环境友好型磷酸盐胶凝材料机理与性能研究

磷酸盐胶凝材料具有强度高、耐久性好、与旧混凝土的粘结相容性良好等优良性能，在混凝土结构耐久性修复补强中起到重要作用。但是传统磷酸盐水泥在使用中释放氨，对环境不利，而且凝结时间太短，工作性能较差，不能作为混凝土结构的加固胶使用。而现有的纤维复合聚合物（FRP）材料，其使用的有机结构胶耐高温性能、与混凝土相容性较差。本项目拟研究的环境友好型磷酸盐水泥，具备传统磷酸盐水泥的优点，但没有氨释放，并且对粉煤灰有很好的活性激发作用。项目通过深入研究新型磷酸盐胶凝材料的反应和凝结机理，方便地控制磷酸镁水泥的凝结时间，提高工作性能；并研究磷酸盐对粉煤灰（铝硅酸盐材料）胶凝性的激发机理；项目的实施赋予磷酸盐胶凝材料具备理想的工作性能和力学性能，能够作为建筑加固胶与碳纤维等纤维材料复合，加固混凝土结构。克服有机胶复合碳纤维加固结构耐高温、耐火性差的缺陷，提高加固材料与混凝土结构相容性和耐久性能。

项目研制了一种生态友好型磷酸盐胶凝材料，深入研究了该胶凝体系的反应机理、微观结构、宏观性能和对混凝土的补强性能。计算了反应热力学参数、测量了反应体系的温升过程，研究了凝结时间、温度升高历程、强度发展规律，并延长了该水泥的凝结时间，提供了工作性能。微观结构分析表明该反应体系中生成了一种胶凝性产物MgKPO46H2O(MKP)，该矿物在水泥的硬化浆体中同时晶体形式和胶体（无定形）存在，MKP的晶体微观形貌呈现棒状晶体，可以构成微观骨架，而胶体产物即可填充其中，形成较为理想的胶凝材料的微观结构。加入适量粉煤灰对本磷酸盐水泥体系综合性能具有提升作用，其作用机理有物理和化学两个方面，从物理角度讲粉煤灰球状玻璃体颗粒提高了浆体的密实程度，从化学角度粉煤灰中的玻璃体溶出活性组分参与了水化反应，使得粉煤灰颗粒与水化产物之间产生紧密结合。研究了磷酸盐水泥的力学行为与耐久性，分析了微观孔隙与宏观性能的关系。耐久性研究表明，该胶凝材料（与硅酸盐水泥相比）具有很好的抵抗淡水、海水、硫酸盐溶液干湿循环作用的能力，优良的抵抗冻融循环的能力，也具有在酸溶液长期浸泡抵抗酸侵蚀的能力。磷酸镁水泥具有抵抗高温作用的能力，在1200oC高温发生类似陶瓷烧结的反应，使得基体更加致密。磷酸盐水泥与混凝土进行粘结的试验，表明该水泥与硅酸盐水泥硬化材料表明具有很强的粘结性能，断裂模式呈现脆性破坏。用连续纤维与磷酸镁水泥复合制备复合材料对混凝土进行补强，对混凝土梁进行加固补强试验，结果表明三点抗弯强度提高了近一倍，其破坏呈延性破坏，有可观的缓冲时间。改进纤维复合材料制备工艺后，使无机胶充分浸润到纤维束中，外贴混凝土试体的单剪实验结果表明，磷酸盐水泥碳纤维补强的混凝土的面内剪切破坏模式较为理想。对用无机胶纤维复合材料补强的混凝土试件进行喷火（高温作用）后剩余的粘贴强度较高，即其具备非常好的耐高温和防火性能，同时对碳纤维片材也起到保护作用，使得碳纤维片材在高温下不被氧化。该项目通过对磷酸镁胶凝材料系统地研究，阐明了其微观机理与性能的关系，有助于扩展其作为高性能胶凝材料的应用领域。