海工磷酸镁水泥基材料的制备及性能研究

选用海砂、海水制备了海工磷酸镁水泥基材料,研究了该材料的贮存性能,早期强度特性及抗海水侵蚀性能。结果显示磷酸镁水泥有着良好的贮存性能,原材料按一定方式存放360d后,水泥强度降低不超过5%,原材料存放1000d后,水泥强度降低不超过10%;所制备的海工磷酸镁水泥基材料,2h的抗压强度均达到28MPa以上,1d抗压强度已达52MPa以上,凝结时间在25min以内;所制备的海工磷酸镁水泥胶砂抗海水侵蚀性能良好。     

原料粒度对磷酸钙骨水泥性能的影响

以等质量的部分结晶磷酸钙(PCCP)和磷酸氢钙(DCPA)的混合物组成的磷酸钙骨水泥(CPC)粉体作为研究对象,采用单因素实验,研究了PCCP和DCPA粒度变化对骨水泥抗压强度、孔隙率、凝结时间、水化产物物相组成和结晶形貌的影响.结果发现:在0.4的液固比下,固定PCCP的粒度,减小DCPA的粒径,骨水泥的抗压强度呈先升高后减小的趋势,存在一最大值为34.6MPa;而PCCP的粒度变化对骨水泥性能的影响较大,随着PCCP粒径的减小,所需调和液的比例增到0.5,抗压强度也存在一最大值为19.7MPa.而孔隙率随这两种原料粒度变化的规律都与强度的变化规律相反,随原料粒径的减小,均存在一最小值.DCPA的粒度变化对骨水泥的凝结时间影响不大;而随PCCP颗粒粒径的减小,骨水泥的凝结时间变短.所生成的水化产物都为弱结晶的羟基磷灰石(HA),但当DCPA颗粒较粗时,固化体中有微量的DCPA残余;而当PCCP颗粒过细时,固化体中有较多的DCPA残余.     

粉煤灰改性磷酸镁水泥性能及机理分析

以粉煤灰、MgO和KH₂PO₄为原料制备磷酸镁水泥(MPC)。测定MPC在不同粉煤灰掺量下的抗压强度、抗折强度、凝结时间、孔隙率,并分析其微观结构。研究结果表明：MPC抗压强度随粉煤灰掺量的增加先升高后降低,掺量为20%时强度最大为34 MPa,抗折强度随粉煤灰掺量的增加而降低,韧性随粉煤灰掺量的增加而降低;粉煤灰改善了MPC孔结构,粉煤灰掺量为40%时MPC孔隙率降低了67.2%;粉煤灰延长了MPC凝结时间,粉煤灰掺量为40%时MPC凝结时间延长至13.7 min;随着粉煤灰掺量的增加水化产物MgKPO₄·6H₂O(MKP)生成量先增多后减少,粉煤灰掺量20%时MKP生成量最大。粉煤灰对MPC强度的影响主要取决于MKP生成量。     

EVA乳液对磷酸镁水泥性能的影响研究

选择原材料是改善磷酸镁水泥性能的重要方法,为扩大磷酸镁水泥的应用范围,对EVA乳液改性磷酸镁水泥进行研究,结果表明,EVA乳液的掺加对磷酸镁水泥的凝结时间与流动性影响小;磷酸镁水泥的抗压与抗折强度均随着EVA乳液掺量的增大,表现出先提高后降低的趋势,但存在不同的适宜掺量;EVA乳液显著增大磷酸镁水泥的粘结强度与断裂能;微观分析表明EVA乳液不改变磷酸镁水泥水化产物类型,但改变水化反应速度,影响水化产物形貌,其中MgNH4PO4·6H2O主要以柱状存在,并且结构更加致密。     

