镁质胶凝材料(Magnesium cementing material)是指以氧化镁为主要成分的一类无机气硬性胶凝材料。随着科学技术的发展,镁质胶凝材料现已发展成为包括氯氧镁水泥、硫氧镁水泥和磷酸镁水泥等多个种类的高性能胶凝材料的大家族,在建筑工程、防火工程、环境保护和医学邻域内有着广泛的应用。　　 针对混凝土建筑结构修补工程的需要,本文根据磷酸镁水泥和氯氧镁水泥的不同特性,分别将这两种镁质胶凝材料面向混凝土结构破损填充修补(patching)和混凝土结构加固修补(Strengthening)展开系统的研究。　　 论文首先在对磷酸镁水泥砂浆强度和凝结时间的研究基础上,综合考虑了修补工程实际应用的要求,确定了采用不同性能的重烧氧化镁作为原材料配制磷酸镁水泥的主要参数:接着,为了提高磷酸镁水泥的经济性和环保性,论文系统研究了掺加粉煤灰对于氯氧镁水泥性能的影响,分析了粉煤灰在磷酸镁水泥中的主要效应；然后,出于对被修补结构耐久方面的考虑,避免同一区域修补工作的重复开展,本论文对于磷酸镁水泥砂浆的耐久性进行了研究,包括对于修补能够长期耐久至关重要的干燥收缩性能、抗冻融循环性能、抗干湿循环性能以及在高温条件下磷酸镁水泥砂浆的力学性能等；论文还开展了利用磷酸镁水泥砂浆和在此基础上配制的磷酸镁水泥混凝土对大尺寸的、实际的建筑结构构件进行修补的应用研究。对于连续碳纤维增强氯氧镁水泥浆加固修补混凝土构件的研究,本论文在前人对于氯氧镁水泥研究的基础上,尝试了多种改性方法以增强氯氧镁水泥基胶材的渗透性,利用直接剪切的实验方法评估了改性氯氧镁水泥基胶材的性能,并建立受力分析模型,对于试件的受力过程和破坏形式进行分析。论文研究以宏观性能试验和微观分析试验相结合的方式,从制备、性能、机理和应用等方面对磷酸镁水泥基修补材料和氯氧镁水泥基胶材增强连续碳纤维加固修补技术进行了系统的研究,为镁质胶凝修补材料在结构修补邻域内的进一步推广和应用提供了试验依据和理论参考。　　 论文研究取得的主要成果分述如下:　　 对于磷酸镁水泥配比的研究可以看出,磷镁比对于磷酸镁水泥砂浆的强度和凝结时间有很大的影响。对于强度而言,采用不同性能的重烧氧化镁,磷镁比在1／1-1／9之间存在着不同的最佳值；对于凝结时间来说,随着氧化镁用量的提高,即磷镁比的下降,磷酸镁水泥砂浆的凝结时间则越来越短,甚至不可操作。因此,应针对重烧氧化镁的性能,包括纯度、活性和细度等方面,采用不同的磷镁比。同时,研究还表明,随着氧化镁活性的下降和用水量的提高,磷酸镁水泥砂浆的强度均随之下降。同时,过多的用水会造成磷酸镁水泥砂浆在其快速凝结过程中,少量的水分被挤压出试件表面,对于磷酸镁水泥砂浆的性能造成诸多负面影响。缓凝剂的掺加能够极大地延缓磷酸镁水泥的凝结时间,从而对强度发展造成负面影响。研究表明,当硼酸或硼砂的掺量大于5％后,对凝结的延缓程度继续增加效果不大。而5％的硼砂掺量和2％的硼酸掺量对于砂浆各龄期强度均无明显影响。同时,研究提出了一种很有可能的缓凝机理,即硼酸或硼砂在溶液中生成B(OH)4-离子能够捕获刚刚析出的Mg2+,暂时将其络合包裹,并存在于溶液之中,而不是形成对于氧化镁颗粒表面的包裹,从而降低了溶液中自由的Mg2+的生成速度,以达到缓凝的效果。同时,由于磷酸镁水泥浆体呈酸性,因此硅酸盐水泥适用的阴离子表面活性剂型减水剂对其的减水效果微乎其微。阳离子型表面活性剂与非离子型表面活性剂的吸附效果不受pH值影响,能够对磷酸镁水泥起到减水效果。研究指出了两种效果不错的非离子型表面活性剂Span-20与Tween-80。　　 粉煤灰对于磷酸镁水泥系统,存在着类似其在波特兰水泥中的活性效应、微集料效应和形态效应等三大效应。