凝结时间可以满足一般的施工要求；M/P比从3～6时凝结时间不断较小，其中氧化镁的溶解速率起着决定性作用；掺合料比较了粉煤灰和矿粉的影响，其中最佳粉煤灰掺量在30%～40%，最佳矿粉掺量在10%～20%。

汪宏涛[7]认为影响磷酸镁水
泥凝结时间和流动度的主要因素是缓凝剂、氧化镁活性和P/M比。

王庆珍[16]则
从环境温度考虑了对磷酸镁水泥的凝结时间影响，认为温度越高会提高磷酸镁水泥的早期强度，同时会降低凝结时间。

综上可以看出，各种因素影响磷酸镁水泥的凝结时间和流动度是一个综合作用的结果，通过改进配合比和环境基本都能满足作为道路快速修补材料的要求。

1.4.2 力学性能及其影响因素
磷酸镁水泥用作快速道路修补材料，就要面对各种荷载的反复作用，因此就需要满足路面抗压强度和抗折强度要求。

肖卫[15]、汪宏涛[7]也从配合比和掺合料等方面研究了力学强度，通过优化配合
比设计普遍认为3 h抗压强度能达到40 MPa以上、抗折强度达到6 MPa以上。

作为修补材料，与旧混凝土的粘结处就存在薄弱环节，所以考虑粘结处的强度十分必要。

Yang和Ding[9,17]研究了磷酸镁水泥与普通硅酸盐水泥具有良好的兼容性。

肖卫[15]证实了磷酸镁水泥和普通硅酸盐水泥优良的粘结性能，3h就能达到原有
基体强度的2/3。

雒亚莉[18]在粘结强度测试中，磷酸镁水泥材料和普通混凝土之间的粘接情况很好，能满足修补材料的要求。

磷酸镁水泥材料本身的强度是完全满足用作道路修补材料，主要问题在于处理好粘结处的薄弱问题，这一点可以通过对粘结处改进施工工艺来解决。

1.4.3 耐久性及其原因
路面材料长期暴露在自然环境下，经受雨水冲刷、气温变化会出现耐久性不足的问题，这就要求修补材料必须有足够的耐久性，主要表现在耐磨性，在雨水充足的地区还需要满足抗水性，在高寒地区还要考虑抗冻性。

Yang[9]比较了磷酸镁水泥和普通水泥的耐磨性，结果表明磷酸镁水泥的耐磨性优于普通水泥。

Yang和Ding[9,17]认为磷酸镁水泥的耐磨性主要来自于水化产物和未水化的氧化镁颗粒组成的结构。

汪宏涛[19]提出了M/P的比值在4时磷酸镁水泥的耐磨性能最佳，其水化产物为棱柱状，随着时间的增加，结晶的强度越高。

毛敏[20]通过试验表明磷酸镁水泥的耐水性较差，其中环境溶液的pH值对其有着重要的影响。

但通过在磷酸镁水泥中掺入外加剂或者粉煤灰能够提高磷酸镁水泥的耐水性。

李九苏[21]则通过掺入高效防水剂来提高磷酸镁水泥的耐水性。

可以看出磷酸镁水泥的耐磨性完全可以满足道路行驶要求，对于特殊环境下，可以通过复合掺合料来提高耐久性以满足使用要求。

2 磷酸镁水泥的修补工艺
目前关于磷酸镁水泥的研究主要是在材料本身的性能上，如果将其用作道路修补上面，提出合适的修补方式和修补界面的处理方案就能更好的提高磷酸镁水泥的适用性。

