1.3.3　水泥的检测

1.3.3　水泥的检测

通用硅酸盐水泥的质量检测,即对其主要技术指标的检测,包括化学指标和物理指标两个方面。

1.3.3.1　化学指标

通用硅酸盐水泥的化学指标应符合表1.9的规定。

表1.9　通用硅酸盐水泥的化学指标　%

1.3.3.2　物理指标

水泥检测的物理指标包括：细度、凝结时间、安定性、标准稠度用水量和强度。

1. 细度

水泥细度是指水泥颗粒粗细程度。同样成分的水泥,颗粒越细,与水接触的表面积越大,水化反应越快,早期强度发展越快。但颗粒过细,易产生裂缝。所以细度应控制在适当范围。一般水泥颗粒小于40μm 时,才具有较高的活性。

(1)检验目的：检验水泥颗粒的粗细程度,用以评定水泥的质量。

(2)检验方法：负压筛法。

(3)仪器设备：试验筛、天平和负压筛仪(图1.27)、负压筛析仪由负压筛、筛座、负压源及吸尘器组成。

图1.27　负压筛

(4)试验操作步骤：

1)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4000～6000Pa范围内。

2)称取试样25g,置于洁净的负压筛中,盖上筛盖,放在筛座上,并打开筛析仪连续筛析2min,在此期间如有试样附着在筛盖上,可轻轻地敲击,使试样落下。筛毕,用天平称量筛余物。

3)当工作负压小于4000Pa时,应清理吸尘器内水泥,使负压恢复正常。

(5)试验数据处理。水泥试样筛余百分数按下式计算：

式中　F——水泥试样的筛余百分数,%；

Rs——水泥筛余物的重量,g；

W ——水泥试样的重量,g。

结果计算至0.1%。

(6)成果评定标准。《通用硅酸盐水泥》 (CB175—2007)规定：硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度以比表面积表示,其比表面积不小于300m2/kg；矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的细度以筛余表示,其80μm 方孔筛筛余率不大于10%或45μm 方孔筛筛余不大于30%。

2. 标准稠度用水量

标准稠度用水量是将水泥调制成具有标准稠度的净浆所需要的水量,以用水量与水泥质量的百分数表示。

(1)检验目的：测定水泥调制成具有标准稠度的净浆所需要的水量,作为测定水泥的凝结时间、体积安定性试验的用水标准。

(2)检验方法：标准法。

(3)仪器设备：水泥净浆搅拌机(图1.28)、标准法维卡仪(图1.29)、天平(图1.30)、量筒(图1.31)、圆模等。

图1.31　量筒

图1.30　天平

图1.28　水泥净浆搅拌机

图1.29　标准维卡仪

(4)试验操作步骤：

1)试验前必须做到：维卡仪的金属棒能够自由滑动；调整至试杆接触玻璃板时指针对准零点；水泥净浆搅拌机运行正常。

2)拌制水泥净浆。用水泥净浆搅拌机搅拌,搅拌锅和搅拌叶片先用湿布擦过,将拌和水倒入搅拌锅中,然后5～10s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)拌和结束后,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。

4)抺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上,降低试杆直到与水泥净浆表面接触,拧紧螺丝1～2s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。

5)整个操作应在搅拌后1.5min内完成。

6)当试杆距底板小于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。

(5)试验数据处理。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,其拌和水量为该水泥的标准稠度用水量(P),记录此时所用的水与水泥的量,以用水量与水泥质量的百分数表示。按式(1.2)计算：

式中　P——水泥的标准稠度用水量,%；

m1——水泥净浆达到标准稠度时拌和用水量,g；

m2——水泥试样质量,g。

结果计算至0.1%。

(6)成果判定标准。

《水泥标准稠度用水量凝结时间安定性检验方法》(GB/T1346—2001)中规定：硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在21%～28%。

注：整个试验操作应在搅拌后1.5min内完成。

3. 凝结时间

水泥凝结的快慢用凝结时间表示,凝结时间分初凝和终凝。

初凝是从水泥加水拌和起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需要的时间。

终凝是从水泥加水拌和起,至水泥浆完全失去塑性并开始产生强度所需的时间。

(1)检验目的：测定水泥的初凝时间和终凝时间,评定水泥的质量。

(2)检验方法：标准法。

(3)仪器设备：湿气养护箱,其他(同标准稠度用水量测定试验)。

(4)试验步骤：

测定前的准备工作：调整凝结时间测定仪的试针接触底板,使指针对准零；试件的制备。

初凝时间测定步骤：

1)记录水泥全部加入水中到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1～2s后,突然放松,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时的指针读数。

