一种快硬早强高耐水磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料
阅读说明：本技术 一种快硬早强高耐水磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料 (Quick-hardening early-strength high-water-resistance magnesium phosphate-alkali-activated mixed cementing material ) 是由 林旭健 林欣源 林晨枫 吴宇中 李昕 谢雨冬 于 2021-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型快硬早强高耐水性磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料及其制备方法,其是利用碱性磷酸氢盐制备的高碱度磷酸镁胶凝材料经水作用后的产物作为激发物质,对可激发矿物质进行碱激发,从而形成磷酸镁胶凝材料与碱激发胶凝材料交织并存的混合体系。所得混合型胶凝材料在保证良好的力学性能的同时,将部分至全部气硬性材料组分主动转变为水硬性材料,从而可有效解决磷酸镁胶凝材料耐水性差的问题。(The invention discloses a novel quick-hardening early-strength high-water-resistance magnesium phosphate-alkali-activated mixed cementing material and a preparation method thereof. The obtained mixed type cementing material actively converts part to all of air hardening material components into hydraulic material while ensuring good mechanical property, thereby effectively solving the problem of poor water resistance of the magnesium phosphate cementing material.)
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种新型快硬早强高耐水磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料及其制备方法。
背景技术
磷酸镁水泥（Magnesium Phosphate Cement，MPC）最早就凭其优异的性能开始作为结构修补、废弃物固化等的材料。由于MPC是非水硬性水泥，主要生成物MgNH4PO4·6H2O（MAP）或MgKPO4·6H2O（MKP）耐水性差，较大程度上限制了其应用领域。针对MPC耐水性差的问题，本发明提出采用碱性磷酸氢盐制备高碱度磷酸镁水泥，其经水作用后的碱性溶液可进一步激发矿物材料，将部分镁质胶凝材料转化为碱激发胶凝材料，形成磷酸镁胶凝材料与水硬性碱激发材料并存的混合体系，从而有效提高体系的整体耐水性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型快硬早强高耐水磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料及其制备方法，其由重烧氧化镁、碱性磷酸氢盐、硅灰、可激发矿物质为固态原材料，通过内部给水补水使之自发形成磷酸镁胶凝材料和水硬性碱激发产物混合交织的快硬早强高耐水胶凝材料。这种材料可以有效解决磷酸镁胶凝材料耐水性差、在潮湿环境下结构强度削弱的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种快硬早强高耐水磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料，其是利用碱性磷酸氢盐制备的高碱度磷酸镁胶凝材料经水作用后的产物作为激发物质，对可激发矿物质进行碱激发，从而形成磷酸镁胶凝材料与碱激发胶凝材料交织并存的混合体系。
所述混合型胶凝材料的制备方法是以重烧氧化镁、碱性磷酸氢盐、硅灰、水、可激发矿物质和储水材料为原料，将其经搅拌机拌合后入模，经3~24小时硬化之后拆模，对硬化体进行空气养护（不宜浸泡养护），制得所述混合型胶凝材料。
其中，所用各原料的用量按重量份计为：重烧氧化镁38~52份、碱性磷酸氢盐8~20份、硅灰6~20份、水8~20份（其中0~12份用于储水材料的预吸水处理）、可激发矿物质6~28份、储水材料0.2-9份。
所述碱性磷酸氢盐为磷酸一氢盐。
所述可激发矿物质包括矿渣、火山灰、粉煤灰中的任意一种或多种。
所述储水材料为吸水性树脂及多孔性吸水材料（如陶粒等）中的至少一种。
磷酸镁胶凝材料在形成早期对拌合水用量敏感，且其具有反应迅速的特点（体现为早强快硬），故加入的绝大部分拌合水在反应前期就被快速大量消耗，并在体系内部积存大量高碱性物质晶体（反应如式1所示）。本发明通过在早期仅加入少量水并结合使用内部补水（加入储水材料）的方式，不仅避免了使用过多初始拌合水对磷酸镁胶凝材料体系的负面影响，保留了磷酸镁材料早强快硬的优点，还可通过调控水分的逐渐释放以促进所生成的高碱性物质对可激发矿物的激发作用，使体系内部二次水化生成水硬性产物，进而提高混合胶凝材料的耐水性。
MgO+K2HPO4·3H2O+3H2O→MgKPO4·6H2O+KOH （1）。
本发明的显著特点在于：
本发明以重烧氧化镁、碱性磷酸氢盐、硅灰、可激发矿物为主要原料，通过内部（配合储水材料）给水的方式提供可促进一次、二次水化的必要水分，从而制成一种快硬早强高耐水混合组分胶凝材料。该种材料不仅保留了磷酸镁胶凝材料早强快硬的优点，且在内部补水的条件下利用氧化镁与磷酸一氢盐反应后生成的独有高碱性物质来激发可激发矿物生成水硬性产物（即不需要外加激发剂），可有效提升材料的耐水性。此外，掺入可被激发的矿物成分，还能减少氧化镁、磷酸氢盐的用量，从而降低成本，具有良好的技术、经济和环保效益。
