浅谈水泥材料试验检测方法

浅谈水泥材料试验检测方法

[摘 要] 本文主要介绍普通硅酸盐水泥的检测方法、项目、试验中应注意的问题以及相应的措施。

[关键词] 普通硅酸盐水泥；水泥检测项目、方法；措施。

一 前言

公路事业的蓬勃发展,我国公路建设进入了以高速公路为标志的快速发展阶段,近几年来,随着国家实施积极的财政政策,公路投资力度不断加大,公路建设更是前所未有的速度向前发展。国家西部大开发战略的实施,公路建设将面临新的发展机遇与挑战。坚定不移地实施科技兴交战略,注重行业整体创新能力的提高,注重依靠科学技术来提高工程质量是我们始终不渝的目标。

水泥也是建筑工程中用量最大的建筑材料之一。它以其特有的经济性、坚固性、耐久性,广泛应用于房建、道路等多项行业中。

水泥属于水硬性无机胶凝材料。加水调制后,经过一系列物理化学作用,由可塑性浆体变成坚硬的固体,并能将砂、石等散粒状材料胶结成具有一定物理力学性质的石状体。水泥浆既能在空气中硬化,又能在潮湿环境或水中更好的硬化,保持并发展其强度。所以,它既可用于地上工程,也可用于水中及地下工程。

在道路和桥梁工程中通常应用的水泥有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等六大通用水泥。由于道路路面对水泥的特殊要求,近年来已生产了道路水泥。此外,在某些特殊工程中,还使用铝酸盐水泥、膨胀水泥、快硬水泥等。随着水泥科学技术和生产的发展,水泥品种越来越多,但是在道路建筑中仍以硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥为主。本文着重对工程中最常用的普通硅酸盐水泥材料试验检测方法进行详细阐述,其它水泥不做介绍。

二 普通硅酸盐水泥概述

凡由硅酸盐水泥熟料、6%～15%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,称为普通硅酸盐水泥(简称普通水泥),代号为P·O。活性混合材料的最大掺量不得超过水泥质量的15%,其中容许用不超过水泥质量5%的窑灰或不超过水泥质量的10%的非活性混合材料来代替。掺非活性混合材料时,最大掺量不得超过水泥质量10%。

普通水泥由于掺加材料的数量少,性质与不掺混合材料的硅酸盐水泥相近。普通水泥的强度等级分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。

三 普通硅酸盐水泥试验包括的项目

与水泥相关的检测方法有细度检测方法、密度测定方法、标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法、胶砂强度测定方法、胶砂流动度测定方法、浆体流动度测定方法、胶砂耐磨性试验方法、胶砂干缩试验方法、胶砂强度快速试验方法。其中,细度、凝结时间、安定性、标准稠度用水量、水泥胶砂等属于物理性能,下文主要对普通硅酸盐水泥最基本的物理性能试验检测方法进行详细介绍。

a细度:描述水泥粗细程度的参数。它对水泥的水化速度、需水量、和易性、放热速率和强度的形成都有一定的影响。水泥细度应该在合理范围内。

水泥细度测定采用规定筛网上所得筛余物的质量占试样原始质量的百分数或用比表面积来表示水泥样品的细度。操作方法分为水筛和负压筛两种方式，本文着重谈一下负压筛析法。

1、目的、适用范围和引用标准

本方法规定用80μm筛检验水泥细度的测试方法。

本方法适用于硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、道路硅酸盐水泥及指定采用本方法的其它品种水泥。