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。

终凝时间测定步骤：

1)由水泥全部加入水中至终凝状态的时间作为终凝时间,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底板下翻转180°,直径大端向上、小端向下放在底板上,再放入湿气养护箱中继续养护。

3)临近终凝时间时每隔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。

测定凝结时间时应注意,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,每次测试完毕应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。

(5) 试验数据处理。按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T1346—2011)的规定,记录试针沉至距底板4mm±1mm 时所需要的时间；记录试针沉入水泥浆0.5mm 时所需要的时间。

(6)成果判定标准。

国家标准规定：硅酸盐水泥初凝时间不得小于45min,终凝时间不得大于390min。

普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的初凝时间不得小于45min,终凝时间不得大于600min。

结合情景导入分析,通用硅酸盐水泥的凝结时间不宜过早,以便有足够的时间对混凝土进行运输、搅拌和浇筑等工序,否则在施工前已失去流动性和可塑性而无法施工。终凝时间不宜过迟,考虑到施工进度的安排,要求混凝土能尽快产生强度,有利于下一步施工工序的进行,同时有利于模板的周转从而降低工程造价,否则将延长施工进度和模板周转期。

4. 体积安定性

水泥体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。如果水泥硬化后产生不均匀的体积变化,即为体积安定性不良,安定性不合格的水泥应作废品处理,不能用于工程中。若使用安定性不良的水泥或水泥制品,会使构件产生膨胀性裂缝,降低建筑物的质量,甚至引起严重事故。

引起水泥安定性不良的原因有很多,主要有以下三种：熟料中所含的游离氧化钙过多、熟料中所含的游离氧化镁过多或掺入的石膏过多。

水泥安定性经沸煮法检验(CaO)必须合格；水泥中氧化镁(MgO)含量不得超过5.0%。如果水泥经压蒸安定性试验合格,则水泥中氧化镁的含量允许放宽到6.0%；水泥中三氧化硫(SO3)的含量不得超过3.5%。

(1)检验目的：测定水泥在凝结硬化过程中体积变化是否均匀,评定水泥的质量。

(2)检验方法：雷氏法(标准法)和代用法(试饼法)。

(3)仪器设备：雷氏沸煮箱(图1.32)、雷氏夹、雷氏夹测量仪(图1.33)、水泥净浆搅拌机和湿气养护箱等。

图1.32　沸煮箱

图1.33　雷氏夹测量仪及雷氏夹

(4)试验步骤：

1)体积安定性的测定方法——雷氏法(标准法)。

a. 测定前的准备工作。每个试样需要两个试件,每个雷氏夹需配备质量75～80g的玻璃板两块。凡与水泥净浆接触的玻璃板和雷氏夹表面都要稍稍涂上一层油。

b. 雷氏夹试件的制备方法。将预先准备好的雷氏夹放在已稍擦油的玻璃板上,并立刻将已制好的标准稠度净浆装满雷氏夹。装浆时一只手轻扶持雷氏夹,另一只手用宽约10mm 的小刀插捣数次然后抺平,盖上稍涂油的玻璃板,接着立刻将雷氏夹移至湿气养护箱中养护24h±2h。

c. 沸煮。

(a)调整好沸煮箱内的水位,使之在整个沸煮过程中都能没过试件,不需中途添补试验用水,同时保证在30min±5min内水能沸腾。

(b)脱去玻璃板取下试件,先测量雷氏夹指针尖端间的距离A,精确到0.5mm,接着将试件放入水中箅板上,指针朝上,试件之间互不交叉,然后在30min±5min内加热水至沸腾,并恒沸3h±5min。

d. 试验数据处理：沸煮结束后,即放掉箱中的热水,打开箱盖,待箱体冷却至室温,取出试件进行测量。测量雷氏夹指针尖端间的距离C,精确到0.5mm。

e. 成果判定标准：当两个试件煮后增加距离(C—A)的平均值不大于5.0mm 时,即认为该水泥安定性合格；当两个试件的(C—A)的值相差超过4.0mm 时,应用同一样品立即重做一次试验。再如此,则认为该水泥为安定性不合格。

