低溫養護下水泥砂漿早期強度增長試驗研究

樊海軍，李洋波，李　陽，李艷香，謝　璐，張　娟

(三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002)

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低溫養護下水泥砂漿早期強度增長試驗研究

樊海軍，李洋波，李陽，李艷香，謝璐，張娟

(三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002)

試驗研究了恒定低溫養護條件下，水泥砂漿早期抗折強度和抗壓強度的增長規律。試驗遵照相關試驗規程，制作同一批次40 mm×40 mm×160 mm水泥砂漿試件，試件分別在-15、0、5、20 ℃恒定低溫條件下養護；養護到一定設計齡期，用標準試驗方法進行抗折、抗壓試驗，對獲得的試驗結果進行整理，得到水泥砂漿早期抗折、抗壓強度增長過程曲線。并參照其他學者的試驗結果，對低溫養護下水泥砂漿的早期強度增長規律進行分析。

水泥砂漿；低溫養護；抗折強度；抗壓強度

0　引　言

隨著水電能源開發的重心向嚴寒地區轉移，水工混凝土施工的環境溫度經常處于低溫、負溫及正負溫交替狀態。由于混凝土自身的復雜性，新澆混凝土強度發展受環境溫度的影響很大。低溫下混凝土的力學性能直接關系到建筑物的實際承載力及安全狀況[1- 2]，對低溫混凝土力學性能的研究已經受到國內外大量研究人員和工程設計人員的廣泛重視。通過試驗方法研究高寒地區持續低溫情況下混凝土強度增長的規律，成為一大研究熱點。例如，J.D McIntosh[3]指出混凝土在早期低溫養護相比高溫養護可以達到較低的早期強度和較高的后期強度；Kefeng Tan[4]和Metro Husem[6]研究表明養護溫度對普通混凝土的抗壓強度影響顯著，但對高性能混凝土沒有明顯影響；Jin-Keun Kim[5]研究表明低溫養護時混凝土早期抗壓強度較低，但后期幾乎與標準養護時相同；Jin-Keun Kim[7]指出養護溫度越高混凝土早期抗壓和劈裂抗拉強度越大，但后期抗壓和劈裂抗拉強度較低；莊麗輝[8]和趙蕓平[9]研究指出冬期混凝土強度在0 ℃以下也有緩慢增長，增長與齡期的關系不確定性較大，與成熟度呈明顯的對應關系；張潤瀟等[10]對低溫下混凝土的劈裂抗拉強度、抗壓強度變化規律進行了試驗研究，認為養護溫度對混凝土早期抗拉強度影響尤為明顯，60 d齡期內，不同養護溫度下的混凝土，隨著齡期的增長，溫度造成其強度的差值逐漸增大。

很多學者對低溫混凝土的力學性能進行了相關研究，而低溫養護對水泥砂漿的早期力學性能影響的研究相對較少。而砂漿是混凝土的重要組成部分，砂漿不僅起到包裹混凝土中粗骨料的作用，還有效填充粗骨料間的空隙[11]，因此影響水泥砂漿早期力學性能的因素直接影響著混凝土的力學性能。為此，筆者以水泥砂漿為研究對象，設計了低溫養護對水泥砂漿早期力學性能影響的試驗，來驗證文獻[10]中低溫養護對混凝土早期強度發展的影響。

1　試驗設計

在低溫養護條件下，以溫度和齡期作為變量，對水泥砂漿的力學性能參數(抗壓強度、抗折強度)變化規律進行試驗研究。制作20聯 (每聯3條，共計60條)40 mm×40 mm×160 mm水泥砂漿標準試件。設計養護溫度為普通低溫(0、5 ℃)、負溫(-15 ℃)和標準養護溫度(20 ℃)，設計齡期為3、7、14、28、60 d，每組制備15個試件，每組每個齡期取出3個試件，用標準試驗方法進行抗折、抗壓試驗。

本試驗采用三峽牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，廈門艾思歐公司生產的中國ISO 標準砂，水泥砂漿拌和及養護用水采用普通自來水廠飲用水。

2　試驗過程

2.1抗折試驗

2.1.1試件制備

本試驗所有試件按照統一配合比制備，且試件均為同一批制備。試件采用灰砂比為1∶3，水灰比0.5。即每成型3條試件需：水泥(450±2) g，中國ISO標準砂(1 350±5) g，水(225±5) ml。