2、仪器设备

(1)试验筛

①试验筛由圆形筛框和筛网组成,分负压筛和水筛两种,通常工程中采用负压筛作为标准筛,负压筛应附有透明筛盖,筛盖与筛上口应有良好的密封性。

②筛网应紧绷在筛框上,筛网和筛框接触处,应用防水胶密封,防止水泥嵌入。

(2)负压筛析仪

①负压筛析仪由筛座、负压筛、负压源及收尘器组成,其中筛座由转速为30r/min±2r/min的喷气嘴、负压表、控制板、微电机及壳体等部分组成。

②筛析仪负压可调范围为4000Pa～6000 Pa。

③喷气嘴上口平面与筛网之间距离为2mm～8mm。

④负压源和收尘器,由功率≥600W的工业吸尘器和小型旋风收尘筒等组成或用其它具有相当功能的设备。

(3)天平

量程应大于100g,感量不大于0.05g。

3、样品处理

水泥样品应充分拌匀,通过0.9mm方孔筛,记录筛余物情况,要防止过筛时混进其它水泥。

4、试验步骤(负压筛法)

筛析试验前,应把负压筛放在筛座上,盖上筛盖,接通电源,检查控制系统,调节负压至4000pa～6000 pa范围内。

称取试样25g,置于洁净的负压筛中,放在筛座上,盖上筛盖,开动筛析仪连续筛析2min,在此期间如有试样附在筛盖上,可轻轻的敲击筛盖使试样落下。筛毕,用天平称量筛余物。

当工作负压小于4000 pa时,应清理吸尘器内水泥,使负压恢复正常。

5、试验结果

F=RS/m×100

式中:F—水泥式样的筛余百分数(%)；

RS—水泥筛余物的质量(g)；

m—水泥式样的质量(g)。

计算结果精确到0.1%。

b 凝结时间:从加水开始,到水泥浆失去可塑性所需时间。

c 标准稠度用水量:简称稠度,是指水泥净浆达到规定稠度时的加水量,以水泥质量百分率表示,用于测定水泥浆凝结时间和安定性的用水量。

d 安定性:表征水泥硬化后体积变化均匀性的物理指标。雷氏法是观察由两个试针的相对位移所指示的水泥标准稠度净浆体积膨胀程度,而试饼法是观察水泥标准稠度净浆试饼体积膨胀程度。

1、目的、适用范围和引用标准

本方法规定了水泥标准稠度用水量、凝结时间和体积安定性的测试方法。

本方法适用于硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、道路硅酸盐水泥及指定采用本方法的其它品种水泥。

2、仪器设备

(1)水泥净浆搅拌机:符合JC/T 729的要求。

(2)标准法维卡仪:标准稠度测定用试杆有效长度为50mm±1mm、由直径为φ10mm±0.05mm的圆柱形耐腐蚀金属制成。测定凝结时间时取下试杆,用试针代替试杆。试杆由钢制成,其有效长度初凝针为50mm±1mm、终凝针为30mm±1mm、直径为φ1.13mm±0.05mm的圆柱体。滑动部分的总质量为300g±1g。与试杆、试针联结的滑动杆表面应光滑,能靠重力自由下落,不得有紧涩和旷动现象。

盛装水泥净浆的试模应由耐腐蚀的、有足够硬度的金属制成。试模深40mm±0.2mm、顶内径φ65mm±0.5mm、底内径φ75mm±0.5mm的截顶圆锥体,每只试模应配备一个大于试模、厚度大于等于

2.5mm的平板玻璃底板。

(3)代用法维卡仪:符合JC/T 727的要求。

(4)沸煮箱:有效容积约为410mm×240mm×310mm,箅板结构应不影响试验结果,箅板与加热器之间的距离大于50mm。箱的内层由不易锈蚀的金属材料制成,能在30min±5min内将箱内的试验用水由室温升至沸腾并可保持沸腾状态3h以上,整个过程中不需补充水量。

(5)雷氏夹膨胀仪:由铜制材料制成,当一根指针的根部先悬挂在一根金属丝或尼龙丝上,另一根指针的根部再挂上300g质量的砝码时,两根指针的针尖距离增加应在17.5mm±2.5mm范围以内,即2x=17.5mm±2.5mm,当去掉砝码后针尖的距离能恢复至挂砝码前的状态。