温度对含模拟α-高放核废液的磷酸镁水泥固化体性能的影响

利用磷酸镁水泥(Magnesium potassium phosphate cement,MPC)对模拟α-高放核废液(HLW)进行固化,研究温度对固化体力学性能、物相组成、微观形貌及核素Cs~+浸出率的影响。BET、XRD、SEM及AAS等测试结果表明,室温下MgO、KH2PO4与高放核废液反应形成致密结构;随着温度的升高,固化体脱水,400℃时孔道结构增多,平均孔径增大,抗压强度降低,Cs~+浸出率增加;温度继续升高,磷酸镁水泥烧结陶瓷化,平均孔径逐渐减小,抗压强度增大;900℃时固化体表现出良好的陶瓷结构特征,晶粒完全熔融,晶粒间没有明显界线,Cs~+的28d浸出率为7.21×10~(-6) g/(cm~2·d)。不同温度下高放核废液的磷酸镁水泥固化体核素Cs~+的浸出率均能达到玻璃固化体的性能要求,表明磷酸镁水泥用于固化高放核废液具有明显优势。     

超高性能磷酸镁水泥混凝土的制备和力学性能研究

磷酸镁水泥(MPC)凝结硬化速度快,早期强度高,采用MPC作为胶凝材料,有利于在无养护条件下制备出具有高早强特征的超高性能磷酸镁水泥混凝土(UHPMPCC)。研究了钢纤维掺量和长径比等参数对UHPMPCC物理力学性能的影响,分析了UHPMPCC中钢纤维的增强机制和影响规律。结果表明25 mm钢纤维有利于提高早期抗压强度,而13 mm钢纤维更有利于提高长期力学性能;13 mm钢纤维的掺量2.5%(体积分数)时,无养护的UHPMPCC6h抗压强度和抗折强度超过60和25 MPa, 28 d抗压强度和抗折强度超过120和38 MPa。MPC浆体早期呈酸性,使钢纤维表面产生刻蚀,鸟粪石嵌入钢纤维中,增强MPC基体和钢纤维的界面粘结,有助于提高UHPMPCC的抗弯强度。     

Na2SO4·10H2O对磷酸钾镁水泥水化硬化的影响

磷酸钾镁水泥凝结硬化过快及水化放热集中的问题严重制约着其大规模工程应用,相变材料的吸热储能功能为解决这一问题提供新途径。研究了无机水合盐Na_2SO_4·10H_2O(NS)对磷酸钾镁水泥(MKPC)水化温升、工作性能和抗压强度的影响,并结合XRD、FT-IR、SEM等分析手段及其水化放热速率曲线探究了NS对MKPC性能的影响机制。结果表明:NS的溶解和相变过程吸收大量热,同时释放出结晶水,降低了MKPC体系中Mg~(2+)、PO_4~(3-)和H~+的溶出速率及浓度,MKPC系统内部水化反应速率降低,凝结时间延长,流动度增大,水化放热和水化温升变得更加平缓,在水化早期,MKPC的硬化体强度随NS掺量增加略有降低。在一定的NS掺量(≤4%)内,MKPC水化产物的结晶度提高,后期强度稳定增长,掺有2%NS的MKPC的28d强度将高于基准组。     

原料质量配比对盐湖磷酸钾镁水泥性能和微观结构的影响

采用青海盐湖提锂副产品含硼氧化镁(B-MgO)为原料,将其适当处理后与磷酸二氢钾反应,不掺外加剂直接制备出一种盐湖磷酸钾镁水泥(Magnesium potassium phosphate cement,MKPC)。通过测试该MKPC浆体的凝结时间、水化放热温度和硬化体的抗压强度、孔隙率,分析硬化体的物相组成和微观结构形貌,研究了不同MgO/KH_2PO_4(M/K)质量配比对MKPC水化硬化过程的影响规律。结果表明:M/K质量配比对MKPC的水化放热曲线、抗压强度和孔隙率的影响显著,存在最佳M/K质量配比为1∶1～2∶1,可使MKPC在各龄期的抗压强度值均较高,3 h的最高强度值达到87.2 MPa,并使最高水化放热温度和孔隙率均保持在最佳范围;具有最佳M/K质量配比的MKPC硬化体的水化产物生成量高,晶体生长完好,缺陷少,硬化体有较完善的孔结构。     

