鎂質膠凝修補材料的制備、性能、機理和應用研究.pdf

1、鎂質膠凝材料(Magnesium cementing material)是指以氧化鎂為主要成分的一類無機氣硬性膠凝材料。隨著科學技術的發(fā)展,鎂質膠凝材料現(xiàn)已發(fā)展成為包括氯氧鎂水泥、硫氧鎂水泥和磷酸鎂水泥等多個種類的高性能膠凝材料的大家族,在建筑工程、防火工程、環(huán)境保護和醫(yī)學鄰域內有著廣泛的應用。
　　 針對混凝土建筑結構修補工程的需要,本文根據(jù)磷酸鎂水泥和氯氧鎂水泥的不同特性,分別將這兩種鎂質膠凝材料面向混凝土結構破損填充修補(

2、patching)和混凝土結構加固修補(Strengthening)展開系統(tǒng)的研究。
　　 論文首先在對磷酸鎂水泥砂漿強度和凝結時間的研究基礎上,綜合考慮了修補工程實際應用的要求,確定了采用不同性能的重燒氧化鎂作為原材料配制磷酸鎂水泥的主要參數(shù):接著,為了提高磷酸鎂水泥的經濟性和環(huán)保性,論文系統(tǒng)研究了摻加粉煤灰對于氯氧鎂水泥性能的影響,分析了粉煤灰在磷酸鎂水泥中的主要效應；然后,出于對被修補結構耐久方面的考慮,避免同一區(qū)域修補工

3、作的重復開展,本論文對于磷酸鎂水泥砂漿的耐久性進行了研究,包括對于修補能夠長期耐久至關重要的干燥收縮性能、抗凍融循環(huán)性能、抗干濕循環(huán)性能以及在高溫條件下磷酸鎂水泥砂漿的力學性能等；論文還開展了利用磷酸鎂水泥砂漿和在此基礎上配制的磷酸鎂水泥混凝土對大尺寸的、實際的建筑結構構件進行修補的應用研究。對于連續(xù)碳纖維增強氯氧鎂水泥漿加固修補混凝土構件的研究,本論文在前人對于氯氧鎂水泥研究的基礎上,嘗試了多種改性方法以增強氯氧鎂水泥基膠材的滲透性,

4、利用直接剪切的實驗方法評估了改性氯氧鎂水泥基膠材的性能,并建立受力分析模型,對于試件的受力過程和破壞形式進行分析。論文研究以宏觀性能試驗和微觀分析試驗相結合的方式,從制備、性能、機理和應用等方面對磷酸鎂水泥基修補材料和氯氧鎂水泥基膠材增強連續(xù)碳纖維加固修補技術進行了系統(tǒng)的研究,為鎂質膠凝修補材料在結構修補鄰域內的進一步推廣和應用提供了試驗依據(jù)和理論參考。
　　 論文研究取得的主要成果分述如下:
　　 對于磷酸鎂水泥配比的

5、研究可以看出,磷鎂比對于磷酸鎂水泥砂漿的強度和凝結時間有很大的影響。對于強度而言,采用不同性能的重燒氧化鎂,磷鎂比在1／1-1／9之間存在著不同的最佳值；對于凝結時間來說,隨著氧化鎂用量的提高,即磷鎂比的下降,磷酸鎂水泥砂漿的凝結時間則越來越短,甚至不可操作。因此,應針對重燒氧化鎂的性能,包括純度、活性和細度等方面,采用不同的磷鎂比。同時,研究還表明,隨著氧化鎂活性的下降和用水量的提高,磷酸鎂水泥砂漿的強度均隨之下降。同時,過多的用水會

6、造成磷酸鎂水泥砂漿在其快速凝結過程中,少量的水分被擠壓出試件表面,對于磷酸鎂水泥砂漿的性能造成諸多負面影響。緩凝劑的摻加能夠極大地延緩磷酸鎂水泥的凝結時間,從而對強度發(fā)展造成負面影響。研究表明,當硼酸或硼砂的摻量大于5％后,對凝結的延緩程度繼續(xù)增加效果不大。而5％的硼砂摻量和2％的硼酸摻量對于砂漿各齡期強度均無明顯影響。同時,研究提出了一種很有可能的緩凝機理,即硼酸或硼砂在溶液中生成B(OH)4-離子能夠捕獲剛剛析出的Mg2+,暫時將其

7、絡合包裹,并存在于溶液之中,而不是形成對于氧化鎂顆粒表面的包裹,從而降低了溶液中自由的Mg2+的生成速度,以達到緩凝的效果。同時,由于磷酸鎂水泥漿體呈酸性,因此硅酸鹽水泥適用的陰離子表面活性劑型減水劑對其的減水效果微乎其微。陽離子型表面活性劑與非離子型表面活性劑的吸附效果不受pH值影響,能夠對磷酸鎂水泥起到減水效果。研究指出了兩種效果不錯的非離子型表面活性劑Span-20與Tween-80。
　　 粉煤灰對于磷酸鎂水泥系統(tǒng),存在