(6)湿气养护箱:应能使温度控制在20℃±1℃,相对湿度大于90%。

(7)雷氏夹膨胀值测定仪:标尺最小刻度0.5mm。

3、试样及用水

(1)水泥试样应充分拌匀,通过0.9mm方孔筛并记录筛余物情况,但要防止过筛时混进其它水泥。

(2)试验用水必须是洁净的淡水,如有争议时可用蒸馏水。

4、实验室温度、相对湿度

(1)实验室的温度为20℃±2℃,相对湿度大于50%。

(2)水泥试样、拌合水、仪器和用具的温度应与实验室内室温一致。

5、标准稠度用水量测定(标准法)

(1)试验前必须做到

①维卡仪的金属棒能够自由滑动；

②调整至试杆接触玻璃板时指针对准零点；

③水泥净浆搅拌机运行正常。

(2)水泥净浆拌制

用水泥净浆搅拌机搅拌,搅拌锅和搅拌叶片先用湿布擦过,将拌合水倒入搅拌锅中,然后5s～10s内小心将称好的500g水泥加入水中,防止水和水泥溅出；拌和时,先将锅放在搅拌机的锅座上,升至搅拌位置,启动搅拌机,低速搅拌120s,停15s,同时将叶片和锅壁上的水泥浆刮入锅中间,接着高速搅拌120s停机。

(3)标准稠度用水量测定步骤

①拌合结束后,立即将拌制好的水泥净浆装入已放在玻璃板上的试模中,用小刀插捣,轻轻振动数次,刮去多余的净浆。

②抹平后迅速将试模和底板移到维卡仪上,并将其中心定在试杆下,降低试杆直到与水泥净浆表面接触,拧紧螺丝1s～2s后,突然放松,使试杆垂直自由地沉入水泥净浆中。在试杆停止沉入或释放试杆30s时记录试杆到底板的距离,升起试杆后,立即擦净。

③整个操作应在搅拌后1.5min内完成。以试杆沉入净浆并距底板6mm±1mm的水泥净浆为标准稠度净浆。其拌合水量为该水泥的标准稠度用水量(P),按水泥质量的百分比计。

④当试杆距玻璃板小于5mm时,应适当减水,重复水泥浆的拌制和上述过程,若距离大于7mm时,则应适当加水,并重复水泥浆的拌制和上述过程。

6、标准稠度用水量测定（代用法）

（1）标准稠度用水两的测定可用调整水量法和不变水量法两种方法中的任一种，如发生争议时，以调整水量法为准。采用调整水量法测定标准稠度用水量时，拌合水量应按经验确定加水量；采用不变水量法测定时,拌合水量为142.5mL,水量精确到0.5mL。

（2）试验前须检查项目：仪器金属棒应能自由滑动；试锥降至锥模顶面位置时，指针应对准标尺零点；搅拌机运转正常等。

（3）水泥净浆拌制同5（2）。

（4）水泥标准稠度用水量测定

①拌合结束后，立即将拌好的净浆装入锥模内，用小刀插倒，振动数次后，刮去多余净浆，抹平后迅速放到试锥下面固定位置上,将试锥降至净浆表面处，拧紧螺丝1s∽2s后，突然放松，让试锥垂直自由沉入净浆中，到试锥停止下沉或释放试锥30s时记录试锥下沉深度。整个操作应在搅拌后1.5min内完成。

②用调整水量法测定时，以试锥下沉深度28mm±2mm时的净浆为标准稠度净浆。其拌合水量为该水泥的标准稠度用水量（P），按水泥质量的百分比计。如下沉深度超出范围，须另称试样，调整水量，

重新试验，直至达到28mm±2mm时为止。

③用不变水量法测定时，根据测得的试锥下沉深度S（mm），按式P=33.4-0.185S计算（或仪器上对应标尺）计算得到标准稠度用水量P（%）。当试锥下沉深度小于13mm时，应改用调整水量法测定。

