磷酸镁胶凝材料基体与玻璃纤维筋的粘结性能周序洋u，杨建明3，王进2（1.江苏广播电视大学建筑工程系，江苏南京210019；2.南京建工集团有限公司，江苏南京200012；3.盐城工学院土木工程学院，江苏盐城224051）体中的拉拔力。结果表明：自制无机胶能较好渗入玻璃纤维筋内部，并将纤维丝牢固地粘结在一起，玻璃纤维筋的轴向拉力显著提高；用掺入适量死烧氧化镁粉的无机胶浸涂玻璃纤维筋，可明显增大玻璃纤维筋在MPC基体中的拉拔力；适量水玻璃可使MPC的结构更加致密，其中玻璃纤维筋的拉拔力亦适当提高；随着玻璃纤维筋埋置长度的增加和MPC基体龄期的延长，玻璃纤维筋的拉拔力逐步提高；存在*佳的玻璃纤维筋埋置长度使玻璃纤维筋拉拔破坏时的拉拔力达到*大；经优化设计的玻璃纤维筋在MPC基体中的拉拔力高于在环氧树脂基体中的拉拔力。

　　磷酸镁胶凝材料（magnesiumphosphatecement，MPC）是由死烧氧化镁、可溶性磷酸盐、添加剂以及矿物掺合料按一定比例配合，在酸性条件下，通过酸碱化学反应及物理作用，生成以磷酸盐为粘结相的无机胶凝材料。在常温下，该类材料通过化学键结合，具备了水泥和陶瓷材料的主要特点，即低温固化、早期强度高、高体积稳定性、粘结性强、硬化体偏中性和良好的耐久性等-7.以磷酸镁胶凝材料为基金项目：住房和城乡建设部科研开发项目（2011-K4-23）qq.com），主要从事建筑施工新技术、建筑新材料的研究。杨建明（1964―），女，江苏盐城人，教授（ymkk163.com），主要从事土木工程材料和无机新材料的研究。

　　基体粘结剂的纤维增强复合材料的部分研究证实B-9：磷酸镁胶凝材料与钢纤维的粘结强度高，掺适量钢纤维可有效改善磷酸镁胶凝材料基体的韧性并保持好的耐久性；磷酸镁胶凝材料基体与纤维有较好的粘结强度和相容性；且磷酸镁胶凝材料硬化体的pH值小于10，对无碱玻璃纤维不存在腐蚀现象。综上所述，用玻璃纤维增强磷酸镁胶凝材料基复合材料来修补受损的混凝土结构应是个可行的研究方向，但针对该方向的研究尚处于起步阶段。

　　对于玻璃纤维增强磷酸镁胶凝材料基复合材料，磷酸镁胶凝材料基体与玻璃纤维间的粘结性能是决定两者能否协调工作并且充分发挥两种材料优点的决定性因素。为此，本研究针对磷酸镁胶凝材料基体与纤维筋的粘结性能进行试验，为玻璃纤维增强MPC基复合材料的研究和应用提供。

　　1材料与试验1.1原材料磷酸镁胶凝材料基体由死烧氧化镁（MgO）、工业级磷酸二氢钾（KH2P4）、粉煤灰（FA）、复合缓凝剂（CR）、水玻璃（WG）和水（W）配制而成，配合比和物理力学性能见表1.表中M1为无添加剂MPC基材料试件，M2和M3分别为添加定比例水玻璃和粉煤灰的MPC基材料试件。

