磷酸镁水泥基材料的修补粘结性能研究

摘要

水泥混凝土是当今世界上使用量最大、适用范围最广的土木工程建筑材料。大量现存的混凝土结构也预示着对修补加固工程的巨大的潜在需求，磷酸镁水泥基材料（简称MPC材料）虽然已被认识并作为一种非常有用的超早强修补材料，在修补工程领域以其优异的性能表现出独特优势，但目前MPC材料的研究主要集中在其自身水化过程、微观形貌、物理力学性能等方面，对粘结性能虽有所涉及，但相对较少，特别是没有从MPC材料优异的体积稳定性展开研究，以往研究多重点关注MPC材料的超早强性能，而未能关注长期耐久性。因此，从MPC材料与混凝土基体之间的界面粘结性能要求出发，从自由状态、约束状态、粘结耐久性三个方面对 MPC材料的粘结性能研究，并特别考虑粘结性能的耐久性，同时对MPC材料的粘结性能改善和粘结机理进行探讨，以期充分发挥 MPC材料在工程修补中的应用。
　　首先研究自由状态下MPC材料的粘结性能。在配比组分变化对MPC材料工作性及抗压强度影响的研究基础上，论文通过采用抗折粘结强度和压剪粘结强度两种指标来研究MPC材料的粘结性能，并结合界面区域断裂特征来表征其粘结状态，同时对这两种粘结性能指标的相关性进行分析。结果表明，MPC材料具有优异的粘结性能，2h抗折粘结强度可超过3.0MPa，1d抗折粘结强度可超过5.0MPa，显示其作为超早强修补材料的优势；在自由状态下，配比组成是影响MPC材料粘结性能的主要因素，其中W/B（水胶比）和M/P值（氧化镁与磷酸盐的质量比）的影响最显著，MPC材料的磷酸盐掺量有一个最佳范围。当M/P=2~3时、W/B为0.12~0.14时MPC材料的粘结性能更优。MPC材料的抗折粘结强度与压剪粘结强度具有较好的相关性。
　　考虑实际工程对修补材料的性能要求，研究了MPC材料在约束状态下的粘结性能。试验将MPC材料优异的早期变形性能与约束条件下的界面粘结修补性能相结合来研究其影响规律，揭示了MPC材料作为超早强修补材料的又一优势，并与普通硅酸盐水泥基修补材料（简称OPC材料）、硫铝酸盐水泥基修补材料（简称SAC材料）的粘结性能做比较；同时还观察MPC材料与基体界面处的裂缝发展及渗透性等性能变化情况，并将其与粘结强度综合起来共同表征MPC材料的粘结性能。结果表明，在约束条件下，早期体积稳定性对MPC材料的粘结性能影响显著，组成配比是影响MPC材料早期体积稳定性的主要因素。大多数MPC材料在初始期（终凝后0~4h）和早期（1d~10d）会有一定的膨胀，膨胀幅度甚至高达3.5×10-4，这非常有利于约束条件下的界面粘结。MPC材料的体积稳定性明显优于OPC/SAC材料，干燥环境下，同龄期MPC材料的体积收缩幅度仅为后者的1/4~1/5。约束条件下，MPC材料仍具有优异的粘结性能，其2h和1d的抗折粘结强度仍可达到3.8MPa和5.4MPa。界面观察和自由渗水试验发现，磷酸二氢铵基的MPC材料粘结界面未见裂缝，透水时间大于72h，而 OPC/SAC材料成型后4h就出现23.6μm的可见裂缝，透水时间小于17min，MPC材料的界面粘结质量明显优于OPC/SAC材料。
　　论文还研究了MPC材料与混凝土基体界面粘结性能的耐久性，通过研究不同使用环境对MPC材料粘结性能及粘结耐久性的影响，重点考察淡水溶蚀、模拟海水及浓度为3%MgSO4、10%NaCl和10%MgSO4的溶液侵蚀对MPC材料界面粘结强度的影响。结果表明，MPC材料的粘结强度及耐久性在空气养护条件下表现优于水养条件，淡水溶蚀环境下，MPC材料粘结强度早期虽有下降，但后期可逐渐恢复至空气养护条件下的94%；相比淡水溶蚀，MPC材料抗离子侵蚀性能更好，在浓度为10%MgSO4的溶液侵蚀条件下，MPC材料的粘结强度甚至高于同龄期空气养护下的试件粘结强度。MPC材料不仅可以作为紧急抢修材料，还可以用于耐久性要求更高的结构修补，特别在海洋和高浓度盐渍环境条件下具有明显优势。
　　最后，对MPC材料与基体界面的宏观及微观形貌特征进行分析，初步揭示了MPC材料与旧混凝土基体间粘结力的形成机制；并通过复配磷酸盐、掺加矿物掺合料等方法对 MPC材料性能的改善进行研究。结果表明，MPC材料与基体之间的粘结界面作用力是以物理机械咬合为主；采用复合盐制备的MPC材料（磷酸二氢钾：磷酸二氢铵为0.7:0.3）粘结性能更优异，各龄期复配的MPC材料比单一磷酸盐MPC材料的粘结强度平均高40%以上；掺入一定量粉煤灰和硅灰有也利于MPC材料各龄期粘结强度，特别是粘结强度最高可提高20%、抗压强度的发展和抗水侵蚀的能力的提高。通过对MPC材料粘结性能及影响因素的研究，表明MPC材料可作为混凝土结构修补和加固材料，是在役混凝土结构快速修补加固和长期性能保持的理想材料。

目录

1 绪 论

1.1 水泥混凝土的破坏与修复

1.2 磷酸镁水泥的发展与研究现状

1.3 磷酸镁水泥的粘结性能研究现状

1.4 本文研究工作的提出及研究内容

2 原材料及试验方法

2.1 主要原材料及其基本性能

2.2 主要试验设备

2.3 试验方法

3 自由状态下磷酸镁水泥基材料的粘结性能

3.1 试件制备与养护

3.2 磷酸镁水泥砂浆的凝结硬化特性

3.3 磷酸镁水泥基材料的抗折粘结性能

3.4 磷酸镁水泥的压剪粘结性能

3.5 本章小节

4 基体约束状态下磷酸镁水泥基材料的粘结性能

4.1 试件制备与养护

4.2 磷酸镁水泥基材料的体积稳定性

4.3 基体约束下磷酸镁水泥基材料的拉剪粘结性能

4.4 基体约束下磷酸镁水泥基材料的拉拔粘结性能

4.5 本章小结

5 环境对磷酸镁水泥基材料粘结性能的影响

5.1 环境温度的影响

5.2 侵蚀介质的影响

5.3 干湿循环和冻融循环的影响

5.4 基体界面状态的影响

5.5 本章小结

6 磷酸镁水泥的粘结机制及其粘结性能改善方法探讨

6.1 磷酸镁水泥-混凝土界面粘结机制分析

6.2 复合磷酸盐改性研究

6.3 矿物掺合料改性

6.4 本章小结

7 结论和展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读博士学位期间取得的科研成果目录

C 作者在攻读博士学位期间负责和参与的科研项目