水泥砂漿攪拌依據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》[13]采用行星式膠砂攪拌機攪拌。先加水再加水泥，安放攪拌鍋后開動機器，低速攪拌30 s，在第2個30 s開始的同時均勻地加入標準砂，再高速攪拌30 s，停拌90 s，最后高速攪拌攪拌60 s。各個攪拌階段的時間誤差應在±1 s以內。

將三聯試模擦凈、涂黃油、緊密裝配。試件制備后立即用膠砂振實臺成型，將三聯試模固定在振實臺上，用鐵勺從攪拌鍋內將膠砂分2層裝模。裝第1層時，每個槽里加入約300 g膠砂，用大撥料器刮平，立即振實60次；再裝入第2層膠砂，用小撥料器刮平，再振實60次。移走模套，從振實臺上取下試模，水平放置，用一個金屬直尺以近似90°的角度架在試模模頂的一端，沿試模長度方向緩慢向另一端移動，一次將超過試模部分的多余膠砂刮去；用同一直尺以近似水平的角度將試件表面抹平。各個操作應滿足規范要求。

2.1.2試件養護

將成型好的試件連模放入恒溫恒濕標準養護箱內，在溫度為(20±1)℃、相對濕度不低于90%的條件下養護24 h后脫模。脫模后，在試件上貼上標有設計養護溫度與養護齡期的標簽，標簽編號時將每個三聯試模中3條試件編在至少2個不同的齡期內。

試件脫模后的養護：①標準養護。將做好標記的試件立即豎直放入養護池中，養護水溫為(20±1)℃，試件間隔和試件上水深應不得小于5 mm。每2周換一次養護水，在養護期間不允許全部換水。②低溫養護。本試驗采用SIENENS KK28A4650W冰箱作為低溫養護箱，其冷凍室總容積為260 L，設有3個儲藏室，溫度可控范圍-20～15 ℃。將做好標記的試件水平放入相對應的低溫冷凍室中，養護溫度分別為-15、0、5 ℃，水平放置時刮平面應朝上，試件之間留有空隙。養護期間在冷凍室內放置廣口盛水容器以保證冷凍室維持一定濕度。

2.1.3試驗加載與記錄

所有試件養護到相應的設計試驗齡期后取出，試件取出后應迅速進行試驗。試驗以試件受室溫影響最小為原則在常溫室內進行。試件于試驗前15 min從水中和冷凍室各取出3條，試件取出后放在不同的保溫桶內保存至進行試驗。

抗折試驗采用雙杠桿式電動抗折試驗機。將試件安放到試驗機上的抗折夾具內，使試件側面與試驗夾具上圓柱接觸。調整夾具使杠桿在試件破壞時盡可能接近平衡位置。開動試驗機啟動按鈕，以(50±10)N/s勻速加荷，直至試件被折斷。記錄抗折破壞荷載P和抗折強度ff。

2.2抗壓試驗

抗壓試驗的試件采用相對應養護溫度和養護齡期的抗折試驗的3條試件折斷后得到的6個斷塊。

抗壓試驗采用YAW- 300型全自動標準水泥壓力試驗機，試驗機配套專用抗壓夾具使試件的受壓面積為40 mm×40 mm。根據相關試驗規程[12- 13]的要求，抗折試驗折斷的6個斷塊試件保持潮濕狀態，立即進行抗壓試驗。試驗前，清除試件受壓面與抗壓夾具加壓板間的砂粒雜物，并將試件的底面緊靠在抗壓夾具上的定位銷。斷塊露出上加壓板外的部分應不少于10 mm。

在整個加壓過程中，應使抗壓夾具位于壓力機承壓板中央。開動抗壓試驗機，以(2.4±0.2﹚kN/s的速率連續均勻加荷，直至試件被破壞。記錄最大抗壓破壞荷載P′。

3　試驗結果與分析

本試驗的抗折、抗壓強度的試驗結果是確定砂漿強度、質量的重要依據。本試驗測定與得到：①每批砂漿試件的抗折強度和抗壓強度；②標養、低溫養護條件下砂漿的強度增長曲線。

3.1抗折試驗

3.1.1試驗結果

砂漿抗折試驗計算公式為

ff=3PL/2bh2=0.002 34P

(1)

