低温养护下水泥砂浆早期强度增长试验研究

樊海军，李洋波，李　阳，李艳香，谢　璐，张　娟

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002)



低温养护下水泥砂浆早期强度增长试验研究

樊海军，李洋波，李阳，李艳香，谢璐，张娟

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002)

试验研究了恒定低温养护条件下，水泥砂浆早期抗折强度和抗压强度的增长规律。试验遵照相关试验规程，制作同一批次40 mm×40 mm×160 mm水泥砂浆试件，试件分别在-15、0、5、20 ℃恒定低温条件下养护；养护到一定设计龄期，用标准试验方法进行抗折、抗压试验，对获得的试验结果进行整理，得到水泥砂浆早期抗折、抗压强度增长过程曲线。并参照其他学者的试验结果，对低温养护下水泥砂浆的早期强度增长规律进行分析。

水泥砂浆；低温养护；抗折强度；抗压强度

0　引　言

随着水电能源开发的重心向严寒地区转移，水工混凝土施工的环境温度经常处于低温、负温及正负温交替状态。由于混凝土自身的复杂性，新浇混凝土强度发展受环境温度的影响很大。低温下混凝土的力学性能直接关系到建筑物的实际承载力及安全状况[1- 2]，对低温混凝土力学性能的研究已经受到国内外大量研究人员和工程设计人员的广泛重视。通过试验方法研究高寒地区持续低温情况下混凝土强度增长的规律，成为一大研究热点。例如，J.D McIntosh[3]指出混凝土在早期低温养护相比高温养护可以达到较低的早期强度和较高的后期强度；Kefeng Tan[4]和Metro Husem[6]研究表明养护温度对普通混凝土的抗压强度影响显著，但对高性能混凝土没有明显影响；Jin-Keun Kim[5]研究表明低温养护时混凝土早期抗压强度较低，但后期几乎与标准养护时相同；Jin-Keun Kim[7]指出养护温度越高混凝土早期抗压和劈裂抗拉强度越大，但后期抗压和劈裂抗拉强度较低；庄丽辉[8]和赵芸平[9]研究指出冬期混凝土强度在0 ℃以下也有缓慢增长，增长与龄期的关系不确定性较大，与成熟度呈明显的对应关系；张润潇等[10]对低温下混凝土的劈裂抗拉强度、抗压强度变化规律进行了试验研究，认为养护温度对混凝土早期抗拉强度影响尤为明显，60 d龄期内，不同养护温度下的混凝土，随着龄期的增长，温度造成其强度的差值逐渐增大。

很多学者对低温混凝土的力学性能进行了相关研究，而低温养护对水泥砂浆的早期力学性能影响的研究相对较少。而砂浆是混凝土的重要组成部分，砂浆不仅起到包裹混凝土中粗骨料的作用，还有效填充粗骨料间的空隙[11]，因此影响水泥砂浆早期力学性能的因素直接影响着混凝土的力学性能。为此，笔者以水泥砂浆为研究对象，设计了低温养护对水泥砂浆早期力学性能影响的试验，来验证文献[10]中低温养护对混凝土早期强度发展的影响。

1　试验设计

在低温养护条件下，以温度和龄期作为变量，对水泥砂浆的力学性能参数(抗压强度、抗折强度)变化规律进行试验研究。制作20联 (每联3条，共计60条)40 mm×40 mm×160 mm水泥砂浆标准试件。设计养护温度为普通低温(0、5 ℃)、负温(-15 ℃)和标准养护温度(20 ℃)，设计龄期为3、7、14、28、60 d，每组制备15个试件，每组每个龄期取出3个试件，用标准试验方法进行抗折、抗压试验。

本试验采用三峡牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥，厦门艾思欧公司生产的中国ISO 标准砂，水泥砂浆拌和及养护用水采用普通自来水厂饮用水。

2　试验过程

2.1抗折试验

2.1.1试件制备

本试验所有试件按照统一配合比制备，且试件均为同一批制备。试件采用灰砂比为1∶3，水灰比0.5。即每成型3条试件需：水泥(450±2) g，中国ISO标准砂(1 350±5) g，水(225±5) ml。

水泥砂浆搅拌依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》[13]采用行星式胶砂搅拌机搅拌。先加水再加水泥，安放搅拌锅后开动机器，低速搅拌30 s，在第2个30 s开始的同时均匀地加入标准砂，再高速搅拌30 s，停拌90 s，最后高速搅拌搅拌60 s。各个搅拌阶段的时间误差应在±1 s以内。