同时,由于粉煤灰对于磷酸根离子的吸附作用,在磷酸镁水泥体系中,粉煤灰还存在着新的效应。在磷酸镁水泥系统中粉煤灰的活性效应能够使粉煤灰中的铝、硅等元素与磷酸镁水泥硬化反应的主要产物KMgPO4·6H2O发生反应,生成含有铝、硅、镁、磷和钾等元素的无定形非晶态的复杂络合产物。同时,存在于磷酸镁水泥石中的未反应的氧化镁对这种效应的发挥有重要作用。在磷酸镁水泥系统中粉煤灰的微集料效应通过填充较大颗粒间的空隙,细化了孔结构,增加基体致密性,从细观角度限制水泥基材料的变形和开裂,提高了磷酸镁水泥基材料的性能。在磷酸镁水泥系统中粉煤灰的形态效应通过其较低的需水性和球形颗粒的润滑作用,能够减少磷酸镁水泥基材料的用水量,或改善浆体的工作性。由于粉煤灰对于溶液中的磷酸根离子的吸附作用,粉煤灰能够对磷酸镁水泥主要的硬化反应起到一定的缓冲作用,从而能够延缓水泥基材料的凝结,起到一定的缓凝效果。本研究分析了掺加了粉煤灰后的磷酸镁水泥系统主要硬化反应的过程,指出了粉煤灰在反应中的重要作用。　　 导致磷酸镁水泥砂浆干燥收缩的主要原因是由于内部自由水分的丧失。采用较高的水胶比会导致干燥收缩的增大。采用高活性的重烧氧化镁,增大了反应程度,减少了自由水分的存在,能够降低砂浆的干燥收缩。提高氧化镁用量则会降低其反应程度,增加了自由水分的存在,从而会增大砂浆的干燥收缩。粉煤灰的掺加通过物理和化学的方式改变了砂浆的孔结构,从而能够减小磷酸镁水泥砂浆的干燥收缩。缓凝剂的使用似乎会增加砂浆地干燥收缩。磷酸镁水泥本身拥有很好的抗冻融循环的能力。在掺加了粉煤灰以后,由于孔结构的进一步改善,使得水分向内部渗透更加困难,同时提供空间供冻液膨胀,其抗冻融循环能力大大提高。不掺加粉煤灰的磷酸盐水泥砂浆的耐水性有可能由于配比设计的原因存在一定的问题。大量未反应的重烧氧化镁存在于基体之中,遇水后有可能发生膨胀,导致水泥石开裂和性能下降。在掺加粉煤灰之后,由于氧化镁用量的下降以及粉煤灰对于材料结构物理和化学的改善作用,水分难于渗透而接触更多的氧化镁,提高了其耐水性能,从而在干湿循环条件下,性能仍能有所增长。掺加粉煤灰对于提高磷酸镁水泥砂浆的耐高温性能改善不大。高温下,砂浆试件的性能下降主要是由于反应产物脱水而导致结构酥松。在800-1000℃,磷酸镁水泥石会由于烧结而变得致密,强度能够有所回升。　　 本研究采用了优选的磷酸镁水泥修补砂浆和在此基础上配置的磷酸镁水泥修补混凝土,成功地完成了多个真实尺寸构建的修补。采用磷酸镁水泥修补砂浆修补的梁构件,在承载能力和变性能力方面均能够得到恢复,甚至超过梁的原有设计承载能力。对于真实的大尺寸的建筑构件,由于修补体积较大,出于经济方面的考虑,宜采用磷酸镁水泥修补混凝土进行修补工作。在修补前,需要对修补构件进行必要的处理,包括修补面的凿毛和润湿、钢筋除锈以及修补区域除尘等处理。采用磷酸镁水泥混凝土修补的梁与板构件均能够很好的恢复至受到破损以前的承载能力水平。修补界面粘结效果优良,在荷载作用下不会产生脱粘和滑移。　　 随着养护龄期的增长,氯氧镁水泥基胶材的性能有所提高,7d时基本能达到14d性能的95％。通过掺加一定量的硅灰可以提高氯氧镁水泥基胶材的性能,但是由于硅灰的分散问题,其掺加量并不是越多越好。与一定量的有机胶材复合,能够提高氯氧镁水泥基胶材的性能,随着有机胶材掺加量的增加,复合胶材的性能不断提高。有机胶材能够在氯氧镁水泥浆体中很好的分散,这是有机胶材发挥其作用的基础。增大氯氧镁水泥基胶材的用水量虽然能够提高浆体的流动性,但是并不能够提高其作为胶材的性能。FRP直接剪切实验受力模型的建立,从力学角度分析出,氯氧镁水泥基胶材性能不及有机胶材的根本原因是由于单片连续碳纤维织布层间粘结不够牢固,其极限剪切应力较小的缘故。