一种改性磷酸镁水泥砂浆及其制备方法
阅读说明：本技术 一种改性磷酸镁水泥砂浆及其制备方法 (Modified magnesium phosphate cement mortar and preparation method thereof ) 是由 叶艳霞 谢夫林 付翠红 马思敏 景聪 于 2021-11-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种改性磷酸镁水泥砂浆,由以下成分组成：氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、砂子、硅灰以及水,改性磷酸镁水泥砂浆中氧化镁与磷酸二氢钾的摩尔比值为4:1-6:1,复合缓凝剂的加入量为氧化镁和磷酸二氢钾总共质量的3％-10％,硅灰与氧化镁、磷酸二氢钾和硅灰总质量的质量比值为5％-20％,砂子与氧化镁、磷酸盐和硅灰总共质量的质量比值为1:1,氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、硅灰共同组成胶凝组分,水和胶凝组分的质量比为0.2-0.25。本发明的一种改性磷酸镁水泥砂浆,其流动性较好,具有延缓磷酸镁水泥砂浆凝结时间的效果和改善其后期强度增长率低以及耐水性差的问题。本发明还公开了一种改性磷酸镁水泥砂浆的制备方法。(The invention discloses modified magnesium phosphate cement mortar which comprises the following components: the modified magnesium phosphate cement mortar comprises magnesium oxide, monopotassium phosphate, a composite retarder, sand, silica fume and water, wherein the molar ratio of the magnesium oxide to the monopotassium phosphate in the modified magnesium phosphate cement mortar is 4:1-6:1, the addition amount of the composite retarder is 3% -10% of the total mass of the magnesium oxide and the monopotassium phosphate, the mass ratio of the silica fume to the total mass of the magnesium oxide, the monopotassium phosphate and the silica fume is 5% -20%, the mass ratio of the sand to the total mass of the magnesium oxide, the phosphate and the silica fume is 1:1, the magnesium oxide, the monopotassium phosphate, the composite retarder and the silica fume form a gelling component, and the mass ratio of the water to the gelling component is 0.2-0.25. The modified magnesium phosphate cement mortar provided by the invention has good fluidity, and has the effects of delaying the setting time of the magnesium phosphate cement mortar and improving the problems of low later strength increase rate and poor water resistance. The invention also discloses a preparation method of the modified magnesium phosphate cement mortar.)
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种改性磷酸镁水泥砂浆，用于结构修补及加固技术领域，本发明还涉及上述改性磷酸镁水泥砂浆的制备方法。