将三联试模擦净、涂黄油、紧密装配。试件制备后立即用胶砂振实台成型，将三联试模固定在振实台上，用铁勺从搅拌锅内将胶砂分2层装模。装第1层时，每个槽里加入约300 g胶砂，用大拨料器刮平，立即振实60次；再装入第2层胶砂，用小拨料器刮平，再振实60次。移走模套，从振实台上取下试模，水平放置，用一个金属直尺以近似90°的角度架在试模模顶的一端，沿试模长度方向缓慢向另一端移动，一次将超过试模部分的多余胶砂刮去；用同一直尺以近似水平的角度将试件表面抹平。各个操作应满足规范要求。

2.1.2试件养护

将成型好的试件连模放入恒温恒湿标准养护箱内，在温度为(20±1)℃、相对湿度不低于90%的条件下养护24 h后脱模。脱模后，在试件上贴上标有设计养护温度与养护龄期的标签，标签编号时将每个三联试模中3条试件编在至少2个不同的龄期内。

试件脱模后的养护：①标准养护。将做好标记的试件立即竖直放入养护池中，养护水温为(20±1)℃，试件间隔和试件上水深应不得小于5 mm。每2周换一次养护水，在养护期间不允许全部换水。②低温养护。本试验采用SIENENS KK28A4650W冰箱作为低温养护箱，其冷冻室总容积为260 L，设有3个储藏室，温度可控范围-20～15 ℃。将做好标记的试件水平放入相对应的低温冷冻室中，养护温度分别为-15、0、5 ℃，水平放置时刮平面应朝上，试件之间留有空隙。养护期间在冷冻室内放置广口盛水容器以保证冷冻室维持一定湿度。

2.1.3试验加载与记录

所有试件养护到相应的设计试验龄期后取出，试件取出后应迅速进行试验。试验以试件受室温影响最小为原则在常温室内进行。试件于试验前15 min从水中和冷冻室各取出3条，试件取出后放在不同的保温桶内保存至进行试验。

抗折试验采用双杠杆式电动抗折试验机。将试件安放到试验机上的抗折夹具内，使试件侧面与试验夹具上圆柱接触。调整夹具使杠杆在试件破坏时尽可能接近平衡位置。开动试验机启动按钮，以(50±10)N/s匀速加荷，直至试件被折断。记录抗折破坏荷载P和抗折强度ff。

2.2抗压试验

抗压试验的试件采用相对应养护温度和养护龄期的抗折试验的3条试件折断后得到的6个断块。

抗压试验采用YAW- 300型全自动标准水泥压力试验机，试验机配套专用抗压夹具使试件的受压面积为40 mm×40 mm。根据相关试验规程[12- 13]的要求，抗折试验折断的6个断块试件保持潮湿状态，立即进行抗压试验。试验前，清除试件受压面与抗压夹具加压板间的砂粒杂物，并将试件的底面紧靠在抗压夹具上的定位销。断块露出上加压板外的部分应不少于10 mm。

在整个加压过程中，应使抗压夹具位于压力机承压板中央。开动抗压试验机，以(2.4±0.2﹚kN/s的速率连续均匀加荷，直至试件被破坏。记录最大抗压破坏荷载P′。

3　试验结果与分析

本试验的抗折、抗压强度的试验结果是确定砂浆强度、质量的重要依据。本试验测定与得到：①每批砂浆试件的抗折强度和抗压强度；②标养、低温养护条件下砂浆的强度增长曲线。

3.1抗折试验

3.1.1试验结果

砂浆抗折试验计算公式为

ff=3PL/2bh2=0.002 34P

(1)

式中，P为抗折破坏荷载，N；L为抗折支撑圆柱中心距，L=100 mm；b、h分别为棱柱体正方形截面的边长，均为40 mm。根据相关试验规程，取每组3条试件的抗折强度测定值的算术平均值作为试验结果。当3个测定值中有一个超过平均值的±10%时，舍去该值，取其余2个测定值的平均值作为抗折强度试验结果，计算结果精确至0.1 MPa。