2)体积安定性的测定方法——代用法(试饼法)。

a. 测定前的准备工作。每个样品需要两块约100mm×100mm 的玻璃板。凡与水泥净浆接触的玻璃板都要稍稍涂上一层隔离剂。

b. 试饼的成型方法。将制好的净浆取出一部分分成两等份,使之成球形,放在预先准备好的玻璃板上,轻轻振动玻璃板并用湿布擦净的小刀由边缘向中央抺动,做成直径70～80mm、中心厚约10mm、边缘渐薄、表面光滑的试饼,接着将试饼放入湿气养护箱中养护24h±2h。

c. 沸煮

(a)调整好沸煮箱内的水位,使之在整个沸煮过程中都能没过试件,不需中途添补试验用水,同时保证在30min±5min内水能沸腾。

(b)脱去玻璃板取下试件,先检查试饼是否完整(如已开裂、翘曲,要检查原因,确定无外因时,该试饼已属不合格品,不必沸煮),在试饼无缺陷的情况下将试饼放入水中箅板上,然后在30min±5min内加热水至沸腾,并恒沸3h±5min。

d. 试验数据处理。沸煮结束后,即放掉箱中的热水,打开箱盖,待箱体冷却至室温,取出试件进行观测。目测试饼表面和底部是否发现裂缝,用钢直尺检查是否有弯曲(使钢直尺和试饼底部紧靠,以两者间不透光为不弯曲)。

e. 结果判别。目测试饼表面和底部未发现裂缝,用钢直尺检查也没有弯曲(使钢直尺和试饼底部紧靠,以两者间不透光为不弯曲)的试饼的安定性合格；当试饼表面出现崩裂、龟裂或者试饼弯曲、翘曲时(图1.34),则认定该水泥的安定性不合格。

图1.34　水泥安定性不合格的试饼

注意：当雷氏夹法和试饼法的结果矛盾时,以雷氏夹法为主。

5. 强度等级

水泥的强度是指水泥胶结砂的强度,包括抗折强度和抗压强度两个。由于水泥强度随着凝结硬化逐渐增长,所以国家标准规定了不同龄期的强度值,用以限定不同强度等级水泥的强度增长速度。国家标准《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》(GB/T17671—1999)规定,水泥强度必须按照该标准的规定制作试件(试件尺寸40mm×40mm×160mm),在标准养护条件[(20±1)℃]下,养护至3d和28d,测定各龄期的抗折强度和抗压强度,该值用以评定水泥的强度等级。

(1)检验目的：检验水泥各龄期强度,以确定强度等级；或已知水泥强度等级,检验其强度是否满足水泥标准要求。水泥胶砂强度检验主要是水泥抗折强度和抗压强度的检验。

(2)检验方法：标准法。

(3)仪器设备：行星式水泥胶砂搅拌机：搅拌叶和搅拌锅作相反方向转动；试模(图1.35)：可装拆的三连模,由隔板、端板和底座组成；振实台(图1.36)：由同步电机带动凸轮转动,使振动部分上升定值后自由落下,产生振动,振动频率为60 次/(60±2)s,落距(15±0.3)mm；套模：壁高为20mm 的金属模套,当从上向下看时,模套壁与试模内壁应该重叠；抗折强度试验机；抗压试验机及抗压夹具：抗压试验机以200～300kN 为宜,应有±1%精度,并具有按(2400±200)N/s速率的加荷能力；抗压夹具由硬质钢材制成,受压面积为40mm×40mm；两个播料器和金属刮平直尺。

图1.35　水泥试模

图1.36　振实台

(4)试验步骤：

1)试件的制备和养护。

a. 胶砂的制备。胶砂的质量配合比为一份水泥、三份标准砂和半份水。一锅胶砂成三条试体,每锅材料需要量为水泥450g,水225g,标准砂1350g。

搅拌：把水加入锅内,再加入水泥,把锅放在固定架上,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开始的同时均匀地将砂加入(当各级砂是分装时,从最粗粒级开始,依次将所需的每级砂量加完),高速再拌30s后；停拌90s,在第一个15s内用一胶皮刮具将叶片和锅壁上的胶砂,刮入锅中间；在高速下继续搅拌60s。