背景技术
磷酸镁水泥是一种介于陶瓷和水泥之间的新型材料，由可溶性磷酸盐、氧化镁和外加剂按照一定比例，在酸性条件下通过酸碱化学反应和物理作用生成以磷酸盐为粘结像的无机胶凝材料。与普通硅酸盐水泥相比，磷酸镁水泥具有水化反应快，早期强度高，与被修补材料之间粘接强度高，耐磨性、体积稳定性、耐盐性、耐高温性能好等优点。使其不仅在厂房设施、市政主干道、桥梁码头、民用房屋建筑、机场跑道及高速公路等工程的快速修补方面有着广泛的应用前景，而且在国防工程、军用机场的快速构筑与工程设施的抢修恢复方面具有十分重要的应用价值和军事意义。
但磷酸镁水泥砂浆目前存在以下几个问题：凝结速度快、凝结时间不可控；其次，耐水性能比较差，在潮湿和浸水环境下，其抗压强度会出现倒缩；再者，耐盐侵蚀性能较差，在海水和地下环境下，其强度会有一定程度的降低。因此严格限制了其应用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种改性磷酸镁水泥砂浆，其流动性较好，具有延缓磷酸镁水泥砂浆凝结时间的效果和改善其后期强度增长率低以及耐水性差的问题。
本发明的另一目的是提供上述一种改性磷酸镁水泥砂浆的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种改性磷酸镁水泥砂浆，由以下成分组成：氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、砂子、硅灰以及水，改性磷酸镁水泥砂浆中氧化镁与磷酸二氢钾的摩尔比值为4:1-6:1，复合缓凝剂的加入量为氧化镁和磷酸二氢钾总共质量的3％-10％，硅灰与氧化镁、磷酸二氢钾和硅灰总质量的质量比值为5％-20％，砂子与氧化镁、磷酸盐和硅灰总共质量的质量比值为1:1，氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、硅灰共同组成胶凝组分，水和胶凝组分的质量比为0.2-0.25。
优选地，复合缓凝剂为由葡萄糖和硼酸按一定比例混合而成的缓凝剂。
优选地，硼酸和葡萄糖的质量比为3:5.27。
优选地，氧化镁的纯度≥90％，由MgCO3经高温煅烧而成，反应公式为其中煅烧温度≥1200℃。
优选地，硼酸为工业级硼酸且纯度≥99％；葡萄糖为工业级葡萄糖且纯度≥99％；砂子为普通河砂，砂子的直径≤4mm。
优选地，磷酸二氢钾为工业级磷酸二氢钾且纯度≥99％。
本发明采用的另一种技术方案是，一种改性磷酸镁水泥砂浆的制备方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，按照质量百分比称取以下配料
改性磷酸镁水泥砂浆由以下成分组成：氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、砂子、硅灰以及水，改性磷酸镁水泥砂浆中氧化镁与磷酸二氢钾的摩尔比值为4:1-6:1，复合缓凝剂的加入量为氧化镁和磷酸二氢钾总共质量的3％-10％，硅灰与氧化镁、磷酸二氢钾和硅灰总质量的质量比值为5％-20％，砂子与氧化镁、磷酸盐和硅灰总共质量的质量比值为1:1，氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、硅灰共同组成胶凝组分，水和胶凝组分的质量比为0.2-0.25；
步骤2，取步骤1称取的复合缓凝剂、磷酸二氢钾以及砂子加入行星式搅拌机以自转140±5r/min，公转62±5r/min的转速慢速搅拌，搅拌时间为1-3min，搅拌温度为20-30℃；
步骤3，取步骤1称取水继续加入行星式搅拌机中以自转140±5r/min，公转62±5r/min的转速慢搅，搅拌时间为1min，搅拌温度为20-30℃；
步骤4，取步骤1称取的氧化镁和硅灰继续加入行星式搅拌机以自转285±10r/min，公转125±10r/min的转速快速搅拌，搅拌时间为2-3min，搅拌温度为20-30℃制成水泥砂浆。
优选地，复合缓凝剂为由葡萄糖和硼酸按质量比为3:5.27混合而成。
本发明的有益效果是：
本发明的改性磷酸镁水泥砂浆以磷酸镁水泥为胶凝材料，采用复合缓凝剂硼酸和葡萄糖调凝，以普通河砂为细集料，再掺入硅灰进行改性，加入拌合水制备而成，硅灰的合理掺入是强度的保证，过量的掺入会使得材料性能劣化；水的掺量是力学和工作性能矛盾统一；
本发明磷酸镁水泥水化是基于酸碱中和反应(磷酸盐和金属氧化物)的放热反应，在无缓凝剂时，凝结时间仅为3分钟左右，无法应用于实际工程，而缓凝剂掺量过大会造成材料早期强度的大幅降低。