海工磷酸镁水泥基材料强度特性及其微观机理分析

将采用海砂、海水制备的海工磷酸镁水泥基材料,分别在海洋气候环境下自然养护和海水中浸泡养护,通过对材料强度特性、微观结构及组成的测试分析,研究材料的长期强度发展规律、抗海水侵蚀性能及其微观作用机理。结果表明:海工磷酸镁水泥基材料的力学性能受海砂、海水的影响不大,材料长期强度发展较好,自然养护下材料7d的抗压强度达到43MPa以上,900d的抗压强度达到90MPa左右;海工磷酸镁水泥基材料抗海水侵蚀性能较好,海水浸泡养护900d时抗压强度达到37.9MPa;初步建立了材料微观组成结构与宏观特性的关系,为进一步提高材料应用特性打下理论基础。     

膨润土对磷酸镁水泥性能的影响

采用膨润土等量取代磷酸镁水泥的方法,研究了膨润土对磷酸镁水泥流动度、凝结时间、强度、水化热和早期收缩的影响,并对水化产物进行了分析与讨论。结果表明,膨润土降低了磷酸镁水泥的流动度、凝结时间和强度,为保证施工的可操作性,其掺量应控制在10%以内;膨润土有效降低了磷酸镁水泥的放热速率和放热量,减少了其早期收缩;掺有膨润土的磷酸镁水泥的水化产物中存在膨润土的主要成分蒙脱石和石英;膨润土影响了磷酸镁水泥的水化过程、水化产物的数量及其结晶程度。     

铅离子对复合磷酸盐磷酸镁水泥水化硬化特性的影响

研究了铅离子对复合磷酸盐磷酸镁水泥水化硬化特性的影响及其在复合磷酸盐磷酸镁水泥中的稳定性。实验结果表明,复合磷酸盐磷酸镁水泥抗压强度随着铅离子掺量的增加而降低,其中硝酸铅掺量达到10%时,复合磷酸盐磷酸镁水泥的各个龄期的抗压强度发生明显下降。铅离子对复合磷酸盐磷酸镁水泥凝结时间没有明显影响。在复合磷酸盐磷酸镁水泥水化过程中,铅离子对水泥体系的pH值影响不大,但能够造成水泥水化放热峰出现的时间延迟,水化放热的总量减少并影响主要水化产物的结晶程度。在复合磷酸盐磷酸镁水泥水化反应后期,当硝酸铅掺量达到10%以上时,在水化产物中出现了较为明显的Pb2P2O7的衍射峰。复合磷酸盐磷酸镁水泥固化铅离子的浸出毒性试验结果(43μg/L)远低于国家标准要求(5mg/L)。     

粉煤灰掺量对轻烧氧化镁基制备3d打印用磷酸镁水泥性能的影响

以实现轻烧氧化镁为原料制备低碳磷酸镁水泥材料的3d打印为目标,采用自主研发的混搅挤功能一化建筑3d打印设备,探究了不同粉煤灰掺量对以轻烧氧化镁为基制备磷酸镁水泥材料性能与打印性能的影响规律,并结合XRD与SEM微观试验进一步分析粉煤灰对其水化产物及晶体样貌的影响。结果表明：与重烧氧化镁相比,由轻烧氧化镁制备磷酸镁水泥的凝结时间大幅缩短;粉煤灰的加入对材料凝结时间影响较小,均在2～3 min左右,但对抗压强度与界面粘结强度有负面影响,当粉煤灰掺量为磷酸镁水泥质量的30%时,抗压强度及界面粘结强度分别下降约34.24%、48.94%;粉煤灰掺量在20%以内时,可有效改善轻烧氧化镁基磷酸镁水泥材料的干缩率,提高体积稳定性;粉煤灰中的活性物质参与水化反应,生成的水化产物与磷酸镁水泥展现出良好的化学相容性,使结构内部更为密实;当粉煤灰掺量为20%～25%时,制备的3d打印用轻烧氧化镁基磷酸镁水泥具有良好的工作性能、体积稳定性能、挤出性能以及建造性能,且满足3d打印对水泥基材料的力学要求。     