　　表1 MPC基体的配合比和物理力学性能MPC基体流动性/抗压强度/备注添加水玻璃添加粉煤灰MgO采用辽宁省桓仁东方红水电站镁砂厂生产的电工级镁砂，其中MgO的质量分数是96.8%，CaO和Si2的质量分数分别为1.33%和0.92%；经过球磨机研磨13min后，其比表面积为245m2kg-1.KH2PO4由连云港格立化工有限公司提供，为柱状晶体，主粒度为40/350 ~60/245目/pm.液体水玻璃由市场购得，其模数为2.7，密度为1.45gcm-3.粉煤灰为盐城市固鼎集团提供的一级粉煤灰，比表面积为450m2kg-1；复合缓凝剂和无机胶由。采用日本理学D/max -RB型X射线衍射仪（XRD）测定MPC试样的物相成分（管电压40kV，管电流100mA）；采用美国FEI公司生产的QUANTA200环境扫描电子显微镜观察MPC水化产物的形貌。

　　2结果与讨论2.1处理万式对纤维筋轴向拉力影响对纤维筋采用4种不同处理方式，分别加入单束、二束、三束纤维筋试件，检测其对轴向拉力的影响，结果如所示。其中，A1为对纤维筋不做任何处理；A2为对纤维筋涂环氧树脂胶；A3为对纤维筋涂无机胶；A4对纤维筋涂掺入适量MPC的原材料死烧氧化镁粉的无机胶。由可知：玻璃纤维筋的轴向拉力随纤维束股数的增加而提高，两者近似呈正比关系；经涂胶处理后纤维筋A3和A4的轴向拉力明显提高；A3对纤维筋的增强作用优于A2.为不同处理方式玻璃纤维筋的断口形态以由a可知：A1的纤维筋断口处纤维丝分散断开，表明纤维筋受拉时纤维丝分开受力，部分有缺陷的纤维首先被拉断，造成该处其他纤维丝承受较大拉力而被破坏；A2断口表面环氧树脂剥落，纤维筋整齐断裂，表明成束纤维能协同受力；A3断口处纤维丝分几股粘结在一起，每股纤维束整齐断裂，表明成束纤维亦能协同受力。由b，3c可知：由于渗透性强且对玻璃纤维有较好浸润性，无机胶可较好地渗入玻璃纤维丝的空隙中，并将纤维丝粘结成一个整体，掺入无机胶中的死烧氧化镁粉大部分粘附于纤维筋表面。

　　在已有织物增强混凝土研究中，通常用环氧树脂作为浸润剂固化和粘结织物纤维，经工艺处理的织物纤维的抗拉强度和初始弹性模量可大幅提高。

　　这是因为纤维筋中存在多处有缺陷的纤维丝，经处理的纤维筋中纤维丝相互粘结在一起，受拉时，部分有缺陷纤维丝抗拉能力的不足可被临近纤维丝及时搭接修补，保证所有纤维丝的协同受力0.本研究结果表明：无机胶同样可保证所有纤维丝的协同受力，且增强效果比环氧树脂接近。

　　2.2不同MPC基体对纤维筋拉拔力的影响以经A4方式处理的二束合股的玻璃纤维筋为例，对该纤维筋在3种不同MPC基体中的拉拔力进行了测定，如表2所示。试件的纤维筋埋置长度为15mm，龄期为3d，试验时均为纤维筋拔出破坏，实测结果见表2.表2二束合股的玻璃纤维筋在不同MPC基体中的拉拔力MPC基体流动性/mm抗压强度/MPa拉拔力/N由表2可知：MPC基体组成变化对浆体的流动性和硬化体的抗压强度有一定影响，在MPC中掺适量水玻璃可明显改善浆体的流动性，并适当提高MPC硬化体的强度；在MPC中掺适量粉煤灰会降低浆体的流动性，但硬化体的抗压强度明显提高；MPC基体的流动性和抗压强度的提高均可提高玻璃纤维筋的拉拔力，且基体流动性对玻璃纤维筋拉拔力的影响更为显著。为不同配合比MPC基体在水化3d时所取终止水化硬化体粉末分析得到的XRD图谱。

　　MPC基体的XRD图由可知：3种MPC试样主要特征峰的位置基本致，即均为主要水化产物MgKP4.6H2O（MKP）和未水化的MgO的特征峰，但各种试样的MKP主特征峰的峰强度有明显差异。其中空白MPC基体试样M1的峰强度较高（229），含水玻璃的MPC基体试样M2和含粉煤灰MPC基体试样M3的峰强度（150和123）明显低于空白MPC试样M1，说明其水化产物的结晶程度较差。

