硬化砂漿中水泥含量試驗制樣方法探討

張亞濤，劉磊，張成銀，秦嶺，姬鈺

(安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院，安徽蚌埠233000)

硬化砂漿中水泥含量試驗制樣方法探討

張亞濤，劉磊，張成銀，秦嶺，姬鈺

(安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院，安徽蚌埠233000)

為探索處理硬化砂漿試樣的方法，使水泥含量測定結果更接近真實值，首先成型不同粉煤灰摻量的砂漿試樣，在砂漿試樣標準養護到一定齡期后，基于硬化膠凝材料中結合水的損失過程，利用CaO測定法研究不同的試樣處理方法對硬化砂漿中水泥含量測定結果的影響，得到處理硬化砂漿試樣的方法:即無水乙醇終止水化后，60℃鼓風烘干，然后以10℃/min的速度由室溫升到(520±10)℃，保持1 h，并且通過實驗證明結合水含量是影響硬化砂漿中水泥含量測定結果的關鍵因素之一。采用該方法處理后，不同齡期相同膠凝材料含量和同一齡期不同粉煤灰摻量硬化砂漿中水泥含量測定結果的相對誤差都在±5%以內。

硬化砂漿;水泥含量;粉煤灰;相對誤差

0 引言

硬化混凝土可以認為是粗集料沉積在膠凝材料和細集料形成的砂漿中的一種非均相混合物。對于一般強度的硬化混凝土，其抗壓強度首先取決于這種間充性砂漿與粗骨料間的粘結強度以及砂漿自身的抗壓強度;而砂漿與粗骨料間粘結強度和砂漿自身抗壓強度的主要影響因素之一是水泥含量?，F今，盡管混凝土中使用輔助膠凝材料的現象愈來愈普遍，但當混凝土質量產生問題時，水泥含量還是首先考慮的對象。

針對水泥含量測定的研究，目前多集中于摻合料、骨料對其測試結果的影響，以及不同測試方法間的比較分析，而對試樣處理方法的研究較少。國外對硅酸鹽水泥硬化混凝土中水泥含量測定研發的較早，主要集中在化學分析法(CaO、可溶性SiO2分析法和有機溶劑溶解法)、顯微鏡法(用顯微鏡測定混凝土中的磨光片)和染色法(用單寧酸對混凝土進行染色，通過染色圖像的百分比來計算水泥含量)［1－7］?；瘜W分析法受到骨料中CaO、可溶性SiO2含量以及骨料在順丁烯二酸溶液(或葡萄糖酸鈉溶液)中溶解程度的影響，測出的CaO、可溶性SiO2含量和溶解量每誤差1%，最終得到的水泥含量將分別誤差1.6%、4.7%和1%;顯微鏡法的誤差一般在± 10%左右;染色法相比傳統的化學分析法，更高效、經濟、無污染，但需要事先做好水泥含量與染色圖像百分比的校準曲線。Ferran Gomà等［8］通過去除用堿性溶液處理濾渣這一步驟、改變試樣溶解時的溫度等方面對傳統可溶性SiO2法進行了改進，進一步降低了試驗誤差，使可溶性SiO2法更有利于硅酸鹽水泥混凝土中水泥含量的測定;但對于摻加輔助膠凝材料的混凝土，該方法的適用性有待進一步驗證。李悅等［9］針對沒有摻加礦物摻合料的硬化混凝土(其中的粗、細骨料分別用水洗凈)中水泥含量，分別利用化學分析法(CaO、SiO2分析法)和X射線衍射(XRD)分析法進行測定，得出化學分析法較好，并且化學分析法中的CaO分析法效果最好。而對于摻加了粉煤灰的硬化砂漿和摻加了礦粉的水泥基材料，李悅等［10］通過背散射電子成像技術和圖像分析技術的結合，分別較好地測出其中的粉煤灰和礦粉含量，進一步為膠凝材料含量的測定拓寬了思路。林暉等［11］針對硬化粉煤灰水泥基材料中水泥含量，分別進行了X射線熒光光譜(XRF)分析法和化學分析法(CaO、SiO2分析法)的比較，結果顯示化學分析法誤差較小。

本文基于硬化膠凝材料中結合水的失去過程，采用測定CaO含量來間接測定水泥含量的方法，討論了不同的試樣處理方法對不同粉煤灰摻量硬化砂漿中水泥含量測定結果的影響，并找出一種能夠得到較好測定結果的試樣處理方法，希望能對改進摻加粉煤灰硬化混凝土中水泥含量測定方法提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

水泥為山東泰安產的P.I 42.5，其物理化學性能指標如表1所示;粉煤灰為安徽淮南產的I級粉煤灰，物理化學性能指標如表2所示;砂為ISO標準砂，物理化學性能指標如表3所示;水為當地生活用自來水。

表1 水泥物理化學性能指標

表2 粉煤灰物理化學性能指標

表3 砂物理化學性能指標

1.2 試樣成型與編號

利用SJ－15型砂漿攪拌機成型原材料比例如表4所示的砂漿試樣，每種配比成型3組(每組3塊)，分別進行28，60，90 d的標準養護，試樣尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。

