聚合物改性磷酸钾镁水泥韧性机理研究.docx

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1、福州大学硕士研究生论文开题报告论文题目聚合物改性磷酸钾镁水泥韧性机理研究姓名学 号性别导师学科专业研究方向学院土木工程学院开题报告时间、地点导师审核 意见导师签名：年 月 日审核小组 意见（注：需对开题报告的总体情况进行评价，指出不足和建议，并明确 是否同意开题报告通过。）审核小组成员签名：年 月 日学位点 意见学位点负责人签名：年 月 日一、论文选题依据（包括本课题国内外研究现状述评，研究的理论与实际意义，对科技、经 济和社会发展的作用等）1.1研究背景普通硅酸盐水泥作为人们最通用的建筑材料，现在全球年产量可达到2.8亿吨。然而 IOOOkg水硬性水泥的生产会产生约900kg的二氧化碳，并消

2、耗约10亿焦耳的电能和燃料能。 随着全球气候变暖和生态环境的不断恶化，人们也开始致力于研究和开发一种新型的环保型 胶凝材料。在这种情况下，磷酸镁水泥以自身优异的性能逐渐受到人们的关注，尤其是在 快速修补领域的应用。磷酸镁水泥（MagneSiUm phosphate cement, MPC）是由氧化镁与可溶 性磷酸盐、缓凝剂按照一定比例，通过酸碱中和反应生成的以磷酸盐水化物为黏结相的新型 无机胶凝材料，国外学者又将其命名为化学结合磷酸盐胶凝材料（ChemiCaHy bonded phosphate cement,简称CBPC）。磷酸镁水泥在常温下发生化学反应，随后凝结硬化，整个形成过程与 普通硅

3、酸盐水泥类似，而最终的硬化体又具有陶瓷制品的特性。目前，磷酸盐水泥经过多年 的发展，基本上形成磷酸铁镁水泥（MAPC）、磷酸钾镁水泥（MKPC）和磷硅酸盐水泥（MPSC）3 大种类，其中以镂磷酸盐制备的磷酸镂镁水泥是研究最早且较成熟的一种水泥。磷酸镁水泥是一种新型气硬性胶凝材料，同时具有化学结合陶瓷的属性，具有一系列传 统结构材料无以比拟的性能：（1）凝结硬化迅速，早期强度高，3h强度可达40MPa以上叫（2） 与旧混凝土有相近的弹性模量和膨胀系数，体积相容性好，粘结强度高571；（3）作为修补材料 使用，具有优异的耐磨性能，经5000转的磨损作用，磨蚀深度仅在0.3Omm左右，耐磨度高 出普

4、通硅酸盐水泥制品的2倍15，叫（4）对钢筋的防锈性能好，同等条件下，钢筋的锈蚀率仅为 普通硅酸盐水泥的22.8%和矿渣水泥的48.6%；（5）抗盐冻剥蚀性能好，40次冻融循环后才 出现表面剥蚀现象；（6）耐热性能好，理论上至少可以经受1300；超过800时，硬化水 泥石转为类似陶瓷的结构，强度反而提高；（7）可以有效胶结除聚合物以外的各种废弃物， 掺量大，有利于环保，降低成本并提高磷酸镁水泥的性能；（8）镁质原料来源广泛，中国是 世界上镁矿资源最丰富的国家，其菱镁矿资源总量31.45亿吨，还有探明储量在40亿吨以上 的白云石矿，这些资源不但丰度高，还容易进行许多自然循环，这意味着磷酸镁水泥有着

5、无 穷无尽的镁质原料来源。力学性能同样优异的磷酸钾镁水泥（MKPC）因克服了磷酸铁镁水 泥（MAPC）水化反应和成型时会放出气味难闻的氨气的缺陷而逐渐引起人们的广泛关注。 本课题所研究的水泥基体就是磷酸钾镁水泥。同时磷酸镁水泥也有一些问题亟待解决：（1）水化反应速度过快，尤其在高温条件下； （2）脆性大，抗冲击性能差；（3）作为气硬性胶凝材料，磷酸镁水泥基材料长期在潮湿环境或水 中养护时，强度降低较多MUL耐水性较差；（4）磷酸镁水泥用作建筑材料时成本较高。尤其 是作为气硬性胶凝材料，脆性大，抗冲击性能差，影响其耐久性。同时也会制约其工程应用。磷酸镁水泥因其快凝、早强、黏结性能好、干缩小、耐磨