无水乙酸钠对磷酸钾镁水泥水化性能和微观形貌的影响

磷酸钾镁水泥(MKPC)快速凝结硬化和集中大量放热的特点制约了其实际应用。传统的缓凝剂难以显著降低其水化硬化速率且无法平衡缓凝剂对凝结时间和力学性能的影响。采用无水乙酸钠(SA)作为新型缓凝剂,研究了其对MKPC水化放热特性、工作性能和抗压强度的影响,并采用XRD、TG-DSC及SEM等分析了SA对MKPC水化硬化过程中固相组成和形貌的影响及机理。结果表明,SA吸附在氧化镁表面能够抑制Mg~(2+)的溶解,延缓氧化镁和磷酸二氢钾的水化反应速率,降低水化温度。因此,随着SA掺量的增加,MKPC的凝结时间得到有效延长,而MKPC的强度尤其是早期强度则随之下降。SA掺入后,MKPC仍以MgKPO_4·6H_2O为主要水化产物,但产物数量减少,棱柱状或板状晶体被球状晶体取代,晶体尺寸减小。     

地聚物基透水混凝土的制备与性能

透水混凝土因具有透水透气、吸声减噪等功能而被广泛研究和关注。然而,其普遍存在孔隙结构,造成受力不均,使得透水混凝土只能用于低荷载的路面。为了提高透水混凝土的强度和耐久性,本研究将地聚物作为透水混凝土的胶凝材料,并采用正交试验研究了最佳配比,分析了孔隙率、骨料粒径、激固比、矿渣掺量、水玻璃模数对其性能的影响。以抗压强度、劈裂抗拉强度、透水系数、抗冻性为指标,拟合分析了孔隙率与透水系数、透水系数与抗压强度、孔隙率与抗劈裂强度之间的关系。结果表明:目标孔隙率15%、激固比60%、骨料粒径2～5 mm、水玻璃模数1. 4、矿渣掺量20%为最优配比,所得地聚物透水混凝土的28 d抗压强度为33 MPa,抗劈裂强度为2. 4 MPa,透水系数为8. 4 mm/s,抗冻性能达标。     

磷酸镁水泥耐酸碱性能及机理研究

通过质量损失、抗压强度损失、物相分析、微观形貌分析等方法研究了硫酸溶液、氢氧化钠溶液对磷酸镁水泥的腐蚀情况。研究结果表明硫酸、氢氧化钠溶液会对磷酸镁水泥造成腐蚀。硫酸可与磷酸镁水泥的主要水化产物六水磷酸镁钾(MgKPO4·6H2O,MKP)及未水化的氧化镁发生反应。低浓度的氢氧化钠溶液对磷酸镁水泥的腐蚀作用很小,与纯水对磷酸镁水泥的作用相似。高浓度的氢氧化钠溶液对磷酸镁水泥腐蚀作用强烈,高浓度的氢氧化钠溶液与MKP发生反应生成可溶物质。     

高强抗冻透水混凝土的配合比设计与性能评估

透水混凝土是建设海绵城市的关键材料。目前普通透水混凝土强度低，抗冻性能差，使其难以在机动车道和有抗冻需求的道路工程中应用。本工作基于颗粒堆积模型研制了抗压强度超过160 MPa的超高强胶凝基质，其具有较强的成膜能力，且稳定膜厚度(SPFT)随流动度的减小和骨料粒径的增大而增加。本工作还建立了SPFT与流动度的关系，进而提出了高强抗冻透水混凝土(HSFRPC)配合比设计方法。利用该方法设计并制备出抗压强度大于50 MPa、弯曲强度大于7.5 MPa、透水系数大于4 mm/s、抗冻等级达F300的HSFRPC。本试验分析了骨料粒径和孔隙率对HSFRPC工程性能(力学性能、透水性能和抗冻性能)的影响规律。基于雷达图的性能评估结果表明：骨料粒径为2.36～4.75 mm、设计孔隙率为20%的HSFRPC工程性能优越且各项性能均衡，可供寒区道路工程参考。     