砂浆强度测试参照GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行。
以改性砂浆的3d抗折强度/3d抗压强度的比值，即折压比，作为柔韧性的衡量指标。
以改性砂浆的3d、14d、28d浸水抗压强度/28d空气养护抗压强度的比值，以改性砂浆分别为3d、14d、28d的5％NaCl和5％Na2SO4溶液侵蚀/28d空气养护抗压强度的比值，即软化系数，作为耐水性和耐盐性的衡量指标。
本发明的有益技术效果为：
1、早期强度高：3d抗压强度/抗折强度高达33/12MPa左右；
2、凝结时间可控：本发明中添加了复合缓凝剂硼酸和葡萄糖以及硅灰，通过三者的复合作用并调节其添加量之比实现控制砂浆凝结时间。
3、强度提升高：硅灰加入有效改善磷酸钾镁水泥基组分硬化体的微结构，可以起到胶凝材料级配作用使材料密实度提高，从而改善磷酸镁水泥砂浆的整体强度，使其28天抗折强度提高33.66％,28天抗压强度提高14.17％。3d压折比降低14.6％左右，较好的改善材料的柔韧性能。
4、绿色环保：采用的矿物掺合料来源广泛，取自需要进行额外处理的工业废弃物，可以充分利用工业废弃物，扩大其使用用途，较为环保。
5、耐水性、耐盐性改善：硅灰中含有大量活性氧化硅和氧化铝，在磷酸镁水泥修补砂浆中发生铝硅酸盐反应生成铝硅酸镁凝胶，一方面，铝硅酸镁凝胶本身具有良好的耐水性与化学稳定性，用于堵塞基体内部的部分连通孔，改善磷酸镁水泥修补砂浆的内部孔结构，提高材料的抗水性能和耐盐侵蚀性能；另一方面，铝硅酸镁凝胶在磷酸镁水泥中充当骨架，起到抑制其他水化产物变形的作用，28天耐水性软化系数77.18，耐NaCl溶液软化系数109.17，比未掺硅灰提高33.28％，耐Na2SO4溶液软化系数比同浸泡龄期未掺硅灰时均较大，显示出较好的耐水和耐盐侵蚀性能。
附图说明
图1是一种改性磷酸镁水泥砂浆的成分组成图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种改性磷酸镁水泥砂浆，如图1所示，由以下成分组成：氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、砂子、硅灰以及水，改性磷酸镁水泥砂浆中氧化镁与磷酸二氢钾的摩尔比值为4:1-6:1，复合缓凝剂的加入量为氧化镁和磷酸二氢钾总共质量的3％-10％，硅灰与氧化镁、磷酸二氢钾和硅灰总质量的质量比值为5％-20％，砂子与氧化镁、磷酸盐和硅灰总共质量的质量比值为1:1，氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、硅灰共同组成胶凝组分，水和胶凝组分的质量比为0.2-0.25；其中，复合缓凝剂为由葡萄糖和硼酸按质量比为3:5.27混合而成；氧化镁的纯度≥90％，由MgCO3经高温煅烧而成，反应公式为其中煅烧温度≥1200℃；硼酸为工业级硼酸且纯度≥99％；葡萄糖为工业级葡萄糖且纯度≥99％；砂子为普通河砂，砂子的直径≤4mm；磷酸二氢钾为工业级磷酸二氢钾且纯度≥99％。
本发明一种改性磷酸镁水泥砂浆的制备方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，按照质量百分比称取以下配料
改性磷酸镁水泥砂浆由以下成分组成：氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、砂子、硅灰以及水，改性磷酸镁水泥砂浆中氧化镁与磷酸二氢钾的摩尔比值为4:1-6:1，复合缓凝剂的加入量为氧化镁和磷酸二氢钾总共质量的3％-10％，硅灰与氧化镁、磷酸二氢钾和硅灰总质量的质量比值为5％-20％，砂子与氧化镁、磷酸盐和硅灰总共质量的质量比值为1:1，氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、硅灰共同组成胶凝组分，水和胶凝组分的质量比为0.2-0.25；所述复合缓凝剂为由葡萄糖和硼酸按质量比为3:5.27混合而成；
步骤2，取步骤1称取的复合缓凝剂、磷酸二氢钾以及砂子加入行星式搅拌机以自转140±5r/min，公转62±5r/min的转速慢速搅拌，搅拌时间为1-3min，搅拌温度为20-30℃；
步骤3，取步骤1称取水继续加入行星式搅拌机中以自转140±5r/min，公转62±5r/min的转速慢搅，搅拌时间为1min，搅拌温度为20-30℃；
步骤4，取步骤1称取的氧化镁和硅灰继续加入行星式搅拌机以自转285±10r/min，公转125±10r/min的转速快速搅拌，搅拌时间为2-3min，搅拌温度为20-30℃制成水泥砂浆。
实施例1
本实施例提供一种改性磷酸镁水泥砂浆及其制备方法，该磷酸镁砂浆包括以下重量份数的组分：
