磷酸镁水泥的研究现状及发展趋势

第36卷第4期 娃酸盐通报Vol.36 No.4 2017 年 4 月________________BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY____________________April,2017磷酸镁水泥的研究现状及发展趋势孟芹\廖梓捃2，李云涛2(1.贵州交通职业技术学院道路与桥梁工程系，贵阳550008 ;2.后勤工程学院化学与材料工程系，重庆401311)摘要:鉴于磷酸镁水泥的优良性能和广泛应用，从磷酸盐、氧化镁及外加剂三方面论述了磷酸镁水泥的制备，从水 化历程、水化产物及缓凝机理三部分探讨了磷酸镁水泥的水化机理，然后综述了磷酸镁水泥的工作及力学性能的 研究进展，在此基础上总结了磷酸镁水泥在应用过程中存在的问题和未来发展趋势。

关键词:磷酸镁水泥；制备；水化机理；性能；趋势中图分类号:TQ172 文献标识码:A文章编号:1001-1625(2017)04-1245-09 Research Status and Development Trend of Magnesium Phosphate CementMENG Qin ,LIA0 Zi-jun,LI Yun-tao2(1. Department of Road and Bridge Engineering,Guizhou Communication Vocational College,Guizhou 550008 ,China ；2. Department of Chemistry and Material Engineering,Logistic Engineering University,Chongqing 401311,China)Abstract：With good performance and wide application of magnesium phosphate cement,the preparation from phosphate,magnesium oxide and admixture were reviewed.And the hydration mechanism from hydration process,hydration products and retarding mechanism were discussed.Then the research progress of work and mechanical properties of magnesium phosphate cement were summarized.Magnesium phosphate cement was summarized on the problems existing in the application process,and on the basis of magnesium phosphate cement f or the future development trend were discussed.Key words：magnesium phosphate cement；preparation；hydration mechanism；performance；trend1引言磷酸镁水泥（Magnesium Phosphate Cement，M P C)由磷酸盐、氧化镁以及外加剂按一定的比例组成，是以 酸-碱中和反应为基础，通过物理作用凝结硬化的新型气硬性胶凝材料，这类胶凝材料具有快硬早强、粘结强 度高、体积变形小、耐磨性好、环境适应性广等特点，磷酸镁水泥具有的优异性能，使其在工程快速修补、快速 加固与整治、防突技术及有害物质固化和国防工程建设等方面具有广阔的应用前景[14]。

但是由于磷酸镁水 泥水化机理复杂，体系不够稳定，其水化过程、水化产物结构及强度控制等相关研究仍不够成熟，针对磷酸镁 水泥水化过快，集中放热量大及应用的普及性等方面仍有待研究[5_8]。

因此，如何根据磷酸镁水泥目前的相 关研究，系统、全面地探究磷酸镁水泥的水化机理，解决存在的问题，完善磷酸镁水泥的性能是一个迫切需要 深入研究的课题。

2磷酸镁水泥的制备根据目前的研究，磷酸镁水泥砂浆和混凝土应用较少，研究较多的磷酸镁水泥净浆主要是由磷酸盐、氧作者简介:孟芹（1983-)，女，副教授.主要从事公路工程教学、科研与设计方面的研究.通讯作者:廖梓裙，博士.1246 综合评述硅酸盐通报第36卷化镁、缓凝剂及掺合料按照一定比例组成，各组分的种类、性质及配合比都会对磷酸镁水泥性能产生较大的 影响，为此不同学者在其制备方面作了大量的研究。

2.1磷酸盐磷酸盐的种类较多，在制备M P C中常用的为磷酸氨盐和磷酸钾盐两种。

在氨镁体系方面，利用磷酸二 氢铵(N H4H2P04)、氧化镁（M g O)及硼砂（Na2B407 • 10H20)能够制备M P C[9]，且N H4H2P04不会影响主要 水化产物的生成;赖振宇等[1°]以过烧M g0、N H4H2P04为主要原料，制备出早期高强度的磷酸镁水泥。

汪宏 涛等[11]以N H4H2P04、磷酸二氢钠(N a H2P04)、磷酸二氢钾（K H2P04)为磷酸盐制备了 M P C，表明磷酸盐种 类因溶解度和p H值的差异对磷酸镁水泥水化热和放热速率有显著的影响。

Gardner等[12]以N H4H2P04和 M g O为原料开发出磷酸铵镁水泥，但由于N H4H2P04反应时放出氨气，影响施工操作及体系稳定性，限制了 其在工程中推广与应用;袁大伟[13]通过(〜114)21^04代替N H4H2P04，完善了 M P C的水化过程和缓凝机理。

在钾镁体系方面，以不同粒度的K H2P04制备磷酸镁水泥[14]，随着K H2P04粒径的减小，磷酸镁水泥的 水化放热增大，水化温度升高。

通过利用N a H2P04代替部分K H2P04制备磷酸钾水泥[15]，发现N a H2P04可 以明显延缓M K P C的水化速率，延长凝结时间，同时后期强度也有所提高。