8、著類似其在波特蘭水泥中的活性效應、微集料效應和形態(tài)效應等三大效應。同時,由于粉煤灰對于磷酸根離子的吸附作用,在磷酸鎂水泥體系中,粉煤灰還存在著新的效應。在磷酸鎂水泥系統(tǒng)中粉煤灰的活性效應能夠使粉煤灰中的鋁、硅等元素與磷酸鎂水泥硬化反應的主要產物KMgPO4·6H2O發(fā)生反應,生成含有鋁、硅、鎂、磷和鉀等元素的無定形非晶態(tài)的復雜絡合產物。同時,存在于磷酸鎂水泥石中的未反應的氧化鎂對這種效應的發(fā)揮有重要作用。在磷酸鎂水泥系統(tǒng)中粉煤灰的微集料

9、效應通過填充較大顆粒間的空隙,細化了孔結構,增加基體致密性,從細觀角度限制水泥基材料的變形和開裂,提高了磷酸鎂水泥基材料的性能。在磷酸鎂水泥系統(tǒng)中粉煤灰的形態(tài)效應通過其較低的需水性和球形顆粒的潤滑作用,能夠減少磷酸鎂水泥基材料的用水量,或改善漿體的工作性。由于粉煤灰對于溶液中的磷酸根離子的吸附作用,粉煤灰能夠對磷酸鎂水泥主要的硬化反應起到一定的緩沖作用,從而能夠延緩水泥基材料的凝結,起到一定的緩凝效果。本研究分析了摻加了粉煤灰后的磷酸鎂

10、水泥系統(tǒng)主要硬化反應的過程,指出了粉煤灰在反應中的重要作用。
　　 導致磷酸鎂水泥砂漿干燥收縮的主要原因是由于內部自由水分的喪失。采用較高的水膠比會導致干燥收縮的增大。采用高活性的重燒氧化鎂,增大了反應程度,減少了自由水分的存在,能夠降低砂漿的干燥收縮。提高氧化鎂用量則會降低其反應程度,增加了自由水分的存在,從而會增大砂漿的干燥收縮。粉煤灰的摻加通過物理和化學的方式改變了砂漿的孔結構,從而能夠減小磷酸鎂水泥砂漿的干燥收縮。緩凝劑

11、的使用似乎會增加砂漿地干燥收縮。磷酸鎂水泥本身擁有很好的抗凍融循環(huán)的能力。在摻加了粉煤灰以后,由于孔結構的進一步改善,使得水分向內部滲透更加困難,同時提供空間供凍液膨脹,其抗凍融循環(huán)能力大大提高。不摻加粉煤灰的磷酸鹽水泥砂漿的耐水性有可能由于配比設計的原因存在一定的問題。大量未反應的重燒氧化鎂存在于基體之中,遇水后有可能發(fā)生膨脹,導致水泥石開裂和性能下降。在摻加粉煤灰之后,由于氧化鎂用量的下降以及粉煤灰對于材料結構物理和化學的改善作用,

12、水分難于滲透而接觸更多的氧化鎂,提高了其耐水性能,從而在干濕循環(huán)條件下,性能仍能有所增長。摻加粉煤灰對于提高磷酸鎂水泥砂漿的耐高溫性能改善不大。高溫下,砂漿試件的性能下降主要是由于反應產物脫水而導致結構酥松。在800-1000℃,磷酸鎂水泥石會由于燒結而變得致密,強度能夠有所回升。
　　 本研究采用了優(yōu)選的磷酸鎂水泥修補砂漿和在此基礎上配置的磷酸鎂水泥修補混凝土,成功地完成了多個真實尺寸構建的修補。采用磷酸鎂水泥修補砂漿修補的梁

13、構件,在承載能力和變性能力方面均能夠得到恢復,甚至超過梁的原有設計承載能力。對于真實的大尺寸的建筑構件,由于修補體積較大,出于經濟方面的考慮,宜采用磷酸鎂水泥修補混凝土進行修補工作。在修補前,需要對修補構件進行必要的處理,包括修補面的鑿毛和潤濕、鋼筋除銹以及修補區(qū)域除塵等處理。采用磷酸鎂水泥混凝土修補的梁與板構件均能夠很好的恢復至受到破損以前的承載能力水平。修補界面粘結效果優(yōu)良,在荷載作用下不會產生脫粘和滑移。
　　 隨著養(yǎng)護齡

14、期的增長,氯氧鎂水泥基膠材的性能有所提高,7d時基本能達到14d性能的95％。通過摻加一定量的硅灰可以提高氯氧鎂水泥基膠材的性能,但是由于硅灰的分散問題,其摻加量并不是越多越好。與一定量的有機膠材復合,能夠提高氯氧鎂水泥基膠材的性能,隨著有機膠材摻加量的增加,復合膠材的性能不斷提高。有機膠材能夠在氯氧鎂水泥漿體中很好的分散,這是有機膠材發(fā)揮其作用的基礎。增大氯氧鎂水泥基膠材的用水量雖然能夠提高漿體的流動性,但是并不能夠提高其作為膠材的性