7、凝结时间测定

(1)测定前的准备工作:调整凝结时间测定仪的试针接触玻璃板,使指针对准零点。

(2)试件的制备:以标准稠度用水量按上文②制成标准稠度净浆(记录水泥全部加入水中的时间作为凝结时间的起始时间)一次装满试模,振动数次刮平,立即放入湿气养护箱中。

(3)初凝时间测定

①记录水泥全部加入水中至初凝状态的时间作为初凝时间,用“min”计。

②试件在湿气养护箱中养护至加水后30min时进行第一次测定。测定时,从湿气养护箱中取出试模放到试针下,降低试针与水泥净浆表面接触。拧紧螺丝1s～2s后,突然放松,使使试杆垂直自由地沉入水泥净浆中。观察试针停止沉入或释放试针30s时指针的读数。

③临近初凝时,每隔5min测定一次,当试针沉至距底板4mm±1mm时,为水泥达到初凝状态。

④达到初凝时应立即重复测一次,当两次结论相同时才能定为达到初凝状态。

(4)终凝时间测定

①由水泥全部加入水中至终凝状态的时间为水泥的终凝时间,用 “min”计。

②为了准确观察试件沉入的状况,在终凝针上安装了一个环形附件。在完成初凝时间测定后,立即将试模连同浆体以平移的方式从玻璃板下翻转180º,直径大端向上、小端向下放在玻璃板上,再放入湿气养护箱中继续养护。

③临近终凝时间每隔15min测定一次,当试针沉入试件0.5mm时,即环形附件开始不能在试件上留下痕迹时,为水泥达到终凝状态。

④达到终凝时应立即重复测一次,当两次结论相同时才能定为达到终凝状态。

(5)测定时应注意,在最初测定的操作时应轻轻扶持金属柱,使其徐徐下降,以防止试针撞弯,但结果以自由下落为准；在整个测试过程中试针沉入的位置至少要距试模内壁10mm。每次测定不能让试针落入原针孔，每次测试完毕须将试针擦净并将试模放回湿气养护箱内，整个测试过程要防止试模振动。(使用能得出与标准中规定方法结果的自动测试仪器时,不必翻转试件)。

e水泥胶砂:一定比例的水泥、砂和水的混合物。水泥可以是不同类型的;砂可以是标准砂或ISO砂;一般用水量会根据不同要求而改变。

1、目的、适用范围和引用标准

本方法规定水泥胶砂强度检验基准方法的仪器、材料、胶砂组成、试验条件、操作步骤和结果计算。其抗压强度结果与ISO 679:1989结果等同。

本方法适用于硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、道路硅酸盐水泥及石灰石硅酸盐水泥的抗折与抗压强度检验。采用其它水泥时

必须研究本方法的适用性。

2、仪器设备

(1)胶砂搅拌机

胶砂搅拌机属行星式,其搅拌叶片和搅拌锅作反方向的转动。叶片和锅由耐腐蚀的金属材料制成,叶片与锅底、锅壁之间的间隙为叶片与锅壁最近的距离。制造质量应符合JC/T 681—1997的规定。

(2)振实台

应符合JC/T 682—1997 的规定。由装有两个对称偏心轮的电动机产生振动,使用使用时固定于混凝土基座上。基座高约400mm,混凝土的体积约0.25m3 ,重约600kg。为防止外部振动影响振实效果,可在整个混凝土基座下放一层厚约5mm天然橡胶性衬垫。

将仪器用地脚螺旋丝固定在基座上,安装后设备成水平状态,仪器底座与基座之间要铺一层砂浆以确保它们完全接触。

(3)代用振实台

使用该设备最终得到的28d抗压强度与按ISO 679规定方法得到的强度之差在5%内为合格。使用代用振动台其频率为2800次/min～3000次min,振动台为全波振幅0.75mm±0.02mm。代用振动台应符合JC/T 723—1996 的规定和 GB/T 17671—1999中的要求。

(4)试模及下料漏斗

①试模为可装卸的三联模,由隔板、端板、底座等部分组成,制造质量应符合JC/T 726—1997《水泥胶砂试模》的规定。可同时成型三条截面为40mm×40mm×160mm的棱形试件。