試樣編號:S表示水泥砂漿，SF15、SF20、SF30和SF40分別表示摻加15%、20%、30%和40%粉煤灰的砂漿，28 d、60 d和90 d齡期分別用1、2和3表示，如S－1表示28 d齡期的水泥砂漿，SF15－3表示齡期90 d粉煤灰摻量15%的砂漿。

表4 砂漿中原材料比例

1.3 試驗方法

1.3.1 試樣處理

水泥水化和粉煤灰的火山灰效應產物(主要有鈣礬石、氫氧化鈣和C－S－H凝膠)都含有一定量的結合水，結合水含量將直接影響到硬化砂漿的質量，可能對硬化砂漿中水泥含量的測定結果產生一定的影響?；谶@些結合水會隨著溫度的升高從不同的水化產物中分解出來的現象，本文主要通過結合水在試樣中的存有量來分析其對試驗結果的影響，從而得出較好的試樣處理方法。

因為鈣礬石在70～80℃就開始發生緩慢的脫水［12］，為了除去試樣中非結合水對試驗的影響，同時又保證已經形成的結合水不流失，所以，采用無水乙醇浸泡試樣來終止膠凝材料的水化，把浸泡好的試樣在60℃烘箱中鼓風烘至恒重。由于水化硫鋁酸鈣和水化硅酸鈣分別于130℃和250℃左右發生一定程度的脫水，到500℃時，氫氧化鈣幾乎完全脫水，鈣礬石會失去大部分結合水［12－13］，此時，膠凝材料的水化產物可以認為已經脫去大部分結合水，并且500～550℃為水泥石耐高溫破壞的極限溫度范圍［14］，因此，這里選擇升溫到(520± 10)℃處理試樣。當溫度為682～775℃時，C－S－H凝膠分解(峰值在740℃)，并且鈣礬石在700℃時已失去全部結合水成為無水礦物，到達800℃時，膠凝材料的結合水幾乎全部失去［15］，所以，選擇升溫到(800±15)℃作為處理試樣的溫度之一;文獻［16］中通過65℃烘至恒重后，灼燒到1000℃的方法測定硬化復合膠凝材料(水泥+粉煤灰)中化學結合水量，以此為依據設定升溫到(1000±15)℃作為處理試樣的溫度之一?；谝陨显?，針對硬化砂漿中水泥含量的測定，本文設定了4種試樣處理方法(詳見表5，)進行比較分析。

硬化砂漿中水泥含量測定試驗的過程是:試樣成型、標養到一定齡期后，先測定抗壓強度，接著進行物理破碎，使其全部通過5 mm的方孔篩，然后用四分法取樣，最后用經表5中方法處理過的試樣進行水泥含量測定的比較分析。

表5 試樣處理方法

1.3.2 水泥含量的測定

首先用容量法測定處理后試樣中CaO含量，然后根據水泥中CaO含量(水泥需經相同方法處理)，利用下式計算出試樣中水泥含量:

式中:C1——試樣中水泥的百分含量，%;

C2——試樣中CaO的百分含量，%;

C3——試樣用水泥中CaO的百分含量，%。

1.3.3 待測試樣的選取

分別對標準養護28，60，90 d的砂漿試塊(S、SF15、SF20、SF30、SF40)在YA－2000B型電液式壓力試驗機上進行抗壓強度測試，試驗方法參照標準JGJ/T 70——2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》，結果見圖1。

可以看出，粉煤灰摻量20%，齡期90 d的砂漿試塊抗壓強度最大，即粉煤灰摻量20%時對砂漿試塊抗壓強度的增長更有利，且該現象在90d齡期時表現更突出;因此，對于一定粉煤灰摻量不同齡期的待測試樣選取SF20－1、SF20－2和SF20－3，對于不同粉煤灰摻量同一齡期的待測試樣選取SF15－3、SF20－3、SF30－3和SF40－3，最后選取S－1、S－2和S－3與摻加粉煤灰的試樣做比對。

圖1 砂漿中粉煤灰摻量和齡期對抗壓強度的影響

2 結果與討論

2.1 試驗結果

原材料和砂漿試樣(S－1、S－2、S－3、SF20－1、SF20－2、SF20－3、SF15－3、SF30－3和SF40－3)分別經過方法1、2、3、4處理后，測出其中CaO含量(原材料中CaO含量如表6所示)，然后用式(1)算出砂漿試樣中的水泥含量，結果如表7所示。