水泥混凝土路面在荷载长期反复的作用下，及暴露在自然环境中，会出现不同类型的破坏形式，大致可以分为接缝破坏和混凝土面板破坏两个方面[22]。

接缝破坏主要包括挤碎、拱起、错台和唧泥，混凝土面板的破坏包括断裂和裂缝。

按照常见破
坏形式的大小，大致可以分为成块的破坏、裂缝破坏和裂纹破坏。

对于不同的破坏类型应采取不同的修复形式。

主要可以分为表面处理和灌浆处理两个大方面[23]。

表面处理就适合用在裂纹破坏或者路表层整体破坏的情况；灌浆处理适合用在裂缝破坏或者成块破坏的情况。

目前磷酸镁水泥用作道路修补的实际工程还鲜有文献。

通过借鉴其它修补材料的施工工艺对于提高磷酸镁水泥用于实际工程还是有很大帮助。

2.1 极薄罩面
极薄罩面目前在沥青混凝土路面使用较多，是通过在道路表面喷洒一层薄沥青形成面层，以提高路面的平整度和抗磨性。

水泥路面经过长期使用会出现道路表面起砂、集料裸露的情况，通过上面对磷酸镁水泥抗磨性的分析，如果在道路表面喷洒罩面，就可以有效预防道路表面起砂的问题，同时对于细微裂纹还能起到封层、防止裂纹扩散的效果。

但目前将磷酸镁水泥用作罩面的应用还没有，如果能够用在表面处理上，就可以扩大磷酸镁水泥的使用范围。

2.2 裂缝处灌浆
在裂缝处灌浆是常用的修补手段，用磷酸镁水泥制备砂浆填补裂缝的可行性在前面已经分析过。

同时，实验表明[8]利用磷酸镁水泥净浆作为界面处理的润滑剂，对
界面处粗糙处理和润湿能够提高粘结强度。

2.3 混凝土面板成块
对于混凝土面板成块的破坏，如何利用磷酸镁水泥与旧混凝土混合形成新的混凝土，重新在原有道路修补，对于节约材料提高粘结效果就很重要。

在实际应用[12]中就发现，只需将处理掉的混凝土简单处理就可以和磷酸镁水泥搅拌成型，重新填筑在破损处。

3 存在的问题和建议
磷酸镁水泥的发展取得了很大的进步，但存在的一些问题还需要在以后的研究中解
决。

(1) 磷酸镁水泥如果只由基本原料组成，不能够完全满足使用性能。

因此在制备磷酸镁水泥加入改性材料可以制得性能更加优异的磷酸镁水泥，黄煜镔[24]通过掺入EVA乳液可使磷酸镁水泥的粘接强度提高30%；通过掺入聚合物乳液来提高磷酸
镁水泥砂浆的粘接性能。

如何在磷酸镁水泥材料的改性研究中让其各方面性能提高是一个很重要的问题。

(2) 如果将磷酸镁水泥用作道路快速修补材料，不仅要考虑材料自身的性能，还应当在施工工艺角度进行考虑，道路从初期破坏逐渐发展，不能用同一种方案来解决，这方面在磷酸镁水泥上还很少看见文献进行研究。

(3) 近些年很多研究人员从磷酸镁水泥的复合材料方面进行研究，但研究的重点是改善磷酸镁水泥的某一方面性能，如果想要把磷酸镁水泥进行推广，应对各种不同复杂的自然环境，还需要在复合材料上做更多的研究。

4 结语
磷酸镁水泥相对于普通硅酸盐水泥依然属于新型凝胶材料，通过近几十年很多的学者和研究人员努力取得了很大的进步，总体来说现在依然处于快速发展不断进步的阶段。

我国公路、航空经过快速建设的时期，现在已经进入养护阶段，目前针对水泥混凝土道路的修补问题进行了很多研究，提出了不同的修补方案，但如何做到快速修补，对原有道路影响最小还是一个问题。

以前多是从材料本身进行研究，但远远是不够的，还应通过改进施工工艺，根据道路在不同破坏时期的特点，提出不同的应对方案。

希望结合磷酸镁水泥自身优良的性能，以后可以更多的应用在道路快速修补上，不仅如此，还能够应用在其它普通水泥混凝土的快速修补上面。

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