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磷酸镁水泥 (MPC) 是由重烧氧化镁和磷酸盐为主要材料，外加缓凝剂（如硼酸 ,STP ）及矿物掺合料（如粉煤灰）等按照
一定比例混合，通过酸碱中和反应及物理作用而形成的新型胶凝材料 [1, 2] 。与传统波特兰水泥相比， MPC 优点如下 [3,4] : 快速
凝结硬化、早期强度高、粘结强度高、低温下凝结硬化快以及体积变形小。因此， MPC 主要被广泛应用于快速修复桥梁，
公路和机场跑道，放射性废物固化稳定等领域 [4-6] 方面。但是， MPC 水稳定性较差，阻碍了其进一步应用。
李东旭等 [7] 研究发现磷酸盐含量对磷酸镁水泥耐水性有重要影响 , 磷酸镁水泥中氧化镁与磷酸盐含量比值越高，耐水性
0 引言
入 窑 煤 粉 的 品 质（水 分 和 细 度）影 响 窑 炉 系 统 的运行 ，实际 生产 中某些 水 泥 熟 料 线 使 用 的 原 煤 内水偏 高，由 于煤 的内水 是 很 难 烘 干 的， 高 内 水 的煤粉 入窑严 重影 响烧成 系 统 热 耗 、 熟 料 质 量 和
系统的 稳定运 行。表 1 为 某 水 泥 熟 料 线 项 目 使 用 的煤样工业分析结果，原煤全水为 25%~35% ，内 水 6.2%~20% ，挥 发 分 38%~40% ， 为 高 水 份、 高
挥发份 煤样。 由于 煤的内 水 是 很 难 烘 干 的， 高 内 水的煤 粉入窑 严重 影响烧 成 系 统 的 稳 定 运 行。 本 文针对 这一问 题， 从多角 度 系 统 地 阐 述 煤 内 水 偏 高对 水 泥 熟 料 生 产 线 烧 成 系 统 的 影 响 。
表 1 某项目煤样工业分析 结果
样品
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/(kcal/kg)
最 大 值 35 20 3.5 38 - 0.1 5 200 - 最小值 25 6.2 10.2 40 43.6 1.10 6257 - 平均值 30 11.4 8.0 42.5 37.8 0.68 5 645 5 000
1 原 煤 中 水 份 分类 及 测 定 方 法 [1]
1.1 原煤中水份分类 1.1.1 按照结合状态
原 煤中的 水 份 根 据 其 结 合 状 态 ， 可 以 分 为 游
离态水和化合态水（ 即 结 晶 水） 两大类 。
（ 1 ） 游 离 水 是 以 物 理 吸 附 方 式 或 者 吸 着 方 式
与 煤 结 合 一 起 的 ， 一 定 条 件 下 比 较 容 易 脱 除 ；
（ 2 ） 化 合 水 是 以 化 合 方 式 同 煤 中 的 矿 物 质 结
合的水， 他 是 矿物晶格 的一 部 分，这 部 分水 较 难以
脱除 。 例如 高 岭土 （ Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O ）中的结 晶 水。
1.1.2 游离水按照其存在状态分类
分 为 外 水和 内 水 ， 实 际 工 业 生 产 中 ， 煤 的 工
业分析一 般只测 定游离水（ 即只测 定 外 水和内水）。
（ 1 ） 煤 的 外 水 ： 指 吸 附 在 煤 的 颗 粒 表 面 ， 这
部 分 水 份 不 在 毛 细 孔 中 ， 在 实 际 工 业 分 析 测 定 中 指 的是 分析 煤样 通 过破 碎 一 定 粒 度 后 ， 达 到 空 气 干 燥 状态（ 空 干 基 ） 失去 的 那部 分水。
（ 2 ） 煤 的 内 水 ： 煤 炭 颗 粒 内 部 有 大 量 的 毛 细
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管孔 ， 煤中 有部 分 水分 吸附 或 凝 聚 在 这 些 毛 细 孔 中， 即 使煤 样 达到 空 干 基 状 态 下 ， 这 部 份 水 任 然 不能脱 除掉 ， 依然 保留 下来 ， 称 这 部 分 水 为 煤 的 内水。
（ 3 ） 煤 中 的 外 水 和 内 水 之 和 即 工 业 分 析 中 煤
的全水分。
1.2 原煤中水分测定方法
煤中水分的 测 定实际 用的 是 间接 测 定 方 法 ， 即将已知 质量的煤样 放在 一定 温 度 下 干 燥至恒 重， 以煤样水分 蒸 发 后 质量 损失计算 煤的水分。
1.2.1 全水（ Mt 或 Mar ）
收 到 煤 样的 全 水 分 是 指 使 用 单 位 收 到 基 状 态 下 煤的水分， 称 为 收到基 水分（ 或 全水分），以 符号
Mar 或 Mt 表 示 。 测 定 方法如下：
（ 1 ） 煤样 粒 度 ： 6mm 左右 （ 收到基 煤样） ； （ 2 ） 试验 温 度 105~110 益 ；
（ 3 ） 通 过 加 热 至 恒 重 ， 根 据 前 后 质 量 差 值 计
算 出 煤中全水 含 量。
1.2.2 内水
在 一定 条件 下 ， 空 气 干 燥 煤 样 在 实 验 室 中 与 周围环境湿 度 基 本 平衡时所含 的水分，以 符号
Mad 表 示 。 测 定 方法如下：
（ 1 ） 煤样 粒 度 ： 0.2mm 左右 （ 空 干 基 煤样） ；
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越好 ; 赵江涛 [6] 将粉煤灰应用于磷酸镁水泥中，发现粉煤灰中的部分金属氧化物参与了反应 , 消耗了 MPC 浆体中的磷酸盐以及
