水泥胶砂强度检测关键因素实验综述报告

2021-09-10潘长春安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001

安徽建筑 2021年9期

潘长春（安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001）

0 引言

水泥是一种粉末状矿物胶凝材料，经水混合后发生系列物化过程，在水中凝结硬化，由浆体渐变成坚硬的石体，且可将砂石等材料胶结整体，是一种水硬性胶凝材料。强度是水泥的重要技术指标，水泥强度检测结果是否准确直接关系到水泥质量的评定，影响检测结果的因素有仪器设备、操作过程、检测环境和实验数据处理等方面，其中试件成型的入模刮平和养护环境的温湿度是两个关键因素。水泥强度测定参照国标《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）进行，本文依托于拥有CMA资质认证的安徽理工大学土木工程材料重点实验室。

1 实验要求及目的

①熟悉水泥胶砂制备和养护条件的要求，初步掌握基本配合比的方法；②熟悉实验筛、试件成型振实台和抗折、抗压试验机等仪器设备；③测定水泥胶砂试件抗折、抗压强度，评定水泥的强度等级；④培养精准处理和分析实验数据能力。

2 实验设备及条件

2.1 主要实验设备

行星式水泥胶砂搅拌机、水泥胶砂试体成型振实台、水泥抗折抗压强度试验机及抗折抗压夹具（图1）、实验筛、刮平直尺，播料器和三联胶砂试模等。

图1 水泥抗折抗压试验机及抗折抗压夹具

2.2 实验条件

标准砂：对标准砂作全面明确规定是困难的，因此在质量控制时使砂子与ISO基准砂比对标

准化是必要的；标准砂使用前应小心存储，不得受潮。ISO基准砂颗粒分布如表1。

ISO基准砂的颗粒分布表1

水泥：从取样至实验开始超24h时，应贮存在装满和密封容器里。

水：一般实验可用饮用水，争议时用蒸馏水或去离子水。

养护环境：实验室温度应在20℃±2℃，相对湿度≥50%；养护箱或雾室温度保持在20℃±1℃，相对湿度≥90%；养护池水温度应在20℃±1℃，试件间隙≥5mm，水面高出试件≥5mm。

3 实验步骤、检测方法及要点

3.1 试件制备步骤及要点

步骤：首将试模擦净，涂黄油，紧密装置，用湿布擦干净搅拌锅；按ISO法胶砂配合比（水泥：标准砂=1：3，水灰比为0.5，质量为：水泥450±2g，标准砂1350±5g，水225±1L），先把水加锅里，再加水泥，固定搅拌锅；然后启动胶砂搅拌机，低速搅拌30s后，再用30s将标准砂均匀加入，高速再拌30s，停拌90s，继续搅拌60s后，将胶砂分两层入模，第一层时，振实60次，第二层，再振实60次；振实完毕，取下试模，刮平，标记放入养护箱或雾室养护；脱模时，龄期≤24h的，在实验前20min内脱模；龄期≥24h，在成型后20～24h脱模，按龄期养护。

要点：装第一层时，每个槽内约放300 g胶砂，用大播料器沿每个槽来回1次将料层播平，振实60次；入第二层胶砂，用小播料器播平，振实60次；要确保每个模槽先后加入物料相等，从而保证3个模槽的振实状态完全相同。刮平以近似90°的角度一次将超过试模部分的胶砂刮去，并抹平但不要过度，用力要稳准均匀，避免后部胶砂被粘连带走，形成尺寸缺陷。

3.2 检测方法及要点

抗折强度检测：按龄期测定强度，实验前30min取试件，用湿布擦拭表面，置5-10分钟，再入夹具内，启动抗折试验机以（50±10）N/s的速度进行加荷，直至试件折断，记录破坏荷载（N）或抗折强度（MPa）.

抗压强度检测：将抗折后的6个断块分入抗压夹具，使夹具对准压力机压板中心，启动抗压试验机，以（2400±200）N/s的速度均匀加荷至破坏，记录破坏荷载（N）。

要点：检测时，抗折试验机调零带试件调整，消除本身重量引起误差；抗压试验机调零在活塞上升适当距离后进行，消除活塞和夹具重量引起误差，压力机球座要能自由调节，保证试件与压板紧密接触，受力均匀；夹具要求上下对正，适时调整。

4 关键影响因素实验

4.1 试件制作

由于养护环境、人员操作和检测设备等因素的存在，为了研究试件成型不同入模刮平操作和养护环境温湿度改变下对水泥胶砂强度的影响变化规律，根据水泥砂浆实验模型的制作理论，试件尺度为长160mm、宽40mm和高40mm，材料包含普通硅酸盐水泥（P.O42.5）、标准砂及水，按照ISO标准法的配合比配置，分层浇筑振实养护成型。

4.2 实验方案及结果

测试龄期为3d、7d和28d的水泥胶砂强度，图2中强度数据是根据实验记录或经检测数据由公式换算而来，数据处理按照ISO标准要求进行（限于篇幅不再赘述），单位均为MPa，用f1、f2、f3和R1、R2、R3依次表示三种龄期抗折、抗压强度。

