水泥膠砂試體不同養(yǎng)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(jù),一般是在實驗室標準養(yǎng)護條件下測量得到的。而現(xiàn)場施工受自然環(huán)境、氣候條件等因素的制約很難達到標準養(yǎng)護條件,造成實驗室強度與現(xiàn)場施工強度的差異,為此進行水泥膠砂試體標準養(yǎng)護條件與非標準養(yǎng)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(xiàn)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(yǎng)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(lián)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(qū)的春季、初夏時節(jié)降水較少、溫度適宜,許多土木工程都在這個季節(jié)開工建設,本實驗的室外水中和室外空氣中的養(yǎng)護也選擇在豫東地區(qū)初夏時節(jié)。

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(yǎng)護條件

1.3.2.1 第一天的養(yǎng)護

標準養(yǎng)護試體:帶模放在恒溫恒濕養(yǎng)護箱里,溫度 20℃,濕度 95%。

室外水中、室外空氣中養(yǎng)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(yǎng)護

標準養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(xiàn)象及分析.

(1)標準養(yǎng)護的試體:上面有一薄層水泥凈漿浮皮,經(jīng)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(yǎng)護箱內濕度很高,表面的水泥凈漿水分不能揮發(fā),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(jīng)一天養(yǎng)護后,可以用抹布輕易擦掉。

(2)室外水中、室外空氣中養(yǎng)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(fā)現(xiàn)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(jīng)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(jīng)空隙揮發(fā)到空氣中,使?jié){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(xiàn)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)護溫度高,其抗折強度在早期便發(fā)揮出來,在后期發(fā)展速度就慢了。

室外空氣中養(yǎng)護試體的抗折強度總體是增高的,但其增長規(guī)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(yǎng)護的第四、五、六天,豫東地區(qū)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(fā)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(yǎng)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(yǎng)護溫度高,高溫有利于水泥試體強度的發(fā)展。

從第三天開始,標準養(yǎng)護、室外水中兩組養(yǎng)護的試體抗折強度要優(yōu)于空氣干燥養(yǎng)護的試體(約 2Mpa),這說明了水中養(yǎng)護有利于抗折強度的發(fā)展,在空氣中干燥養(yǎng)護限制了抗折強度的發(fā)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(yǎng)護與室外水中養(yǎng)護的抗壓強度隨齡期增長而增加,其增加規(guī)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(fā)揮出來,時間越久強度變化趨勢越小。

室外空氣中養(yǎng)護的試體,其抗壓強度也隨養(yǎng)護齡期的增長而增加,但其增加規(guī)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(yǎng)護的試體增幅大于室外水中養(yǎng)護試體同齡期的增幅,這說明了室外空氣中養(yǎng)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(yǎng)護與室外空氣中養(yǎng)護的抗壓強度基本一致,但室外空氣中養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)護試體的抗壓強度影響不那么強烈。由于初夏時節(jié)豫東地區(qū)的氣溫普遍高于 20℃, 故室外養(yǎng)護試體的抗壓強度高于標準養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)護都會形成微裂紋,但是在空氣中養(yǎng)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(yǎng)護的試體與室外水中養(yǎng)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(yǎng)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(qū)初夏時節(jié),室外用水養(yǎng)護良好的試體力學性能優(yōu)異,其 28 d抗折強度、抗壓強度均比標準養(yǎng)護略高;室外空氣干燥養(yǎng)護的試體28 d抗壓強度比標準養(yǎng)護略高,但抗折強度低于標準養(yǎng)護的試體。

(2)由于豫東地區(qū)初夏時節(jié)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(yǎng)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)