②下料漏斗由漏斗和模套两部分组成。漏斗用厚为0.5mm的白铁皮制作,下料口宽度一般为4mm～5mm。模套高度为20mm,用金属材料制作。套模壁与模型内壁应重叠,超出内壁不应大于1mm。

(5)抗折试验机和抗折夹具

抗折试验机应符合JC/T 724—1996中的要求,一般采用双杠杆式,也可采用性能符合要求的其它试验机。加荷与支撑圆柱必须用硬质钢材制造。通过三根圆柱轴的三个竖向平面应该平行,并在试验时继续保持平行和等距离垂直试件的方向,其中一根支撑圆柱能轻微地倾斜使圆柱与试件完全接触,以便荷载沿试件宽度方向均匀分布,同时不产生任何扭转应力。

抗折强度也可用抗压强度试验机来测定,此时应使用符合上述规定的夹具。

(6)抗压试验机和抗压夹具

①抗压试验机的吨位以200kN～300kN为益。抗压试验机,在较大的4/5量程范围内使用时,记录的荷载应有±1.0%的精度,并具有按2400N/s±200 N/s速率的加荷能力,具有一个能指示试件破坏时荷载的指示器

压力机的活塞竖向轴应与压力机的竖向轴重合,而且活塞作用的合力要通过试件中心。压力机的下压板表面应与该机的轴线垂直并在加荷过程中一直保持不变。

②当试验机没有球座,或球座已不灵活或直径大于120mm时,应采用抗压夹具,由硬质钢材制成,受压面积为40mm×40mm,并应符合JC/T 683—1997的规定。

(7)天平:感量为1g。

3、材料

(1)水泥试样从取样到试验要保持24h以上时,应将其储存在基本装满和气密的容器中,这个容器不能和水泥反应。

(2)ISO标准砂。各国生产的ISO标准砂都可以用来按本方法测定水泥强度。中国ISO标准砂符合ISO 679中的相关要求。

(3)试验用水为饮用水。仲裁试验时用蒸馏水。

4、温度与相对湿度

(1)试件成型实验室应保持实验室温度为20℃±2℃(包括强度实验室),相对湿度大于50%。水泥试样、ISO砂、拌合水及试模等的温度应与室温相同。

(2)养护箱或雾室温度20℃±1℃，相对湿度大于90%，养护水的温度20℃±1℃。

(3)试件成型实验室的空气温度和相对湿度在工作期间每天应至少记录一次。养护箱或雾室温度和相对湿度至少每4h记录一次。

5、试件成型

(1)成型前将试模檫净，四周的模板与底座的接触面上应涂黄油，紧密装配，防止漏浆，内壁均匀地刷一薄层机油。

(2)水泥与ISO砂的质量比为1:3，水灰比0.5。

(3)每成型三条试件需称量的材料及用量为：水泥450g±2g；ISO砂1350 g±5g；水225mL±1ML。

(4)将水加入锅中，再加入水泥，把锅放在固定架上并上升至固定位置。然后立即开动机器，低速搅拌30s后，在第二个30s开始的同时均匀将砂子加入。当砂是分级装时，应从最粗粒级开始，依次加入，再高速搅拌30s。

停拌90s。在停拌中的第一个15s内用胶皮刮具将叶片和锅壁上的胶砂刮入锅中。在高速下继续搅拌60s。各个阶段时间误差应在±1s内。

(5)用振实台成型时，将空试模和模套固定在振实台上，用适当的勺子直接从搅拌锅中将胶砂分为两层装入试模。装第一层时，每个槽里约放300g砂浆，用大播料器垂直架在模套顶部，沿每个模槽来回一次将料层播平，接着振实60次。再装入第二层胶砂，用小播料器播平，再振实60次。移走模套，从振实台上取下试模，并用刮尺以90°的角度架在试模顶的一端，沿试模长度方向以横向锯割动作慢慢向另一端移动，一次将超出试模的胶砂刮去。并用同一直尺在近乎水平的情况下将试件表面抹平。

