水泥膠砂試體不同養護下的力學性能研究

張興華,鄭慧慧

(商丘師范學院建筑與土木工程系,河南 商丘 476000)

水泥膠砂強度是反映水泥性能的重要技術指標,也是劃分水泥強度等級的依據,一般是在實驗室標準養護條件下測量得到的。而現場施工受自然環境、氣候條件等因素的制約很難達到標準養護條件,造成實驗室強度與現場施工強度的差異,為此進行水泥膠砂試體標準養護條件與非標準養護條件(室外水中、室外空氣中)力學性能的對比實驗,并對結果分析研究,以期找出差異,用于指導現場施工。

1 實驗過程

1.1 實驗方案[2]

制作三組相同的膠砂試體,分別進行標準條件、室外水中、室外空氣中養護,并測量每組試體五個齡期(1 d、3 d、7 d、14 d、28 d)的抗折強度和抗壓強度。

1.2 實驗設備及材料

JJ-5水泥膠砂攪拌機、ZS-15震實臺、TYE-6型水泥膠砂抗折試驗機、TYE-200型水泥膠砂抗壓試驗機、40mm×40mm×160mm水泥專用三聯試模、P· O42.5水泥、蒸餾水、中國 ISO標準砂(表1)。

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1.3 實驗條件

北方地區的春季、初夏時節降水較少、溫度適宜,許多土木工程都在這個季節開工建設,本實驗的室外水中和室外空氣中的養護也選擇在豫東地區初夏時節。

1.3.1 成型條件

水泥膠砂試體的成型條件如表2所示:

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1.3.2 養護條件

1.3.2.1 第一天的養護

標準養護試體:帶模放在恒溫恒濕養護箱里,溫度 20℃,濕度 95%。

室外水中、室外空氣中養護的試體:帶模搬到室外通風陰涼處,用塑料薄膜覆蓋試體表面。

1.3.2.2 一天后的養護

標準養護的試體:脫模后放在恒溫水槽內,水溫為 20±0.5℃。

室外水槽養護的試體:脫模后放在室外通風陰涼處的水槽中,實驗 28天內的水溫變化如圖1所示。

室外空氣養護的試體:脫模后放在室外通風陰涼且可以被雨水淋到處。由于溫度和濕度是最主要的養護條件,所以本實驗記錄了 28天內的氣溫變化情況如圖1所示,降水情況如表3所示。

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圖1 實驗期間溫度示意

2 實驗結果

2.1 抗折強度

分別對這三組試體做 1 d、3 d、7 d、14 d、28 d五個齡期的抗折強度測試,結果如圖2所示:

圖2 三組水泥膠砂試體的抗折強度

2.1 抗壓強度

分別對這三組試體做 1 d、3 d、7 d、14 d、28 d五個齡期的抗壓強度測試,結果如圖3所示:

圖3 三組水泥膠砂試體的抗壓強度

3 實驗結果分析

3.1 表觀現象及分析.

(1)標準養護的試體:上面有一薄層水泥凈漿浮皮,經抹布擦拭可以清除。原因分析:由于水泥的泌水作用,試體中的水上升至表面,并在表面形成一層水灰比較高的水泥凈漿。由于試體在養護箱內濕度很高,表面的水泥凈漿水分不能揮發,于是形成了一層強度很低的水泥凈漿浮皮,它與膠砂試體基體結合很弱,經一天養護后,可以用抹布輕易擦掉。

(2)室外水中、室外空氣中養護的試體:這兩種試體都是在實驗室成型后放在室外通風陰涼處,并用塑料薄膜覆蓋。一天后,除去薄膜后發現試體表面有些微露砂子,用力可使砂粒脫落。原因:室外空氣干燥、濕度低,試體雖經塑料薄膜覆蓋,但試體與薄膜間難免會留下空隙,試體表面的水分會經空隙揮發到空氣中,使漿體的高度略有下降,砂粒得以裸露;同時因砂粒的裸露使其與基體的接觸面積變小,結合力變小,因此砂粒容易脫落,這就是常說的“起砂現象”。

3.2 抗折強度對比及分析

3.2.1 縱向對比

如圖2所示,標準養護試體的抗折強度隨時間逐漸增強,且增長速度比較均勻。

室外水中養護試體的抗折強度也隨時間逐漸增強,但前期增速較大,后期增速較小。原因分析:由于室外溫度比標準養護溫度高,其抗折強度在早期便發揮出來,在后期發展速度就慢了。