项目一：主要考虑成型过程中入模刮平操作因素对水泥胶砂抗折、抗压强度的影响规律，入模刮平操作分三种方法依次为：①首层入摸胶砂过多，第二层过度抹平；②符合ISO标准法要求；③首层入摸胶砂过少，第二层未抹平。在不同入模刮平操作下水泥胶砂强度曲线如图2。

图2 不同入模刮平操作下水泥胶砂强度数据变化图

项目二：主要考虑养护环境中温湿度因素对水泥胶砂抗折、抗压强度的影响规律，养护箱环境分三种情况依次为：①温度湿度偏高（温度25℃，湿度99%）；②符合ISO标准法要求（温

20℃，湿度90%）；③温度湿度偏低（温度15℃，湿度50%）。在不同养护箱温湿度环境下水泥胶砂强度曲线如图3。

图3 不同养护箱温湿度下水泥胶砂强度数据变化图

4.3 实验分析

目前应用较多是ISO标准法进行检测，来保证水泥质量。本文着重考虑试件成型入模刮平操作和养护环境温湿度发生变化情况下，对水泥胶砂强度的影响，为了能够更加直观地观察关键因素的影响，选定了3组特殊情况做规律分析。

项目一图2给出了不同入模刮平操作下水泥胶砂强度数据情况，从图2(a)中对比可以明显看出：龄期3d的抗折强度三种方法依次降低，其最大值为5.8MPa，最小值为2.6MPa；前两种方法均满足水泥胶砂强度≥3.5MPa的要求，其值较接近；第一种最大是因为首层入模胶砂多，第二层胶砂相当于提前部分入模，增加振动次数，提高了抗折强度。龄期7d和28d的抗折强度第二种最大，第三种依然最小；龄期28d前两种方法均满足水泥胶砂强度≥6.5MPa的要求，虽均满足要求，但按照ISO标准来做，显然第二种方法抗折强度值要大于第一种，由于第一种在水泥胶砂成型过程中进行了过度抹平发生泌水，进而影响表层的密实度，在终凝的过程中出现脱落的现象，导致龄期7d、28d抗折强度检测结果下降。不同龄期的第三种方法均呈现出低强度态势，缘于检测人员无视操作标准，导致入模水泥胶砂量不足，密实度不高，砂浆层面凸凹不平，削弱了试件整体性和密实性，导致抗折强度数据偏低且离散。

图2(b)中可以看出，前两种方法龄期3d抗压强度28.0MPa、25.8MPa和28d抗压强度57.0MPa、65.4MPa，分别满足3d和28d水泥胶砂强度≥17.0和≥42.5MPa的要求，第三种方法强度较低，即使28d强度还未达到水泥强度要求；不同龄期3d、7d和28d抗压强度检测结果与相应抗折强度变化趋势基本一致，所以抗折强度试件的好坏决定了抗压强度的结果，但抗折抗压数据上两者并非线性关系，其强度值R≈（6.5～8.5）f；实验检测结果抗压强度值比较大，数据上表现出陡增态势，这是符合试件最主要工作性能的要求；反之抗折强度数据变化相对缓和，可以有效保障抗压强度指标可靠、离散小。

因此，从单纯的胶砂成型入模刮平操作来看，按照ISO标准进行综合检测效果最好，若操作不当会使试件造成缺陷，对检测结果产生严重影响，且不利于试件后期强度的继续发展，因此，在实验检测和工程实践中要严格按照标准仔细操作，保证检测结果精准和施工质量。

项目二图3给出了不同养护环境温湿度下水泥胶砂强度数据情况，从图3(a)中对比可以明显看出：龄期3d的抗折强度三种方法依次降低，其最大值为5.9MPa，最小值为3.3MPa，前两种方法均满足水泥胶砂强度≥3.5MPa的要求，第一种最大是因为温度偏高，水泥水化、凝结硬化快，结果水泥强度偏高；龄期7d和28d的抗折强度前两种基本上一致，满足标准要求，这是因为第一种虽然温度偏高，由于湿度太大在试模表面发生积水，后期脱皮现象严重不利于强度的发展，导致强度降低，最终抗折强度和第二种标准方法养护的数据基本相近；尽管第三种抗折强度值在3d和7d仍最小，但在龄期28d抗折强度为8.7MPa，从第三种方法看温度湿度均最低，前期呈现出低强度态势，随着养护时间的推移，后期28d抗折强度也表现良好，满足水泥胶砂强度≥6.5MPa的要求，且和前两种方法抗折强度值基本接近。

图3(b)中可以看出，三种方法龄期3d抗压强度36.40MPa、32.1MPa和20.1MPa，抗压强度66.0MPa、64.3MPa和62.4MPa，分别满足3d和28d水泥胶砂强度≥17.0和≥42.5MPa的要求，第三种方法抗压强度值前期较低，后期抗压强度基本上和前两种数据很接近，同时，前两种抗压强度检测结果数据相近且两者变化趋势基本一致；但整体上抗压强度数据离散较小些，尤其后期抗压强度数据表现更好，呈现出统一态势，原因在于后期随着水泥水化越来越充分，水泥强度均得到了较好发展。

项目二充分说明温湿度对水泥早期强度的影响要比对后期强度的影响更大，因此，精准记录实验养护环境的温湿度数据及其变化，及时调整养护环境对实验检测至关重要。