(6)当用代用振动台成型时，在搅拌胶砂的同时将试模及下料漏斗卡紧在振动台中心。将搅拌好的全部胶砂均匀地装于下料漏斗中，开动振动台120s±5s停车。振动完毕，取下试模，用刮平尺刮去多余胶砂并抹平试件。

(7)在试模上作标记或加字条标明试件的编号和试件相对于振实台的位置。两个龄期以上的试件,编号时应将同一试模中的三条试件分在两个以上的龄期内。

(8)试验前或更换水泥品种时,须将搅拌锅、叶片和下料漏斗等抹擦干净。

6、养护

(1)编好号,将试模放入养护箱养护,养护箱内箅板必须水平。水平放置时刮平面朝上。对于24h龄期的应在破型试验前20min内脱模。对于24h以上龄期的,应在成型后20～24h内脱。模脱模时要非常小心,应防止试件损伤。硬化较慢的水泥允许延期脱模,但须记录脱模时间。

(2)试件脱模后即放入水槽中养护,试件之间间隙和试件上表面的水深不得小于5mm。每个养护池中只能养护同类水泥试件,并应随时加水,保持恒定水位,不允许养护期间全部换水。

(3)除24h龄期或延迟48h脱模的试件外,任何到龄期的试件应在试验(破型)前15min从水中取出。抹去试件表面沉淀物,并用湿布覆盖。

7、强度试验

(1)各龄期(试件龄期从水泥加水搅拌开始算起)的试件应在下列时间内进行强度试验:

龄期 试验时间

——24h 24h±15min;

——48h 48h±30min;

——72h 72h±45min;

——7d 7d±2h;

——28d 28d+8h。

(2)抗折强度试验

①以中心加荷法测定抗折强度。

②采用杠杆式抗折试验机试验时,试件放入前,应使杠杆成水平状态,将试件成型侧面朝上放入抗折试验机内。试件放入后调整夹具,使杠杆在试件折断时尽可能地接近水平位置。

③抗折试验加荷速度为50N/s±10 N/s,直至折断,并保持两个半截棱柱试件处于潮湿状态直至抗压试验。

④抗折强度按下式计算:

Rf=1.5Ff·L/b3

式中:Rf—抗折强度(MPa);

Ff—破坏荷载(N);

L—支撑圆柱中心距(mm);

b—试件断面正方形的边长,为40mm。

⑤抗折试验结果取三个试件平均值,精确至0.1MPa。当三个强度值中有超过平均值±10%的,应剔除后再平均,以平均值作为抗折强度试验结果。

(3)抗压强度试验

①抗折试验后的断块应立即进行抗压试验。抗压试验须用抗压夹具进行,试件受压面为试件成型时的两个侧面,面积为40mm×40mm。试验前应清除试件受压面与加压板间的沙砾或杂物。试件的底面靠紧夹具定位销,断块试件应对准抗压夹具中心,并使夹具对准压力机压板中心,半截棱柱体中心与压力机压板中心差应在±0.5mm内,棱柱体露在压板外的部分约为10mm。

②压力机加荷速度应控制在2400 N/s±200 N/s速率范围内,在接近破坏时更应严格掌握。

③抗压试验按下式计算:

RC=FC/A

式中: RC—抗压强度(MPa);

FC—破坏荷载(N);

A—受压面积, 40mm×40mm=1600mm2。

④抗压强度结果为一组6个断块试件抗压强度的算术平均值,精确至0.1 MPa。如果6个强度值中有一个值超出平均值±10%的,应剔除后以剩下的5个值的算术平均值作为最后结果。如果5个值中再有超过平均值±10%的,则此组试件无效。

四 参考文献：

1、《涵施工技术规范》 JTJ041-2000 人民交通出版社

2、《路面试验检测技术》 人民交通出版社

3、《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》JTG E30-2005

人民交通出版社

4、《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》GB/T 1346-2001

中国标准出版社

5、《水泥胶砂强度检验方法》 GB/T 17671-1999 中国标准出版社