6、性和抗冻性良好等一系列区别 于普通硅酸盐水泥的独特性能而得到人们的广泛研究和应用。目前.,各国学者对磷酸镁水泥 的应用研究主要涉及以下几个领域：（1）用作快速修补材料MPC用作路面修补材料3，不但凝结速度快、早期强度高、 与旧混凝土之间的粘结性能好，而且施工方便、易于养护、耐磨性高，可以在温度较低的情 况下施工，比较适合用于快速抢修道路路面。（2）固化有害及放射性核废料必MPC固化废料时可以在室温下进行，不需要热处理，不仅可以减少燃料费用，还避免了 热处理中产生的有害气体对环境造成二次污染，同时得到的废料制品强度高，稳定性好，有 害成分溶出的几率低，固化效果明显优于以往的玻璃化方法。（3）作为

7、新型结合剂生产人造板材口&间MPC用作人造板材的结合剂，能显著降低能耗和减轻对环境的污染。同时，人造板材的 耐火性会更高，尺寸稳定性好，耐久性优异。MPC对人造板材的木质原料要求不高，可使用 的原料范围较广。另外一个显著的特点是该水泥在室温下就可快速的凝结硬化，不像传统水 泥或有机高聚物那样需要加热养护。(4)冻土地区及深层油井固化处理MPC材料具有在低温下施工的特性，因此可以用于冻土处理和加固。另外MPC基材料在深 层油井固化方面也展现了优异的性能。ArgOnne和BroOkhaVen国家试验室通过模拟深层油井 施工环境开发出了磷酸镁水泥井水泥。(5)金属防腐及喷涂材料应用利用MPC处理金属

8、可在金属表面形成持久的钝化层而阻止金属锈蚀。像金和的一样，钝 化层具有电化学稳定性，不会与水和氧气等腐蚀促进物发生化学反应。采用MPC处理不锈钢， 使其能在花费较少的情况下达到长期防腐的目的，而钝化层厚度只有20 m MPC胶凝材料具 有快凝、早强和良好的耐高温性能，美国的一些公司已经把MPC材料开发成喷涂混凝土，将 其喷涂在硬质泡沫聚苯乙烯板或木材的表面形成墙体。聚合物-水泥基复合材料是指以水泥、集料(包括粗集料和细集料)为基体材料，以聚合 物为增强材料,加水拌和硬化后而形成的材料,也可以说是利用水泥混凝土的制造方法和施工 技术与高分子材料有效结合而产生的一种新型材料。聚合物可以明显提高水泥

9、的抗折强度， 显著降低水泥砂浆的压折比，提高水泥基材料的韧性，目前已被广泛应用。聚合物改性镁水泥砂浆是以聚合物作为菱镁改性剂的镁水泥砂浆。采用聚合物与镁水 泥制成的水泥基复合材料。黄煜镇侬研究了聚合物对磷酸铉镁水泥的工作性能和力学性能 的影响。杨永、曹永敏等研究了聚合物对氯氧镁水泥的性能的影响。那么关于聚合物对磷酸镁水泥的韧性的影响？其作用机理是怎么样的呢？这需要我们进 行研究。L 2国内外研究现状磷酸镁水泥(MagneSiUm phosphate cement, MPC ：国外又称ChemiCaHy bonded phosphate CeramiCSCBPCS)是一种新型无机胶凝材料，兼具水

10、泥和陶瓷的优点。MPC具有早强、快凝、 高粘结、干缩小、耐热、耐磨和抗冻等优点，可用于工程快速修补，冻土处理及有害、放射 性物质的处理和固化睁2,此外，MPC生物安全性和相容性好、可降解因阿，已被广泛应用于 国内外的医学(骨、牙粘结)研究血中。在20世纪70年代。Roy等就开始研究磷酸盐胶结材料的应用。随即，美国BrOokhaVen 实验室进行了研究。SUgama等对MPC的水化、缓凝机理、显微结构开展研究。Wagh阂提 出了采用KH2PO4代替(NH4)2HPO4制备磷酸镁钾水泥(MKPC),前者在生产过程中会产生氨气。 研究证实)，MKPC具有与MPC同样优越的性能。据此，有的文献的中将两

11、者均称为MPC。 MPC主要有重烧MgO粉末、磷酸盐、外加剂掺合料加水制备。磷酸盐的类型主要有(NH4)2HPo4、 KH2PO4 K2HPO4o外加剂以缓凝剂为主，如硼砂。掺合料包括粉煤灰、硅灰、水玻璃、乳 胶粉、各种纤维、放射性物质等。Yang、杨全兵的、杨建明胸等研究结果表明氧化镁颗粒 粒径越小，比表面积越大，导致MPC净浆的固化速率越快。氧化镁细度还会对MPC浆体的强 度产生一定的影响。Yangct 11姜洪义由M等通过试验指出增加MgO细度，对磷酸镁水泥的 早期强度有利，对其后期强度影响不大。Soudee和Peram川指出，经高温燃烧后，氧化镁的 活性会降低，原因是氧化镁颗粒表面发生