3.1.2结果分析

水泥砂浆试件强度的产生主要是通过水泥的水化实现的。养护温度对水泥的水化作用影响显著，温度越高，水化速度越快，反之则变慢。此外，养护环境的湿度也是影响水泥水化的重要因素。本试验中除标准养护条件外，各养护箱湿度基本相同，故养护温度与养护龄期构成了影响水泥水化的2个变量。

整理后的试验结果见表1。不同养护温度时龄期与抗折强度关系如图1所示。从图1可知，①标准养护(20 ℃)试验组砂浆的抗折强度随着龄期增长显著增加。普通低温养护(0、5 ℃)试验组砂浆的抗折强度增长规律，除个别差异外，基本与标准养护时相同。这3组试件的抗折强度与水泥的水化程度相关，在14 d以前抗折强度发展较快，14 d以后发展变缓。②在相同龄期内，除负温(-15 ℃)试验组外，砂浆的抗折强度随着养护温度的升高而增加。③在标准养护条件下，试件养护3d的抗折强度可以达到28 d抗折强度的63.3%，养护7 d的抗折强度可达28 d抗折强度的73.3%；而在5 ℃养护条件下，3 d与7 d的抗折强度只能达到标准养护28 d抗折强度的56.7%和71.1%；在0 ℃养护条件下，3 d与7 d的抗折强度只能达到标准养护28 d抗折强度的52.2%和68.9%。这表明低温养护会降低砂浆早期抗折强度。④在28 d龄期时，负温(-15 ℃)和低温(0、5 ℃)试验组的抗折强度分别为标准养护试验组的137.8%、95.6%、97.8%；在60 d龄期时，0 ℃试验组的抗折强度与5 ℃试验组抗折强度相当，为标准养护试验组同龄期抗折强度的98.9%。这表明低温养护在28 d龄期以后影响相对较小。⑤负温养护 (-15 ℃)试验组砂浆的抗折强度表现出不规律性，3 d的抗折强度已达到11.3 MPa，28 d的抗折强度为12.4 MPa，其他龄期测得的抗折强度并不表现出随着龄期增长而逐渐增长的趋势；该组砂浆的抗折强度均大于标准养护试验组相应龄期的抗折强度。可以判断砂浆在-15 ℃养护时，其抗折强度不仅取决于水泥的水化程度，更多是由于内部孔隙水在负温下结冰，而冰与多孔材料(如砂浆)之间的黏结强度较大[14- 15]，导致负温养护时的抗折强度均大于其他试验组相应龄期的抗折强度。负温养护时各龄期时试件内部水的结冰程度可能有差异，故该组试件测得的抗折强度随龄期表现出不规律性。

表1不同养护温度下砂浆的抗折强度

龄期/d抗折强度ff/MPa-15℃0℃5℃20℃311.34.75.15.778.66.26.46.61410.67.47.57.82812.48.68.89.06010.99.69.69.7

图1　不同养护温度时龄期与抗折强度关系

3.2抗压试验

3.2.1试验结果

砂浆抗压试验计算公式为

fc=P′/A=0.625P′

(2)

式中，P′为最大抗压破坏荷载，kN；A为试件的受压面积，即40 mm×40 mm=1 600 mm2。根据相关试验规程，取6个断块的抗压强度测定值的算术平均值作为试验结果。6个测定值有1个超过算术平均值的±10%时，舍去该值，取其余5个的算术平均值作为抗压强度试验结果；若5个测定值中再有超过平均数±10%时，则此组结果作废，计算结果精确至0.1 MPa。

3.2.2结果分析

整理后的试验结果见表2。由表2可知，在相同龄期内，砂浆的抗压强度随养护温度的升高而增加；但不同龄期下，这种强度的差异有所不同。0 ℃试验组的抗压强度在3 d和7 d时均小于5 ℃试验组测得的抗压强度，但在14 d以后，基本赶上5 ℃试验组的抗压强度。在相同龄期内，低温养护试验组的抗压强度均大于负温养护试验组的抗压强度；均小于标准养护试验组的抗压强度。

表2不同养护温度下砂浆的抗压强度

龄期/d抗压强度fc/MPa-15℃0℃5℃20℃315.819.920.125.9714.828.028.732.21415.538.338.540.62814.443.743.645.96012.845.645.951.9