式中，P為抗折破壞荷載，N；L為抗折支撐圓柱中心距，L=100 mm；b、h分別為棱柱體正方形截面的邊長，均為40 mm。根據相關試驗規程，取每組3條試件的抗折強度測定值的算術平均值作為試驗結果。當3個測定值中有一個超過平均值的±10%時，舍去該值，取其余2個測定值的平均值作為抗折強度試驗結果，計算結果精確至0.1 MPa。

3.1.2結果分析

水泥砂漿試件強度的產生主要是通過水泥的水化實現的。養護溫度對水泥的水化作用影響顯著，溫度越高，水化速度越快，反之則變慢。此外，養護環境的濕度也是影響水泥水化的重要因素。本試驗中除標準養護條件外，各養護箱濕度基本相同，故養護溫度與養護齡期構成了影響水泥水化的2個變量。

整理后的試驗結果見表1。不同養護溫度時齡期與抗折強度關系如圖1所示。從圖1可知，①標準養護(20 ℃)試驗組砂漿的抗折強度隨著齡期增長顯著增加。普通低溫養護(0、5 ℃)試驗組砂漿的抗折強度增長規律，除個別差異外，基本與標準養護時相同。這3組試件的抗折強度與水泥的水化程度相關，在14 d以前抗折強度發展較快，14 d以后發展變緩。②在相同齡期內，除負溫(-15 ℃)試驗組外，砂漿的抗折強度隨著養護溫度的升高而增加。③在標準養護條件下，試件養護3d的抗折強度可以達到28 d抗折強度的63.3%，養護7 d的抗折強度可達28 d抗折強度的73.3%；而在5 ℃養護條件下，3 d與7 d的抗折強度只能達到標準養護28 d抗折強度的56.7%和71.1%；在0 ℃養護條件下，3 d與7 d的抗折強度只能達到標準養護28 d抗折強度的52.2%和68.9%。這表明低溫養護會降低砂漿早期抗折強度。④在28 d齡期時，負溫(-15 ℃)和低溫(0、5 ℃)試驗組的抗折強度分別為標準養護試驗組的137.8%、95.6%、97.8%；在60 d齡期時，0 ℃試驗組的抗折強度與5 ℃試驗組抗折強度相當，為標準養護試驗組同齡期抗折強度的98.9%。這表明低溫養護在28 d齡期以后影響相對較小。⑤負溫養護 (-15 ℃)試驗組砂漿的抗折強度表現出不規律性，3 d的抗折強度已達到11.3 MPa，28 d的抗折強度為12.4 MPa，其他齡期測得的抗折強度并不表現出隨著齡期增長而逐漸增長的趨勢；該組砂漿的抗折強度均大于標準養護試驗組相應齡期的抗折強度。可以判斷砂漿在-15 ℃養護時，其抗折強度不僅取決于水泥的水化程度，更多是由于內部孔隙水在負溫下結冰，而冰與多孔材料(如砂漿)之間的黏結強度較大[14- 15]，導致負溫養護時的抗折強度均大于其他試驗組相應齡期的抗折強度。負溫養護時各齡期時試件內部水的結冰程度可能有差異，故該組試件測得的抗折強度隨齡期表現出不規律性。

表1不同養護溫度下砂漿的抗折強度

齡期/d抗折強度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

圖1　不同養護溫度時齡期與抗折強度關系

3.2抗壓試驗

3.2.1試驗結果

砂漿抗壓試驗計算公式為

fc=P′/A=0.625P′

(2)

式中，P′為最大抗壓破壞荷載，kN；A為試件的受壓面積，即40 mm×40 mm=1 600 mm2。根據相關試驗規程，取6個斷塊的抗壓強度測定值的算術平均值作為試驗結果。6個測定值有1個超過算術平均值的±10%時，舍去該值，取其余5個的算術平均值作為抗壓強度試驗結果；若5個測定值中再有超過平均數±10%時，則此組結果作廢，計算結果精確至0.1 MPa。

