磷酸镁水泥是由烧结氧化镁与可溶性磷酸盐、外加剂以及矿物掺合料按照一定比例,在酸性条件下通过酸碱化学反应生成的以磷酸盐水化物为黏结相的新型无机胶凝材料。与其他无机胶凝材料相比,磷酸镁水泥具有凝结快、早期强度高、环境温度适应性强、与富钙类材料(石材、旧混凝土和人体骨骼等)及纤维的黏结性好、体积变形小、与水泥基材料性能匹配、耐磨、抗冻、抗盐冻剥蚀、护筋性好和pH值小等优点。可用于砼结构的修补和涂层、复合材料的基体材料、固化有害及放射性废料等方面。　　 磷酸镁水泥的水化反应实质上是以酸碱中和反应为基础的放热反应,其反应速度快,而反应放出的大量热量又进一步加快了体系的反应速度,若不采取缓凝措施,常温下几分钟内就会凝结硬化。因此,在磷酸镁水泥的制备技术中,凝结时间及其早期水化反应速度的有效控制是关键。国内外对其已有较多的研究,所采用的调控磷酸镁水泥凝结时间和早期水化反应速率的方法主要有调节氧化镁的活性和比表面积、控制磷酸盐量、掺加缓凝剂、冷却拌和用水和控制磷酸镁水泥浆体的pH值和氧化镁的溶解等,其中较有效的缓凝技术是加入缓凝剂硼酸盐。归纳已有研究成果,硼酸盐掺量少时缓凝作用不明显,掺量多时对磷酸镁水泥的后期强度及其耐水性均有不利影响。磷酸镁水泥的快凝问题已成为其生产和应用研究的严重障碍,选择更为有效的调控磷酸镁水泥凝结时间及其早期水化反应速率的方法且对其主要性能无不利作用,是磷酸镁水泥生产和应用所必须解决的问题。　　 虽然磷酸镁水泥基材料有诸多优良特性,但对磷酸镁水泥基材料水稳定性的质疑限制了其在长期潮湿环境及其水环境的应用。相关研究采用加入了硅溶胶、纤维素等化学添加剂和粉煤灰、无机骨料等矿物添加剂改善磷酸镁水泥基材料的水稳定性;由研究结果可知,其改善效果有限,且部分化学添加剂对磷酸镁水泥的其他性能有副作用。已有研究亦证实:以磷酸二氢钾作为酸组份的磷酸钾镁水泥硬化体在水养条件下28 d抗压强度倒缩较大,水稳定性较差。到目前为止,尚未研究出好的磷酸镁水泥水稳定性控制技术。材料的水稳定性是其耐久性的根本,研究磷酸镁水泥的水稳定性控制技术及其机理,具有一定的现实意义。　　 本文围绕磷酸镁水泥凝结时间和水稳定性这二个中心问题,结合磷酸镁水泥的自身特点、磷酸镁水泥的研究进展、各种添加剂的特性和功能、磷酸盐水泥相关理论,系统开展磷酸钾镁水泥凝结时间和水稳定性控制技术及其机理的研究。通过一系列系统试验和分析,提出了硼砂对磷酸钾镁水泥缓凝作用的新机理,研制了包含多种功能组份的复合缓凝剂,揭示了含复合缓凝剂的磷酸钾镁水泥的缓凝机理;研究了优化配比、掺化学添加剂和矿物添加剂改善磷酸钾镁水泥早期水稳定性的作用效果,设计出具有良好水稳定性的磷酸钾镁水泥的最佳配比和添加剂掺量;揭示了优化配比和掺添加剂改善磷酸钾镁水泥水稳定性的机理。论文取得的主要研究结论和创新性成果包括以下几方面:　　 (1)提出了硼砂对磷酸钾镁水泥缓凝作用的新机理　　 鉴于已有研究对磷酸镁水泥的缓凝机理存在争议、且缓凝剂对磷酸铵镁水泥和磷酸钾镁水泥的缓凝作用效果存在差异,本文首先系统研究了硼砂对磷酸钾镁水泥水化硬化性能的影响,全面的分析了硼砂对磷酸钾镁水泥的作用,提出了磷酸钾镁水泥的缓凝新机理。即硼砂对磷酸钾镁水泥的缓凝作用可归结为生成保护膜、降温和调节pH值,其中生成保护膜、降温对控制磷酸钟镁水泥的凝结时间起正作用,调节pH值对控制磷酸钾镁水泥的凝结时间起正反两种作用。当硼砂含量不同时,不同作用起主导,造成的缓凝效果亦不同。　　 (2)研制的多功能复合缓凝剂有效的控制了磷酸钾镁水泥浆体的凝结时间　　 以硼砂对磷酸钾镁水泥的缓凝新机理为基础,本文尝试复掺添加剂的技术路线,研制的复合缓凝剂有效控制了磷酸钾镁水泥浆体的凝结时间。复合缓凝剂中包含三种功能组分。其中保护膜功能组分生成的保护膜可阻挡镁离子与磷酸根的接触,降温功能组分可降低磷酸钾镁水泥浆体的初始温度并吸收部分水化热,阻溶功能组分可使磷酸钾镁水泥反应体系的初始总磷浓度降低且可调节磷酸钾镁水泥水化体系的pH值。通过调整复合缓凝剂中几种功能组分的配比,可使磷酸钾镁水泥浆体的凝结时间延长20～180 min。含复合缓凝剂的磷酸钾镁水泥硬化体的28 d抗压强度可增加50％以上。　　 (3)揭示了复合缓凝剂对磷酸钾镁水泥的缓凝机理和对其硬化体微观结构的作用机理　　 复合缓凝剂可减少磷酸钾镁水泥水化体系液相中的反应离子浓度且调节其pH值,导致磷酸钾镁水泥水化体系液相的水化反应速率减慢甚至停止,从而达到缓凝目的。由于复合缓凝剂的作用,磷酸钾镁水泥水化体系的水化过程存在两个放热峰和一个诱导期,水化反应初期的最大放热速率不到含单组份硼砂的磷酸钾镁水泥水化体系的三分之一,且总放热量降低得多。由于磷酸钾镁水泥水化体系的早期水化反应速率减慢,水化产物品体得以完好生长且稳定性较好。生成的水化产物逐步填充结构孔隙,使硬化体结构越来越致密。由于水化过程水化热温和释放且总放热量较低,水化过程水份蒸发量少,较多的水参与水化反应且生成多结晶水的磷酸钾镁晶体,水化过程中水化产物的生成量高于单含硼砂的磷酸钾镁水泥水化体系。上述因素均使含复合缓凝剂的磷酸钾镁水泥硬化体结构更完善,抗压强度显著提高。　　 (4)通过优化配比和掺添加剂有效改善了磷酸钾镁水泥的早期水稳定性　　 存在最佳的酸碱比例,使磷酸钾镁水泥硬化体有较高的抗压强度和水稳定性。由于复合缓凝剂能较好的控制磷酸钾镁水泥浆体的凝结时间,磷酸钾镁水泥组成中MgO的比例可大幅度提高,进而改善了磷酸钾镁水泥硬化体的早期水稳定性。水灰比对含复合缓凝剂的磷酸钟镁水泥硬化休的水稳定性影响不明显,但对磷酸钾镁水泥硬化体的抗压强度影响显著,存存最佳的水灰比,使硬化体的后期抗压强度较高。掺适量化学添加剂水玻璃的磷酸钾镁水泥硬化体的早期水稳定性显著提高,浸水养护越早,改善水稳定性的作用效果越明显。在含复合缓凝剂的磷酸钾镁水泥中掺适量矿物添加剂粉煤灰替代部分MgO,可显著改善磷酸钾镁水泥硬化体的水稳定性。上述措施使磷酸钾镁水泥的早期水稳定性达到了水硬性胶凝材料的要求。　　 (5)揭示了磷酸钾镁水泥水稳定性的调控机理　　 设计最佳的酸碱比例可使磷酸钾镁水泥硬化体结构中未反应的MgO内核形成较好的中心质叠加效应,生成的水化产物足够包裹MgO颗粒表而和填充孔隙,磷酸钾镁水泥硬化体的结构致密,水养护条件下硬化休的结构缺陷少,水份不易渗入,早期水稳定性提高。水玻璃对磷酸钾镁水泥硬化体有填充堵实毛细孔作用,使硬化体中有害大孔含量减少,且使硬化体中水化产物的品粒明显变小,结构更加致密,水养条件下磷酸盐及水化产物的流失量减少,硬化体的早期水稳定性明显提高。粉煤灰中球形颗粒本身有较高的强度,作为微集料填充于粒径较料的MgO颗粒中间,与未水化的MgO内核形成较好的级配搭配,使中心质叠加效应增强。粉煤灰球形颗粒分布在水化产物之间,填充水化产物内部孔隙,改善了磷酸钾镁水泥硬化体的孔结构,使硬化体的结构更加致密,水养护条件下,硬化体致密的结构使水份不易渗入,磷酸盐以及水化产物的溶解减少,早期水稳定性提高。