室外空氣中養護試體的抗折強度總體是增高的,但其增長規律較復雜。原因分析:由于空氣干燥,抗折強度增長速度很低,一、二齡期增加 0.6MPa,三、四齡期間竟沒有增長;二、三齡期間之所以增加了 1.4 MPa,是因為養護的第四、五、六天,豫東地區普降大雨,試體也被大雨淋著了。而四、五齡期間突然增加了 2.5MPa,是因為該段時間氣溫比較高,夜晚溫度在 20℃左右,白天溫度一般在 30℃左右,甚至達到35℃,高溫有利于水泥凝結的發展、強度的提高,故其抗折強度增加迅速。

3.2.2 橫向對比

如圖2所示,第一天的抗折強度:標準養護的試體的抗折強度比在室外水中、室外空氣中的抗折強度低了許多(約1.5MPa),因為成型當日室外溫度(19～29℃)比標準養護溫度高,高溫有利于水泥試體強度的發展。

從第三天開始,標準養護、室外水中兩組養護的試體抗折強度要優于空氣干燥養護的試體(約 2Mpa),這說明了水中養護有利于抗折強度的發展,在空氣中干燥養護限制了抗折強度的發展,對抗折強度極其不利。

3.3 抗壓強度對比及分析

3.3.1 縱向對比

如圖3所示,標準養護與室外水中養護的抗壓強度隨齡期增長而增加,其增加規律也相似,前期增幅較大,后期增幅較小。原因分析:水泥強度逐漸發揮出來,時間越久強度變化趨勢越小。

室外空氣中養護的試體,其抗壓強度也隨養護齡期的增長而增加,但其增加規律不明顯,一二齡期增加約為 16.5 MPa,二三齡期增幅比較少,僅 7.3 MPa,三四齡期增加約13.6MPa,四五齡期增加約 9.5MPa。原因分析:二三齡期增幅僅為 7.3MPa,這與下雨期間氣溫較低(13～20℃)有關,低的氣溫導致水泥水化緩慢,強度增加量小。四五齡期間氣溫較高(20～30℃左右),室外空氣中養護的試體增幅大于室外水中養護試體同齡期的增幅,這說明了室外空氣中養護的試體因為與空氣直接接觸,對外界氣溫變化的感知更為敏感,更為強烈。

3.3.2 橫向對比

如圖3所示,室外水中養護與室外空氣中養護的抗壓強度基本一致,但室外空氣中養護的試體受氣溫波動的影響很大,氣溫低時強度增加緩慢,氣溫高時強度增加迅速;而室外水中養護的試體由于受水對氣溫的緩沖作用,氣溫的波動對室外水中養護試體的抗壓強度影響不那么強烈。由于初夏時節豫東地區的氣溫普遍高于 20℃, 故室外養護試體的抗壓強度高于標準養護試體的抗壓強度。

4 理論分析

從本實驗三組試體抗折強度的變化情況可以看出:水泥膠砂試體養護時所在的物理介質對抗折強度影響很大。原因分析:空氣干燥,濕度低,水泥試體中的水分一部分參與了水泥水化,還有相當一部分通過一定的孔道散失到空氣中,這些孔道保留下來并形成微裂紋,分布在水泥試體的表面,且大部分與試體表面相垂直(如圖4所示)。在進行三點彎曲抗折強度實驗時,微裂紋處更容易引起應力集中,斷裂往往會從微裂紋處開始。水泥試體無論在水中還是在空氣中養護都會形成微裂紋,但是在空氣中養護時微裂紋更粗、更長,更加影響水泥的抗折強度[3]。

圖4 試體表面的微裂紋

本實驗中室外空氣中養護的試體與室外水中養護的試體的抗壓強度相近,沒有抗折強度差距明顯。原因分析:(1)空氣中養護的試體的微裂紋主要是集中在泥試體表面,而內部的微裂紋較少,進行抗壓強度實驗時,構件往往從內部破壞開始,因此試體表面的微裂紋對對抗壓強度的損失較小;(2)空氣中的溫度常高于水中的溫度,促進水泥的水化反應,增加水泥的強度。以上兩種作用效果相互抵消,所以兩者強度相差無幾。

5 結論

(1)豫東地區初夏時節,室外用水養護良好的試體力學性能優異,其 28 d抗折強度、抗壓強度均比標準養護略高;室外空氣干燥養護的試體28 d抗壓強度比標準養護略高,但抗折強度低于標準養護的試體。

(2)由于豫東地區初夏時節空氣干燥,主要承受抗折強度的水泥構件,例如各種橋梁、橫梁、樓板等,一定要注意施工后期的養護工作。

[1]陳志源,李啟令.土木工程材料(第二版)[M].武漢理工大學出版社,2003

[2]GB/T 17671-1999水泥膠砂強度檢驗方法[S]

[3]胡清社.水泥 28天抗壓強度檢驗結果的誤差分析[J].廣東建材,2004(11)