不同养护温度时龄期与抗压强度关系如图2所示，由图2可知，①标准养护、低温养护试验组砂浆的抗压强度随着龄期增长显著增加。3组试件的抗压强度在14 d以前增长较快，14 d以后增长变缓。在标准养护试验组，砂浆试件养护3 d的抗压强度为28 d抗压强度的56.4%，7 d的抗压强度为28 d抗压强度的70.2%。本试验数据基本在文献[10]所给出的抗压强度3 d可达28 d的45%～50%，7 d可达28 d的60%～70%的范围内，因此本试验数据具有一定的可靠性。②负温养护试验组砂浆的抗压强度类似于抗折强度，表现出不规律性，在3 d的抗压强度已达到15.8 MPa，28 d的抗压强度为14.4 MPa，测得的抗压强度不随着龄期增长而增长；该试验组砂浆的抗压强度均小于标准养护试验组相应龄期的抗压强度。③5 ℃试验组在3 d与7 d只能达到标准养护28 d抗压强度的43.8%和62.5%；0 ℃试验组在3 d与7 d只能达到标准养护28 d抗压强度的43.4%和61.0%，这表明低温养护会降低砂浆早期抗压强度。

图2　不同养护温度时龄期与抗压强度关系

图3为不同养护温度下各个龄期砂浆的压折比。由图3可知，0、5、20 ℃养护下各个龄期的压折比为4～6，-15 ℃养护下各个龄期的压折比为1～2。0、5 ℃养护下的压折比均小于相应龄期标准养护下的压折比；-15 ℃养护在整个龄期内压折比变化不大，在28 d压折比最小，为1.2。这表明相比标准养护，砂浆在低温养护下的脆性普遍降低，负温养护时更为明显；在-15 ℃养护时砂浆达到最大抗折强度(28 d)时，其脆性最低，砂浆的综合性能达到最佳[16]。本试验数据符合文献[15]中孔隙水对超低温抗折强度的提高率大于其对抗压强度的提高率的观点。

图3　不同养护温度时龄期与压折比关系

4　结　论

本文针对养护温度与养护龄期对砂浆早期抗折强度和抗压强度发展的影响，进行了试验，得到以下结论：

(1)低温养护对水泥砂浆早期抗折强度影响显著，低温会降低砂浆早期抗折强度，低温养护在28 d龄期以后对砂浆抗折强度的影响相对较小。

(2)负温(-15 ℃)养护条件下砂浆的抗折强度表现出不规律性，抗折强度均大于其他试验组相应龄期的抗折强度。-15 ℃养护时，砂浆抗折强度不仅取决于水泥的水化程度，更多是内部孔隙水在负温下结冰形成的黏结力，使负温养护时砂浆的抗折强度有很大程度的提升。

(3)在0 ℃和5 ℃养护条件下，砂浆的抗压强度14 d以前增长幅度较大，14 d以后变缓；在60 d以内均小于标准养护各龄期的抗压强度。-15 ℃养护时，砂浆的抗压强度在3d以后几乎不随龄期增长而提高。

(4)在0、5、20 ℃养护条件下，各个龄期的压折比为4～6，-15 ℃养护下各个龄期的压折比为1～2。相比标准养护，砂浆在低温养护下的脆性普遍降低，负温养护时更为明显。

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(责任编辑王琪)

Experimental Study on Early Age Strength Growth of Low Temperature Curing Cement Mortar

FAN Haijun, LI Yangbo, LI Yang, LI Yanxiang, XIE Lu, ZHANG Juan

(College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Hubei 443002, Yichang, China)

The early age flexural strength and compressive strength growth patterns of cement mortar under isothermal low temperature curing are investigated by experiments. The testing method is in accordance with relevant test procedures. The cement mortar specimens of 40 mm×40 mm×160 mm are made in same batch and they are cured in the isothermal temperature environments of-15, 0, 5 and 20 ℃ respectively and to design age. Then, the flexural and compressive strengths are tested with standard testing method. By processing obtained test results, the early age flexural and compressive strength growth curves for different curing environments of cement mortar are obtained. Finally, the early age strength growth pattern of cement mortar under low temperature curing is analyzed with reference of other scholars’ experimental results．

cement mortar; low temperature curing; flexural strength; compressive strength

2015- 09- 06

樊海军(1989—)，男，湖北十堰人，硕士研究生，研究方向为水工混凝土数值计算、水利工程三维可视化仿真；李洋波(通讯作者)．

TU528.64

A

0559- 9342(2016)05- 0106- 05