表6 4種方法處理后原材料中CaO含量%

表7 4種方法處理后試樣中水泥含量1)%

2.2 結果分析

2.2.1 粉煤灰和標準砂對水泥含量的影響

根據砂漿試樣中各組分比例(見表4)和CaO含量(見表6)，計算出單位質量砂漿試樣中粉煤灰和標準砂所含CaO量之和等價的水泥量(理論值)，如表8所示。

表8 試樣中粉煤灰和標準砂之和等價的水泥量%

從表中可以看出，粉煤灰和標準砂整體上對砂漿試樣中水泥含量測定結果的影響不大，最大值僅為0.33%，可以忽略不計。

2.2.2 水泥含量相對誤差結果分析

水泥砂漿試樣(S－1、S－2和S－3)和摻加粉煤灰的砂漿試樣(SF20－1、SF20－2、SF20－3、SF15－3、SF30－3和SF40－3)分別經過方法1、2、3、4處理后測出的水泥含量相對誤差如圖2～圖4所示。

圖2 S－1、S－2和S－3水泥含量相對誤差

圖3 SF20－1、SF20－2和SF20－3水泥含量相對誤差

圖4 SF15－3、SF20－3、SF30－3和SF40－3水泥含量相對誤差

由圖可知:1)用無水乙醇終止水化后的試樣(90 d齡期內)，無論是不同齡期水泥砂漿和20%粉煤灰摻量的砂漿，還是同一齡期不同粉煤灰摻量的砂漿，都表現為:經過方法2處理后，測得水泥含量的相對誤差最小，且大部分情況是正偏差(盡管試樣中還有部分結合水［12］);方法3和4處理后的砂漿試樣中可以認為已經沒有結合水［12，15－16］，且砂漿的燒失量還更大些，但測得水泥含量的相對誤差大部分是負偏差，且較大。原因可能是:方法3和4中的高溫(800±15)℃和(1000±15)℃對未水化水泥、未經過火山灰反應的粉煤灰、水泥水化產物和粉煤灰火山灰反應后產物的結構產生影響，使他們之間發生固相反應，部分氧化鈣參與反應生成鈣黃長石類物質［17］，導致在溶解試樣時Ca的溶出量減少，并最終使水泥含量的測定結果大部分情況下偏小;而在方法2中溫度(520±10)℃時，砂漿試樣中幾乎不發生生成鈣黃長石類物質的固相反應［17］，且該溫度下大部分結合水已經失去，剩下的部分結合水量正好被砂漿的燒失量抵消掉一部分，也就是說，方法2的處理既沒有影響砂漿試樣中Ca的溶出，又能使處理后的砂漿試樣質量接近理論質量(原材料質量之和)，因此方法2處理后的砂漿試樣測定結果與理論值更接近。2)經過方法2處理后的砂漿試樣(90 d齡期內)，其齡期和粉煤灰摻量對水泥含量測定結果影響不大，不同齡期水泥砂漿、不同齡期20%粉煤灰摻量砂漿和90 d齡期不同粉煤灰摻量砂漿的相對誤差分別在－1.38%～1.75%，－2.19%～4.93%和0.42%～3.04%之間。3)經過方法1處理后的砂漿試樣(90 d齡期內)，測得水泥含量一般小于理論含量，原因主要是結合水的存在增大了試樣的質量(此時，試樣質量=原材料質量+結合水質量)，并最終導致測定結果偏小，表明結合水是影響CaO法測定水泥含量的關鍵因素之一。

3 結束語

1)不同齡期的水泥砂漿和粉煤灰砂漿，以及同一齡期不同粉煤灰摻量的砂漿(原材料為硅酸鹽水泥、標準砂和粉煤灰)，經過無水乙醇終止水化后，60℃鼓風烘干，然后以10℃/min的速度由室溫升到(520±10)℃，保持1h處理后，用CaO分析法都能得到較滿意的水泥含量測定結果，并且齡期和粉煤灰摻量對結果影響都不大，其相對誤差均在±5%以內。

2)結合水是影響CaO法測定硬化砂漿中水泥含量的關鍵因素之一。

3)上述試樣處理方法對摻加粉煤灰的硬化混凝土中水泥含量測定的參考價值，有待試驗進一步驗證。

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(編輯:莫婕)

Discussion about sample processing methods of cement content in hardened mortars

ZHANG Yatao，LIU Lei，ZHANG Chengyin，QIN Ling，JI Yu
(Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research，Bengbu 233000，China)

In order to get the result that is close to the real value of cement content in hardened mortars，different samples with varied content of fly ash were prepared.After the mortar samples were cured for a certain age in a standard environment，based on the loss of bound water in hardened cementitious materials，the effect of different sample processing methods on cement content in hardened mortars was investigated via CaO measurements.The authors found an ideal processing method，that is after stopping hydration by anhydrous ethanol，sample was blast dried at 60℃，then temperature was increased from room temperature to(520±10)℃in the rate of 10℃/min，and then maintaining for 1h.The bound water content is one of the key factors to the measurement results of cement content in hardened mortars.By using this processing method，the relative deviation of cement content of hardened mortars with different ages and fly ash content is set within±5%.

hardened mortars;cement content;fly ash;relative deviation

A

1674－5124(2016)11－0039－05

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.009

2016－07－02;

2016－08－15

安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院青年科技創新基金項目(KY201404)

張亞濤(1983－)，男，安徽亳州市人，工程師，碩士，

主要從事混凝土材料研究及檢測工作。