摘要
磷酸镁水泥（MPC）具有快硬、早强的特点，常被用作机场跑道和路桥面铺装层快速修补材料，但其在外力作用下表现出明显的脆性，作为快速修补材料容易产生二次开裂，严重影响了MPC在实际工程中的推广应用。为了减少MPC因脆性带来的病害，本文参考传统高延性水泥基复合材料（HDCC）的设计理论，以MPC为基体，通过掺加国产PVA纤维制备高延性磷酸镁水泥基快速修补材料（HD-MPC），满足空气养护6h后强度等级不低于C40、极限延伸率不低于0.50%、平均裂缝宽度不大于200μm。 由于MPC水稳定性差，本文研究了HD-MPC在水养条件下的力学本构关系，并通过微观性能表征宏观性能机理；设置空气养护和水中养护条件，分析养护龄期与HD-MPC材料变形之间的关系，评估HD-MPC作为路桥面铺装层快速修补材料的体积稳定性。本文主要完成的工作内容及结论如下： （1）通过调整M/P、硼砂掺量和粉煤灰掺量优选出凝结时间不小于10min的配合比。设置水胶比为0.30，当M/P为2～6时，M/P越大，MPC凝结时间越短；当硼砂掺量为0%~40%时，硼砂掺量越多，MPC凝结时间越长；基于凝结时间不小于10min的优选原则，设置水胶比为0.30，优选配合比为M/P=4，B/M=40%；M/P=3，B/M=30%～35%；M/P=2，B/M=25%～35%。当粉煤灰掺量在0%~60%范围内，MPC凝结时间均大于10min。 （2）基于凝结时间优选出的配合比，研究了粉煤灰掺量、养护龄期、水胶比及早强剂对材料抗压和抗折强度的影响。粉煤灰掺量为0%~60%，随着粉煤灰掺量增大，材料的抗压和抗折强度整体呈现降低的趋势，只有M/P=2，粉煤灰掺量为20%时材料的抗压和抗折强度最大；随着空气养护龄期的增加，材料的抗压和抗折强度均增大，调整适宜的水胶比和掺加早强剂均能较好的改善材料的抗压和抗折强度。基于强度不低于C40的优选原则，设置水胶比0.3，砂胶比0.3，优选M/P=2，B/M=25%，M/P=3，B/M=30%，粉煤灰掺量优选20%，优选早强剂为碳酸锂掺量3%，纤维体积掺量为2%。 （3）根据凝结时间、抗压和抗折强度试验优选出的配合比，研究了水胶比、砂胶比、碳酸钙掺量及减水剂掺量对材料立方体抗压强度的影响。基于优选强度不低于C40的原则，优选配合比为M/P=3，B/M=30%，FA=20%，碳酸锂掺量为3%，水胶比0.18，砂胶比1，碳酸钙掺量为0%，减水剂掺量为1.1%，PVA纤维体积掺量为2%，测试HD-MPC立方体抗压强度41.9MPa，测试HD-MPC拉伸性能，极限延伸率为1.10%，极限抗拉强度6.10MPa，平均裂缝宽度117μm，满足高延性要求。 （4）制备MPC净浆，从水化产物和微观形貌表征不同配合比对MPC微观性能的影响。MPC不同配合比主要水化产物均为MgNH4PO4?6H2O（鸟粪石），M/P=3生成的水化产物朝着一定的方向生长，密集的堆叠在一起，结构更加密实；M/P=2和M/P=4生成的水化产物结构较为疏松，在M/P=2时掺加适量的粉煤灰可以很好地填充孔隙；掺加3%的碳酸锂微观形貌更加密实，裂缝减少，水化产物形貌为棱柱体，表面无明显裂纹。 （5）研究了HD-MPC在不同水养龄期下的力学本构关系及微观机理。水养龄期在0~28d范围内，随着水养龄期的增加，HD-MPC峰值压应力、峰值压应变、极限抗拉强度、峰值弯曲荷载、剪切峰值应力及剪切峰值应变均先增大后减小，峰值挠度及极限延伸率先减小后增大；建立HD-MPC的抗压应力—应变、拉伸应力—应变和剪切应力—应变本构关系。根据差热—热重分析可知，随着水养龄期增大，HD-MPC中水化产物的含量先增大后减小，水养龄期不改变水化产物的类型；随着水养龄期增大，临界孔径和最可几孔径及孔隙率均先减小后增大，导致HD-MPC力学强度先增大后减小。 （6）研究了HD-MPC在空气养护和水中养护时的变形性能。随着龄期的增加，HD-MPC膨胀变形逐渐增加，其中在28d内线性膨胀率增加明显，超过28d线性膨胀率增加缓慢，建立了HD-MPC养护龄期与线性膨胀率之间的定量表达式。
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