附图说明
图1为磷酸镁胶凝材料的SEM图及相应标注位点的EDS能谱图。
图2为磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料的SEM图及相应标注位点的EDS能谱图。
由图中可见，图1的标注位点为磷酸镁体系主要水化产物MKP，而图2在标注位点MKP的表面上附着有白色胶凝物质，且其能谱图中Si、Ca、O元素的峰值更为突出，可以确认该物质为C-(A)-S-H，说明矿渣能够在体系内被激发，并与MKP共同构成磷酸镁-碱激发混合型体系。
具体实施方式
为了使本发明的目的、设计方案和优越性更加直观，下面通过具体实施例进一步说明本发明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分，并非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1：
分别称取重烧氧化镁40份、磷酸氢二钾13份、硅灰8份、矿渣25份、高分子吸水树脂0.3份、水9份（其中2.5份水用于高分子吸水树脂的预吸水处理）。先将高分子吸水树脂与2.5份水充分拌合进行预吸水，之后将其与剩余原料倒入砂浆搅拌机中充分搅拌，浇筑成型并经空气养护3 h以上，得到新型磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料。
所得磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料经空气养护59 d后的抗压强度为68 MPa；而经空气养护3 d再浸水56 d后的抗压强度由35.3 MPa升至66.7 MPa，其耐水强度增长89%，浸水强度保留率为98%。
实施例2：
分别称取重烧氧化镁40份、磷酸氢二钾13份、硅灰8份、矿渣25份、高分子吸水树脂0.3份、水9份。将各原料倒入砂浆搅拌机中充分搅拌（使高分子吸水树脂在搅拌初期吸收部分水分并在后期释放），浇筑成型并经空气养护3 h以上，得到新型磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料。
所得磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料经空气养护59 d后的抗压强度为75 MPa；而经空气养护3 d再浸水56 d的抗压强度由50 MPa升至71.2 MPa，其耐水强度增长42.4%，浸水强度保留率为94.9%。
实施例3：
分别称取重烧氧化镁49份、磷酸氢二钾20份、硅灰10份、矿渣7.5份、陶砂2.5份、水9份（其中0.2份水用于陶砂的预吸水处理）。先将陶砂与0.2份的水充分拌合进行预吸水，再将其与剩余原料倒入砂浆搅拌机中充分搅拌，浇筑成型并经空气养护3 h以上，得到新型磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料。
所得磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料经空气养护59 d后的抗压强度为81.5 MPa；而经空气养护3 d再浸水56 d的抗压强度由49.5 MPa升至77.2 MPa，其耐水强度增长56%，浸水强度保留率为94.7%。
对比例1：
分别称取重烧氧化镁40份、磷酸氢二钾13份、硅灰8份、矿渣25份、水9份。将各原料倒入砂浆搅拌机中充分搅拌，浇筑成型并经空气养护3 h以上，得到磷酸镁胶凝材料（由于不含储水材料，拌合水被快速消耗，故生成磷酸镁胶凝材料后无法继续反应形成磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料）。
所得磷酸镁胶凝材料经空气养护59 d后的抗压强度为81.6 MPa；而经空气养护3d再浸水56 d的抗压强度由51.6 MPa升至73.8 MPa，其耐水强度增长43%，浸水强度保留率为90.4%。
对比例2：
分别称取重烧氧化镁40份、磷酸氢二钾13份、硅灰8份、水9份。将各原料倒入砂浆搅拌机中充分搅拌，浇筑成型并经空气养护3 h以上，得到磷酸镁胶凝材料。
所得磷酸镁胶凝材料经空气养护59 d后的抗压强度为90.6 MPa；而经实测空气养护3 d再浸水56 d的抗压强度由60.3 MPa升至74.5 MPa，其耐水强度增长23.5%，浸水强度保留率为82.2%。
对比例3：
分别称取重烧氧化镁49份、磷酸二氢钾20份、硼砂1.5份、陶砂2.5份、水9份（其中0.2份水用于陶砂的预吸水处理）。先将陶砂与0.2份的水充分拌合进行预吸水，再将其与剩余原料倒入砂浆搅拌机中充分搅拌，浇筑成型并经空气养护3 h以上，得到常规磷酸镁胶凝材料（因体系pH较低，无法达到激发条件）。
所得磷酸镁胶凝材料经空气养护59 d后的抗压强度为59 MPa；而经空气养护3 d后再浸水56 d的抗压强度由54 MPa降至42.1 MPa，其强度降低，浸水强度保留率为71.3%。
与常规磷酸镁胶凝材料相比，本发明磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料中长期耐水强度保留率显著提高；与普通硅酸盐胶凝材料相比，本发明磷酸镁-碱激发混合型胶凝材料早期强度仍较高，且无需缓凝剂，镁质胶凝材料早强快硬的优点得以保留。本发明的创新之处在于结合磷酸镁和碱激发胶凝材料的制备技术，在内部给水补水的条件下，利用特定镁质胶凝材料的碱性激发体系内矿物材料生成水硬性碱激发产物，从而提高材料的整体耐水性，其不仅保留了两种胶凝材料体系各自的优点，还有助于环保利废、降低成本，具有显著社会、经济、技术效益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。