海水珊瑚砂ECC的力学性能与裂纹宽度控制

为解决珊瑚混凝土的脆性与耐久性问题，采用岛礁地域性原材料制备了海水珊瑚砂高延性水泥基材料(Seawater coral sand engineered cementitious composites,SCECC)。试验研究了不同骨料种类、最大粒径和细度模数对ECC抗压、抗拉力学性能和裂缝控制能力的影响。结果表明：随珊瑚砂细度模数减小，SCECC抗压强度先增后降，最大粒径2.36 mm的特细砂SCECC达到最高(63.3 MPa)；降低珊瑚砂最大粒径，SCECC拉伸性能参数不同程度地提升。最大粒径0.60 mm的SCECC拉伸性能最优，其初裂强度、抗拉强度和极限拉应变分别为2.29 MPa、4.11 MPa和5.15%，临近破坏时的平均裂纹宽度可控制在81μm。相比于淡水石英砂ECC,SCECC抗压强度高且早期强度发展快(7天抗压强度可达28天的73%～78%)。两种ECC的骨料破坏和聚乙烯醇(PVA)纤维失效模式不同，SCECC拉伸强度、弹性模量及峰值应变附近的裂纹控制能力略低，但延性明显更优。     

相组成和结晶度对磷酸镁医用粘合剂抗压强度的影响

以氧化镁与磷酸二氢钾作为原料,制备了磷酸镁医用粘合剂,研究了液固比与固固比对磷酸镁医用粘合剂抗压强度的影响规律。利用W1-84046液压式力学万能测试仪测试样品的抗压强度,采用X射线衍射仪分析磷酸镁粘合剂的相组成,并借助煮沸吸水法测试磷酸镁医用粘合剂的孔隙率。结果表明,磷酸镁医用粘合剂的抗压强度随液固比降低而升高,随固固比的增加呈现出先增高后降低的趋势。分析认为改变液固比对磷酸镁医用粘合剂的孔隙率以及水化产物的结晶度有不同程度的影响;固固比对产物孔隙率影响不大,主要改变了磷酸镁医用粘合剂的相组成和水化产物的结晶度。这些性能的不同导致了磷酸镁医用粘合剂抗压强度的变化。     

碳纳米管对磷酸镁水泥的性能影响研究

研究了不同掺量的碳纳米管对磷酸镁水泥(MPC)力学性能和导电性能的影响,并结合压汞法,XRD和FTIP分析其组分与微观结构变化。结果表明,随着碳纳米管掺量的增加,磷酸镁水泥的抗压强度先增加后降低,掺量为0.03%时达到最佳。随着碳纳米管掺量增加,MPC电阻率逐渐降低,而孔隙率增加。一定掺量的纳米碳管可以促进磷酸镁水泥的水化,但没有新的水化产物生成。     

缓凝剂对磷酸镁水泥性能及其水化机制影响研究进展

磷酸镁水泥(MPC)作为一种新型无机胶凝材料,具有早期强度高、干缩小、耐久性好等优良性能,在土木结构工程的快速修补和危废快速固化处理等领域有着极大优势.但磷酸镁水泥因强烈的放热反应,凝结速度过快,可施工操作性较低,所以其缓凝技术研究成为了该类材料规模化应用需解决的关键技术之一.缓凝剂的添加,可有效延缓磷酸镁水泥的凝结速度,改善其可施工操作性.本文基于国内外磷酸镁水泥缓凝剂研究,综述了几种常用的缓凝剂(硼砂(B)、硼酸(BA)和三聚磷酸钠(STP))对磷酸镁水泥性能(水化热、抗压强度、凝结特性)及其水化机制的影响,对其缓凝机理进行了分析讨论.就当前缓凝剂改性MPC研究中的优势及不足,并结合实际应用需求展望其今后研究和发展方向,为MPC后续缓凝研究提供文献支撑.