　　为3种不同MPC基体在水化3d后硬化体试样的SEM图。由可知：在空白MPC基体试样M1断面，柱状的水化产物晶体生长得大而完整，晶体紧密地堆积在一起，水化产物晶体间有一些裂缝；在含水玻璃的MPC基体试样M2断面，水化产物晶体互相搭结、交错在起，形成网状结构，其中还分布着无定形水化产物，与空白MPC基体试样的SEM图相比较，由于水玻璃作用，其硬化体结构中水化产物晶粒明显变小，结构更加致密；含粉煤灰的MPC试样M3断面晶体状以及无定形状水化产物紧密的粘结在一起，一些球状FA颗粒填充在水化产物中间并与周围水化产物较好地结合在一起，球状颗粒边界处没有明显的缝隙，结构较为致密。

　　空白MPCWt样（b）含水班SMPC试样⑷粉煤灰的MPC基体SEM图MPC浆体中的碱组份死烧氧化镁和酸组份KH2PO4会发生酸碱中和反应，其主要反应产物磷酸钾镁水化物（MKP）会通过物理聚集形成聚合物网络结构，它是MPC体系产生胶凝性能的根源；MKP有晶体态和无定形态两种，无定形态MKP趋于形成有序结构，为MPC体系产生胶凝作用的主要原因11.掺少量水玻璃使MPC浆体的流动性增大，易于浇注成型和密实，玻璃纤维筋与MPC基体的界面缺陷减少；在MPC水化体系中，水玻璃的主要成份硅酸钠会参与水化反应生成水合硅酸镁凝胶，且填充于水化产物中，使MPC硬化体结构更加致密12，其中的玻璃纤维筋的拉拔力提高。掺适量FA虽然会减小MPC浆体的流动性，不利于成型密实，但在含适量FA的MPC水化体系中，FA有一定的活性，其中的无定形Si2可部分溶解于磷酸盐溶液起到胶凝物质的作用M，FA球形颗粒分布在水化产物之间，填充水化产物之间的毛细孔，使MPC硬化体的孔径细化和总孔隙率降低H，MPC硬化体的结构更加致密，对玻璃纤维筋的胶结作用增强，使玻璃纤维筋拉拔力提高。综上，建议优先采用掺水玻璃的MPC基体。

　　2.3处理方式对纤维筋拉拔力的影响选用含水玻璃的MPC基体M2，试验测定了不同处理方式对埋入MPC基体中的纤维筋拉拔力的影响（纤维筋埋置长度仍为15mm，基体龄期为3d），试验时均为纤维筋拔出破坏，相应的拉拔力见表3，A1对埋入MPC基体中的纤维筋未经任何处理，但裸露部分的纤维筋已浸涂了无机胶，以防试件受力时纤维筋首先被拉断。由表3可知：拔出破坏时的拉拔力随纤维筋股数的增加而提高，但两者之间并不呈正比关系；纤维筋表面处理方式对其拉拔力有着显著影响，A1处理的玻璃纤维筋拉拔力*小，A2和A3的拉拔力大小相当，略高于A1的拉拔力；A4的拉拔力*大，这说明该种处理方式明显提高玻璃纤维筋在MPC基体中的拉拔力。