12、重组，比表面积减小，缺陷减少，从而氧化镁的活 性降低；而氧化镁经粉磨后，比表面积增加，从而活性会得到提高。常远等经过试验发现, MKPC浆体的凝结时间和流动性是由30m以下的MgO颗粒控制的，MgO的细度对MKPC 浆体的早期强度没有明显影响，但其后期强度主要由3060m范围内的MgO颗粒所控制。 李鹏晓网，姜洪义等关于P/M对磷酸镁水泥强度和凝结时间的影响进行了研究。杨建明M 等研究了不同P/M (质量比)作用下MKPC浆体的性能，结果表明，MgO相对于磷酸盐应是 过量的，多余的Mgo充当体系的骨架或堆积料可提高硬化体的抗压强度，但二者之间要满足 一定的比例要求杨建明M等人研究结果表明，硼砂

13、在MKPC浆体中主要是通过在MgO表面形成 保护膜、降低水化反应时浆体的温度和调节PH值等综合作用来减慢水化反应速度。HaII同、 雒亚莉阿、吉飞等人研究结果表明，不同种类的缓凝剂对MPC的作用机制和缓凝效果不同 杨建明等用硼砂、十二水合磷酸氢二钠和无机盐自制成复合缓凝剂，通过降低MKPC浆体 水化时的水化温度、调节水化体系的PH值等多重作用，明显延长了MKPC的凝结时间。汪宏 涛等研究结果表明，在一定的掺量范围内，MPC浆体的早期强度会随着硼砂掺量的增加而 迅速降低，后期强度变化较小，但是硼砂掺量过大(15%)时，试件成型时会出现泌水分层 现象，导致强度过低。李春梅网等研究结果表明掺合料的添

14、加延缓了MKPC浆体的凝结时间， 磷渣粉有优越的缓凝特性，不影响力学性能的情况下提高浆体的工作性能。掺有粉煤灰、矿 渣粉和磷渣粉的水泥浆体都有非常好的流动性，但是硅灰对浆体的流动性有着不利的影响。 粉煤灰20%、矿渣粉20%和磷渣粉30%掺量范围内，水泥石的后期抗压强度都有一定程度提 高，但是抗折强度却呈下降趋势；硅灰的最大掺呈较低(10%),但是硅灰的掺入对抗折和 抗压强度都有提高。林玮等研究表明在磷酸镁水泥体系中，粉煤灰除存在着活性效应，微 集料效应和形态效应外，还存在着对磷酸根离子的吸附效应，吸附效应延缓的磷酸镁水泥的 凝结时间。侯磊画等研究表明矿渣参与了水化反应并提高了MPC的胶凝性能

15、,随着矿渣掺量 的增加，MPC的抗压强度提高,但矿渣水化产生的膨胀应力会破坏MPC的内部结构,因此其抗 折强度随矿渣掺量增大而降低，矿渣MPC的主要水化产物为六水合磷酸镁锭(MgNH4P046 H2O),矿渣的掺入使凝胶相增加，并有部分Ca”进入MgNH4Pd6 H2O晶格,使水化产物的形 貌、大小发生变化。样品中剩余较多死烧镁和矿渣颗粒,可起骨料作用。有学者对纤维改性的 磷酸镁水泥性能进行研究，研究结果表明纤维可增强其韧性和抗冲击性能.。目前以MPC为 基体的纤维增强复合材料的研究成果有：掺适量钢纤维可有效改善MPC基材料的韧性并保持好 的耐久性向；与硅酸盐水泥基材料比较，MPC基材料与纤维

16、有更好的粘接强度和相容性； 由玻璃纤维、聚丙烯纤维和钢纤维增强的MPC基复合材料的力学性能和耐久性均优于硅酸盐 水泥复合材料；掺适量的聚丙烯纤维或钢纤维可使MPC基砂浆表现出应变硬化特性和较高的 弯曲韧性，且在湿热环境下仍保持较好的稳定性。MPC硬化体的PH值小于10,对玻璃纤维不 存在腐蚀现象胸。混杂纤维增强磷酸镁水泥复合材料在钢筋混凝土结构加固领域将会有较好 的研究与应用前景网。黄煜镇M等研究了聚合物乳液对磷酸镂镁水泥性能的影响，结果表明：聚合物乳液的 物理性质粘度与改性磷酸镁水泥的密度、流动性及凝结时间有较紧密联系；而聚合物乳液的 化学性质PH值则可能是影响改性磷酸镁水泥力学性质的重要因素；合适的聚合物乳液在适宜 掺量下能对改性磷酸镁水泥的抗压强度产生较小影响,提高材料的抗折强度与粘结强度