硅灰质量45g，氧化镁545.74g，磷酸二氢钾309.26g，硼酸9.31g，葡萄糖16.34g，砂子900g，水180g；
本实施例中，胶砂比为1:1，水胶比为0.20:1，细集料为粒径≤4mm的连续级配普通河砂，磷酸镁水泥中氧化镁与磷酸二氢钾的摩尔比值为6:1；复合缓凝剂的加入量为氧化镁和磷酸盐总共质量的3％，复合缓凝剂为葡萄糖和硼酸按一定比例混合而成，其中m(硼酸)：m(葡萄糖)＝3:5.27。m硅灰：m(硅灰+氧化镁+磷酸二氢钾)＝5％；
该改性磷酸镁水泥砂浆的制备方法，其包括如下步骤：
S1，配料：按照上述重量进行配料；
S2，取复合缓凝剂、酸性组分磷酸盐以及砂子加入行星式搅拌机以自转140r/min，公转62r/min的转速慢速搅拌，搅拌时间为2min，搅拌温度为25℃；
S3，加水以自转140r/min，公转62r/min的转速慢搅，搅拌时间为1min，搅拌温度为20-30℃；
S4.取氧化镁和硅灰加入行星式搅拌机以自转285r/min，公转125r/min的转速快速搅拌，搅拌时间为2min，搅拌温度为25℃制成水泥砂浆；
S5.成型：对水泥砂浆进行浇筑、振捣、养护处理，使之成型。
实施例2
本实施例提供一种改性磷酸镁水泥砂浆及其制备方法，该改性磷酸镁水泥砂浆包括以下重量份数的组分：
硅灰质量90g，氧化镁517.02g，磷酸二氢钾292.98g，硼酸8.82g，葡萄糖15.48g，砂子900g，水180g。
本实施例中，胶砂比为1:1，水胶比为0.20:1，细集料为粒径≤4mm的连续级配普通河砂，磷酸镁水泥中氧化镁与磷酸二氢钾的摩尔比值为6:1；复合缓凝剂的加入量为氧化镁和磷酸盐总共质量的3％，复合缓凝剂为葡萄糖和硼酸按一定比例混合而成，其中m(硼酸)：m(葡萄糖)＝3:5.27，m硅灰：m(硅灰+氧化镁+磷酸二氢钾)＝10％。
制备方法参照实施例1。
实施例3
本实施例提供一种改性磷酸镁水泥砂浆及其制备方法，该改性磷酸镁水泥砂浆包括以下重量份数的组分：
硅灰质量135g，氧化镁488.30g，磷酸二氢钾276.70g，硼酸8.33g，葡萄糖14.62g，砂子900g，水180g。
本实施例中，胶砂比为1:1，水胶比为0.20:1，细集料为粒径≤4mm的连续级配普通河砂，磷酸镁水泥中氧化镁与磷酸二氢钾的摩尔比值为6:1；复合缓凝剂的加入量为氧化镁和磷酸盐总共质量的3％，复合缓凝剂为葡萄糖和硼酸按一定比例混合而成，其中m(硼酸)：m(葡萄糖)＝3:5.27，m硅灰：m(硅灰+氧化镁+磷酸二氢钾)＝15％。
制备方法参照实施例1。
实施例4
本实施例提供一种改性磷酸镁水泥砂浆及其制备方法，该改性磷酸镁水泥砂浆包括以下重量份数的组分：
硅灰质量180g，氧化镁459.57g，磷酸二氢钾260.43g，硼酸7.84g，葡萄糖13.76g，砂子900g，水180g。
本实施例中，胶砂比为1:1，水胶比为0.20:1，细集料为粒径≤4mm的连续级配普通河砂，磷酸镁水泥中氧化镁与磷酸二氢钾的摩尔比值为6:1；复合缓凝剂的加入量为氧化镁和磷酸盐总共质量的3％，复合缓凝剂为葡萄糖和硼酸按一定比例混合而成，其中m(硼酸)：m(葡萄糖)＝3:5.27，m硅灰：m(硅灰+氧化镁+磷酸二氢钾)＝20％。
制备方法参照实施例1。
实施例5
本实施例提供一种改性磷酸镁水泥砂浆及其制备方法，该改性磷酸镁水泥砂浆包括以下重量份数的组分：
硅灰质量0g，氧化镁574.47g，磷酸二氢钾325.53g，硼酸9.80g，葡萄糖17.20g，砂子900g，水180g。
本实施例中，胶砂比为1:1，水胶比为0.20:1，细集料为粒径≤4mm的连续级配普通河砂，磷酸镁水泥中氧化镁与磷酸二氢钾的摩尔比值为6:1；复合缓凝剂的加入量为氧化镁和磷酸盐总共质量的3％，复合缓凝剂为葡萄糖和硼酸按一定比例混合而成，其中m(硼酸)：m(葡萄糖)＝3:5.27，m硅灰：m(硅灰+氧化镁+磷酸二氢钾)＝0％。
制备方法参照实施例1。
将上述实施例所得改性磷酸镁水泥砂浆进行性能检测，具体检测内容如下：
1、强度测试：将实施例所得改性磷酸镁水泥砂浆分别压制成型制成试件，试件尺寸为40mm*40mm*160mm，试件在3小时到1天内脱模，在室内自然环境下养护3d、28d测试抗压强度、抗折强度、压折比，养护温度为20-30℃，如表一所示。
2、耐水性：将自然养护下28d后的实施例3和实施例5试件分别放入水中分别浸泡3d、14d、28d；耐盐性：将自然养护下28天后的实施例3和实施例5试件分别放入5％NaCl溶液和5％Na2SO4溶液中分别侵蚀3d、14d、28d，测试其抗压强度、软化系数。结果如表二所示。
表一
表二