粉煤灰的掺入细化了孔结构 , 有效填充了微细孔 , 降低了孔隙率，因此提高了粉煤灰的耐水性；杨建明等 [8] 研究 发现磷酸镁水
泥中掺适量水玻璃对磷酸镁水泥浆体有增稠作用，可减少水渗入量并降低磷酸盐溶解量，改善磷酸镁水泥耐水性。
硅粉已被广泛用于改善混凝土的性能，例如增加粘合强度（骨料 - 基质 / 混凝土 - 增强），耐磨性增加，渗透性降低，抗腐
蚀性增加化学品，增强钢筋在混凝土中的耐腐蚀性，以及由于碱 - 硅反应（ ASR ）现象引起的膨胀减少 [9-11] 。硅粉对波特兰水
泥性能的改善效果与以下机理有关 ; 孔径的加固和基质致密化，与游离石灰氧化钙进行反应，以产生额外的水化产物，以及
对水泥聚集体的界面细化 [9 ， 12] 。
虽然微硅粉已经被广泛研究改善波特兰水泥的性能，但是对于使用硅粉改善 MPC 的性质缺乏研究。本文将微硅灰作为
矿物掺合料加入 MPC 水泥砂浆中，研究其对磷酸镁水泥砂浆的改性效果，测试了凝结时间、水化热、不同龄期的强度和耐
水性能指标，并通过 XRD 和 SEM 对其改性机理进行了分析。
1 原材料与实验
1.1 原材料与配比
磷酸镁水泥由过烧镁砂、磷酸二氢氨和添加剂按一定比例配制而成（如表 2 所示），配制后的 MPC 可以像普通波特兰
水泥一样直接使用。
微硅粉： Elkem 提供，其二氧化硅的含量达到 92.4% ，其颗粒粒径约为 0.01-0.5um 。
表 1 为过烧镁砂和微硅粉的化学成分；表 2 为具体配合比；
细集料：粒径在 2.3mm-5.0mm 的破碎石英砂。
试验中使用的正磷酸二氢铵，三聚磷酸钠和硼砂均为江苏省吴江市精细化工厂提供的工业级原材料。
实验中固定水固比为 0.065 。
表 1 氧化镁，粉煤灰和微硅粉的化学组成
Table 1 Chemical compositions of magnesia, SF and FA
名称 MgO Al 2 O 3 SiO 2 P 2 O 3 CaO Fe 2 O 3 Na 2 O K 2 O SO 3 loss
过烧镁砂 91.7 1.3 4.0 0.11 1.4 1.3 -- -- -- --
微硅粉 0.27 0.8 96.5 -- 0.91 0.5 -- -- -- 1.02 粉煤灰 1.8 25.8 54.9 8.7 6.9 0.3 0.1 0.6 0.2
表 2 MAPC 砂浆配合比
Table 2 Mix proportions of MAPC mortar mixtures
Group Mix proportions Mass ratio
FA/MgO P/MgO S/M STP/MgO B/MgO
M SF
SF 0 100 0 1/3 1/3 4/5 6% 4% SF 2.5 100 2.5 1/3 1/3 4/5 6% 4% SF 5.0 100 5 1/3 1/3 4/5 6% 4% SF 7.5 100 7.5 1/3 1/3 4/5 6% 4% M is MgO, N H 4 H 2 PO 4 and FA ; FA is fly ash ; P is N H 4 H 2 PO 4 ;S is sand ; Water-solid ratio is 0.065; B is borax.
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1.2 试样制备与测试方法
首先按照比例将原材料进行称重混合，在搅拌机内干粉搅拌一分钟，再添加水搅拌三分钟。搅拌完成后立即将磷酸镁水
泥砂浆倒入绝热模具中（绝缘试模尺寸为 40mm× 40mm×40mm ），利用电子温度计每隔 10 分钟记录反应温度（环境温度 15
±2 ℃ ，相对湿度 60 % ±5% ）。
磷酸镁水泥凝结硬化较快而且初凝与终凝时间相隔较短，故使用维卡仪测定初凝时间作为凝结时间。按照《水泥胶砂流 动度测定方法》 (GB /T2491-2005) 测定砂浆的流动性。在 40 mm×40mm ×160mm 三联模中成型砂浆，分别养护在室温环境以
及水中，形成对比实验，探讨微硅粉对 MPC 水泥耐水性的影响。试样测试龄期分别为 1 h ， 1 d ， 7 d ， 28 d ， 90d 。利用 MTS
伺服液压试验机以 1 mm/min 的速度测量抗压强度和抗折强度，为保证结果的准确性，每组测试三块试块，然后根据《 GB/T
25181-2010 》进行数据数据处理。采用理学 D8 DaVinci 型 X 射线粉末衍射仪测定试样的物相成分 ; 利用美国 FEI 公司生产
Sirion 200 (SEM) 型扫描电镜对试样的形貌进行观察。
2 实验结果
2.1 凝结时间和小时强度
图 1 为不同微硅粉含量的磷酸镁水泥凝结时间和流动度曲线。图中 SF0 为不掺加微硅粉的基本组，其凝结时间与流动
度分别为 12.5min 和 245mm ，当微硅粉掺量分别为 2.5% ， 5% 和 7.5% 时，对应的凝结时间分别为 11.3 min ， 9.8 min 和 8.5 min ，
凝结间缩短不大。流动度随着微硅粉掺量增加也是呈现下降趋势的，其值分别为 218 mm ， 198 mm 以及 175 mm ，略微下降。
Seting Time Fluidity
280
260
35
SF0
SF2.5% SF5.0% SF7.5%
12
240
220
30
25
10
200
180
160
20
15
8
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0 2 4 6 8
The Content of SF(%)
0 10 20 30 40 50 60