　　表3不同处理方式纤维筋在MPC基体中的拉拔力N玻璃纤维筋组合单束玻璃纤维筋二束玻璃纤维筋合股三束玻璃纤维筋合股为经不同方式处理的玻璃纤维筋与MPC基体粘结界面的SEM图。对于A1处理的玻璃纤维筋，其外侧纤维与MPC基体之间形成较好粘结面，但由于MPC浆体的渗透性有限，仅少量MPC浆体渗入纤维筋内部，纤维丝间存在较多空隙（见a）；对于A2处理的玻璃纤维筋，其与MPC基体界面粘结紧密，环氧树脂渗入纤维筋内部，将纤维丝牢固地粘结在一起（见b）；A4处理的玻璃纤维筋与MPC基体界面粘结紧密，纤维丝被牢固的粘结在一起，附在纤维筋表面的MgO粉与MPC基体材料粘成一体（见c）；d为A4处理的玻璃纤维筋表面及MgO粉未的SEM图，可以看出玻璃纤维筋表面的MgO粉已参与了MPC基体的水化反应，在MgO粉表面有晶体状的水化产物产生。分析表3和的结果，其机理为：用掺适量MgO粉的无机胶浸涂玻璃纤维时，渗透性强的无机胶很容易渗入纤维筋内部，渗透性差的MgO粉则主要沉积于纤维筋表面；将经处理的玻璃纤维筋埋入MPC基体中，基体中磷酸盐会与纤维筋表面的MgO粉发生酸碱中和反应，生成具有胶凝性的磷酸钾镁水化物，MPC基体与玻璃纤维筋的界面产生了物理吸咐和化学胶结两种作用，结果使玻璃纤维筋的拉拔力大幅度2.4埋置长度对玻璃纤维筋拉拔力的影响表4为埋置长度对经A4方式处理的二束合股的玻璃纤维筋在含水玻璃MPC基体M2中的拉拔力影响，同时给出了相同埋置长度的未经处理的玻璃纤维筋在环氧树脂基体中的拉拔力。由表5可知：龄期相同时，玻璃纤维筋在MPC基体中的拉拔力随埋置长度增加而逐步提高，当埋置长度达到定长度时，拉拔力达到玻璃纤维筋的*大拉力，玻璃纤维筋被拔断；随着龄期延长，相同埋置长度的玻璃纤维筋的拉拔力提高，且被拔出的玻璃纤维筋的埋置长度逐步缩短。由于短龄期（3d）环氧树脂基体的抗拉强度低，拉拔试件均为基体拉断破坏；7d时环氧树脂基体抗拉强度提高，埋置长度10mm的玻璃纤维筋被拔出，其余仍为基体拉断破坏；28d时环氧树脂基体抗拉强度进一步提高，埋置长度10mm的玻璃纤维筋被拔出，但拔出力增大。综上，玻璃纤维筋在MPC基体中的拉拔力高于在环氧树脂基体中的拉拔力。

　　表4玻璃纤维筋埋置长度对拉拔力的影响基体材料龄期/拉拔力/N含水玻璃环氧树脂注：表示纤维筋拉断破坏；※表示基体拉断。

　　3结论玻璃纤维筋的处理方式对其轴向拉力以及在MPC基体中的拉拔力有显著影响。自制无机胶能较好地渗入玻璃纤维筋内部，将纤维丝粘结在一起，其对玻璃纤维筋的轴向拉力和在MPC基体中的拉拔力的增强作用非常明显，与环氧树脂浸润剂效果相当。

　　无机胶中掺入适量MPC的原材料一死烧氧化镁粉，用来处理纤维筋；由于粘附于玻璃纤维筋表面的MgO粉与MPC基体中的磷酸盐发生酸碱中和反应，玻璃纤维筋与MPC基体的界面存在物理吸咐和化学粘结作用，使得玻璃纤维筋的拉拔力显著增大。

　　掺适量水玻璃可改善MPC浆体流动性，且使硬化体结构更加致密，可提高其中的玻璃纤维筋的拉拔力；玻璃纤维筋埋置长度的增加以及MPC基体龄期的延长均可明显提高玻璃纤维筋拉拔力，且存在*佳的埋置长度使玻璃纤维筋的拉拔力以拔出破坏的形式达到*大；经优化设计的玻璃纤维筋在MPC基体中的拉拔力高于环氧树脂基体中的拉拔力。