由上表可知，本发明改性磷酸镁水泥砂浆具有较好的工作性能、基体强度高、耐水性、耐盐性较好。并且该磷酸镁水泥基路面修补材料的制备方法过程简单、质量稳定，对外界环境要求低，适用于施工时的大批量生产制备。
实施例6
一种改性磷酸镁水泥砂浆的制备方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，按照质量百分比称取以下配料
改性磷酸镁水泥砂浆由以下成分组成：氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、砂子、硅灰以及水，改性磷酸镁水泥砂浆中氧化镁与磷酸二氢钾的摩尔比值为4:1，复合缓凝剂的加入量为氧化镁和磷酸二氢钾总共质量的3％，硅灰与氧化镁、磷酸二氢钾和硅灰总质量的质量比值为5％，砂子与氧化镁、磷酸盐和硅灰总共质量的质量比值为1:1，氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、硅灰共同组成胶凝组分，水和胶凝组分的质量比为0.2；所述复合缓凝剂为由葡萄糖和硼酸按质量比为3:5.27混合而成；
步骤2，取步骤1称取的复合缓凝剂、磷酸二氢钾以及砂子加入行星式搅拌机以自转135r/min，公转57r/min的转速慢速搅拌，搅拌时间为1min，搅拌温度为20℃；
步骤3，取步骤1称取水继续加入行星式搅拌机中以自转135r/min，公转57r/min的转速慢搅，搅拌时间为1min，搅拌温度为20℃；
步骤4，取步骤1称取的氧化镁和硅灰继续加入行星式搅拌机以自转275r/min，公转115r/min的转速快速搅拌，搅拌时间为2min，搅拌温度为20℃制成水泥砂浆。
实施例7
一种改性磷酸镁水泥砂浆的制备方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，按照质量百分比称取以下配料
改性磷酸镁水泥砂浆由以下成分组成：氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、砂子、硅灰以及水，改性磷酸镁水泥砂浆中氧化镁与磷酸二氢钾的摩尔比值为5:1，复合缓凝剂的加入量为氧化镁和磷酸二氢钾总共质量的6％，硅灰与氧化镁、磷酸二氢钾和硅灰总质量的质量比值为15％，砂子与氧化镁、磷酸盐和硅灰总共质量的质量比值为1:1，氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、硅灰共同组成胶凝组分，水和胶凝组分的质量比为0.22；所述复合缓凝剂为由葡萄糖和硼酸按质量比为3:5.27混合而成；
步骤2，取步骤1称取的复合缓凝剂、磷酸二氢钾以及砂子加入行星式搅拌机以自转140r/min，公转62r/min的转速慢速搅拌，搅拌时间为2min，搅拌温度为25℃；
步骤3，取步骤1称取水继续加入行星式搅拌机中以自转140r/min，公转62r/min的转速慢搅，搅拌时间为1min，搅拌温度为25℃；
步骤4，取步骤1称取的氧化镁和硅灰继续加入行星式搅拌机以自转285r/min，公转125r/min的转速快速搅拌，搅拌时间为2min，搅拌温度为25℃制成水泥砂浆。
实施例8
一种改性磷酸镁水泥砂浆的制备方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，按照质量百分比称取以下配料
改性磷酸镁水泥砂浆由以下成分组成：氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、砂子、硅灰以及水，改性磷酸镁水泥砂浆中氧化镁与磷酸二氢钾的摩尔比值为6:1，复合缓凝剂的加入量为氧化镁和磷酸二氢钾总共质量的10％，硅灰与氧化镁、磷酸二氢钾和硅灰总质量的质量比值为20％，砂子与氧化镁、磷酸盐和硅灰总共质量的质量比值为1:1，氧化镁、磷酸二氢钾、复合缓凝剂、硅灰共同组成胶凝组分，水和胶凝组分的质量比为0.25；所述复合缓凝剂为由葡萄糖和硼酸按质量比为3:5.27混合而成；
步骤2，取步骤1称取的复合缓凝剂、磷酸二氢钾以及砂子加入行星式搅拌机以自转145r/min，公转67r/min的转速慢速搅拌，搅拌时间为3min，搅拌温度为30℃；
步骤3，取步骤1称取水继续加入行星式搅拌机中以自转145r/min，公转67r/min的转速慢搅，搅拌时间为1min，搅拌温度为30℃；
步骤4，取步骤1称取的氧化镁和硅灰继续加入行星式搅拌机以自转295r/min，公转135r/min的转速快速搅拌，搅拌时间为3min，搅拌温度为30℃制成水泥砂浆。
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