3.2.2結果分析

整理后的試驗結果見表2。由表2可知，在相同齡期內，砂漿的抗壓強度隨養護溫度的升高而增加；但不同齡期下，這種強度的差異有所不同。0 ℃試驗組的抗壓強度在3 d和7 d時均小于5 ℃試驗組測得的抗壓強度，但在14 d以后，基本趕上5 ℃試驗組的抗壓強度。在相同齡期內，低溫養護試驗組的抗壓強度均大于負溫養護試驗組的抗壓強度；均小于標準養護試驗組的抗壓強度。

表2不同養護溫度下砂漿的抗壓強度

齡期/d抗壓強度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

不同養護溫度時齡期與抗壓強度關系如圖2所示，由圖2可知，①標準養護、低溫養護試驗組砂漿的抗壓強度隨著齡期增長顯著增加。3組試件的抗壓強度在14 d以前增長較快，14 d以后增長變緩。在標準養護試驗組，砂漿試件養護3 d的抗壓強度為28 d抗壓強度的56.4%，7 d的抗壓強度為28 d抗壓強度的70.2%。本試驗數據基本在文獻[10]所給出的抗壓強度3 d可達28 d的45%～50%，7 d可達28 d的60%～70%的范圍內，因此本試驗數據具有一定的可靠性。②負溫養護試驗組砂漿的抗壓強度類似于抗折強度，表現出不規律性，在3 d的抗壓強度已達到15.8 MPa，28 d的抗壓強度為14.4 MPa，測得的抗壓強度不隨著齡期增長而增長；該試驗組砂漿的抗壓強度均小于標準養護試驗組相應齡期的抗壓強度。③5 ℃試驗組在3 d與7 d只能達到標準養護28 d抗壓強度的43.8%和62.5%；0 ℃試驗組在3 d與7 d只能達到標準養護28 d抗壓強度的43.4%和61.0%，這表明低溫養護會降低砂漿早期抗壓強度。

圖2　不同養護溫度時齡期與抗壓強度關系

圖3為不同養護溫度下各個齡期砂漿的壓折比。由圖3可知，0、5、20 ℃養護下各個齡期的壓折比為4～6，-15 ℃養護下各個齡期的壓折比為1～2。0、5 ℃養護下的壓折比均小于相應齡期標準養護下的壓折比；-15 ℃養護在整個齡期內壓折比變化不大，在28 d壓折比最小，為1.2。這表明相比標準養護，砂漿在低溫養護下的脆性普遍降低，負溫養護時更為明顯；在-15 ℃養護時砂漿達到最大抗折強度(28 d)時，其脆性最低，砂漿的綜合性能達到最佳[16]。本試驗數據符合文獻[15]中孔隙水對超低溫抗折強度的提高率大于其對抗壓強度的提高率的觀點。

圖3　不同養護溫度時齡期與壓折比關系

4　結　論

本文針對養護溫度與養護齡期對砂漿早期抗折強度和抗壓強度發展的影響，進行了試驗，得到以下結論：

(1)低溫養護對水泥砂漿早期抗折強度影響顯著，低溫會降低砂漿早期抗折強度，低溫養護在28 d齡期以后對砂漿抗折強度的影響相對較小。

(2)負溫(-15 ℃)養護條件下砂漿的抗折強度表現出不規律性，抗折強度均大于其他試驗組相應齡期的抗折強度。-15 ℃養護時，砂漿抗折強度不僅取決于水泥的水化程度，更多是內部孔隙水在負溫下結冰形成的黏結力，使負溫養護時砂漿的抗折強度有很大程度的提升。

(3)在0 ℃和5 ℃養護條件下，砂漿的抗壓強度14 d以前增長幅度較大，14 d以后變緩；在60 d以內均小于標準養護各齡期的抗壓強度。-15 ℃養護時，砂漿的抗壓強度在3d以后幾乎不隨齡期增長而提高。

(4)在0、5、20 ℃養護條件下，各個齡期的壓折比為4～6，-15 ℃養護下各個齡期的壓折比為1～2。相比標準養護，砂漿在低溫養護下的脆性普遍降低，負溫養護時更為明顯。

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(責任編輯王琪)

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

樊海軍(1989—)，男，湖北十堰人，碩士研究生，研究方向為水工混凝土數值計算、水利工程三維可視化仿真；李洋波(通訊作者)．

TU528.64

A

0559- 9342(2016)05- 0106- 05