李倩[16]^肋等[17]采用K H2P04制备的磷酸镁水泥后期强度发展良好，同时发现K H2P04与N H4H2P04按照一定的比例复合使用效果更佳。

1^心〇[18]采用K H2P04取代N H4H2P04制备出磷酸钾镁水泥，M P C的水化速率较慢，凝结时间较长，早期强 度偏低，但后期强度与采用N H4H2P04的M P C相当。

2.2氧化镁M g O是由菱镁矿（M g C03)，经1700 1左右高温锻烧而成，其活性和比表面积等对M P C体系的水化反应 速率及强度有重要影响。

常远等[19]以粒径不同的M g O为原材料，与一定比例的磷酸盐和缓凝剂制备了 M P C，研究发现，当M g O的比表面积在238 322 m2/k g之间时，M P C能够获得较高的后期强度和合适的水化 速度;1^[2°]、0奶等[21]等通过试验发现，M P C的水化速率与M g O比表面积呈正相关关系，M g O细度还会对 磷M P C强度产生明显的影响。

试验发现M g O颗粒细度减小[22_23]，可以增强磷酸镁水泥的早期强度，但对后 期强度影响不大;在M g O替代品方面，谭永山[24]首次利用盐湖提锂副产含硼氧化镁制备磷酸镁水泥，探讨 了含硼氧化镁热处理温度、磷酸盐种类、M/P比值对M P C性能的影响，确定了制备M P C的最优配比，不仅使 M P C制备成本降低，还实现了盐湖资源循环利用。

2.3缓凝剂及掺合料缓凝剂是控制磷酸镁水泥水化反应不可或缺的组份，目前主要有三聚磷酸钠、硼酸盐和硼酸等，其中硼 砂使用最多[25]。

杨建明等[26]比较了添加硼砂和复合缓凝剂的M P C的性能，发现复合缓凝剂的降温效果更 明显;高瑞等[27]利用六偏磷酸钠作为缓凝剂制备磷酸镁水泥，其在不影响水泥强度的情况下，能够明显改善 水化过程;袁大伟[13]采用硼泥制备了磷酸镁水泥，改善了磷酸镁水泥的凝结速度快和放热量大的缺陷，达到 了一般工程所能应用的范围。

为了改善M P C的性能和降低M P C生产成本，通常选择加入适量掺合料;李春 梅等[28]比较了粉煤灰、矿渣粉、磷渣粉和硅灰等四种掺合料对磷酸镁水泥性能的影响；杨建明[29]、丁建 华[3°]、张时豪等[31]采用石灰石粉、沸石、粉煤灰、矿渣等掺合料制备磷酸镁水泥，发现掺合料既可以降低水 化放热的问题，同时磷酸镁水泥的流动性和强度均有提高。

3磷酸镁水泥的水化机理研究3.1水化历程根据研究，M P C的水化反应主要是磷酸盐与重烧M g O之间的酸碱反应，同时反应过程中放出大量热量，关于M P C的水化历程，众多学者认为主要是溶液扩散机理（through-solution mechanism)，磷酸镁水泥水化过 程分三个主要阶段进行[32_33]。

首先M P C与水混合后，K H2P04或N H4H2P04在水体系中迅速溶解成K+或 N H4+、H2P04'H+和P0】'使得溶液p H值较低;其次M g O在酸性环境中润湿后，M g O颗粒表面溶解并产生第4期孟芹等:磷酸镁水泥的研究现状及发展趋势1247M g2+;最后随着体系PH值上升，M g2+与P O】_、K+或N H4+ *H2P04_之间相互作用生成一种磷铵镁盐络合 物水化凝胶，凝胶的主要物相为M g N H4P04 • 6H20(S tmvite，俗称鸟粪石)或M g K P04 • 6H20(K-Stmvite，俗称 K型鸟粪石），体系迅速凝结硬化，水化凝胶包裹着过量M g O颗粒，最终形成较高强度的磷酸镁水泥（图1)。

图1磷酸镁水泥形成过程(a)氧化物形成;（b)水合胶凝形成;（c)酸性条件下反应和聚合;（d)渗透和胶凝形成;（e)饱和结晶Fig. 1 Formation of MPG3〇11(1知等[34]研究发现，当1^(：与水按照一定的比例混合后，腿41^04溶解至饱和状态的同时，1^0 在酸性环境中溶解出M g2+，溶解物中的M g2+与水复合成水合镁络离子M g(H20)2/，随后M g(H20)2/络合 物分解形成 M g2+和 0H_，其微溶过程为：（1)M g O + H2O—M g O H+ + 0H_ ;(2)M g O H+ + 2H2O—M g(0H)2 + H30+;(3)M g(0H)2—M g2+ +20H_;由于氢键作用P0】+、N H4+、M g(H20)2/结合于表面，越来越多的覆 盖着，最终形成一个结晶结构网形成磷酸镁水泥（图1)。