b. 试件成型。胶砂制备后立即进行成型。将涂机油的三联模和模套固定在振实台上,用一个适当勺子直接从搅拌锅里将胶砂分两层装入试模,装第一层时,每个槽里约放300g胶砂,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,取下试模,用金属直尺以近似90°的角度架在试模模顶的一端,然后沿试模长度方向以横向锯割动作慢慢向另一端移动,一次将超过试模部分的胶砂刮去,并用同一直尺以近乎水平的情况下将试体表面抹平。

c. 试件养护。

(a)在试模上作标记后,将试件带试模放入雾室或湿箱的水平架上养护。对于24h以上龄期的应在成型后20～24h 之间脱模；对于24h以下龄期的,应在破型试验前20min内脱模。脱模前,对试件进行编号,两个龄期以上的试件,在编号时应将同一试模中的三条试件分在两个以上龄期内。

(b)将做好标记的试件立即水平或竖直放在(20±1)℃水中养护,水平放置时刮平面应朝上。养护期间试件之间间隔或试件上表面的水深不得小于5mm。每个养护池只养护同类型的水泥试件,试件水中养护期间不允许全部换水。除24h 龄期或延迟至48h 脱模的试件外,任何到龄期的试件应在试验前15min 从水中取出。揩去试件表面沉积物,并用湿布覆盖至试验为止。

d. 强度试验。不同龄期强度试验应在规定时间里进行：24h±15min 、48h±30min、72h±45min、7d±2h、＞28d±8h。

(a)抗折强度试验。

a)将试件一个侧面放在试验机支撑圆柱上,试件长轴垂直于支撑圆柱,通过加荷圆柱以(50±10)N/s的速率均匀地将荷载垂直地加在棱柱体相对侧面上,直至折断,记录抗折破坏荷载Ff(N)。

b)抗折强度Rf按下式计算(精确至0.1MPa)。

式中　Ff——折断时施加于棱柱体中部的荷载,N；

L——支撑圆柱之间的距离,mm；

b——棱柱体正方形截面的边长,mm。

(b)抗压强度试验。

a)将折断的半截棱柱体置于抗压夹具中, 以试件的侧面作为受压面。 半截棱柱体中心与压力机压板中心差应在±0.5mm 内, 试件露在压板外部分约有10mm。 在整个加荷过程中以(2400±200)N/s的速率均匀地加荷直至破坏, 并记录破坏荷载Fc(N)。

b)抗压强度Fce,c按下式计算(精确至0.1MPa)：

式中　Fce,c——单块抗压强度测定值,MPa；

Fc——破坏时的最大荷载,N；

A——受压部分面积,mm2。

e. 试验数据处理。抗折强度试验：以一组三个棱柱体抗折结果的平均值作为试验结果。当三个强度值中有超出平均值±10% 时,应剔除后再取平均值作为抗折强度试验结果。

抗压强度试验：以一组三个棱柱体得到的六个抗压强度测定值的算术平均值为试验结果。如六个测定值中有一个超出平均值的±10%,应剔除这个结果,以剩下五个的平均数为结果。如五个测定值中再有超过它们平均数±10%时,则此组结果作废。

f. 成果判定标准。不同品种不同强度等级的通用硅酸盐水泥,其不同龄期的强度应符合表1.10的规定。试验数据若低于表1.10中的规定,就与低一个级别的数值比较,符合低一个级别的就对该水泥降低使用；若没有可比性,则定为不合格品。

表1.10　通用硅酸盐水泥各龄期强度　单位：MPa

结合情景导入分析,在选择水泥类型时,根据工程施工要求,相同强度等级的普通硅酸盐水泥与矿渣水泥28d强度指标相同,但普通硅酸盐水泥3d的强度指标要高于矿渣水泥3d的强度值,故从缩短工程工期来看选用普通硅酸盐水泥更为有利。

6. 水化热

水化热是指水泥和水之间发生化学反应放出的热量,通常以焦耳表示。

水泥水化热所放热量的大小取决于水泥熟料中的矿物组成和细度等因素。大部分水化热是在水化初期(7d内)放出的,以后逐步减少。

水化热大,对冬季施工是有利的,有利于水泥的凝结硬化和强度的发展,但是对大体积混凝土工程不利,容易使混凝土产生裂缝,从而影响建筑物的安全。在大体积混凝土工程(如大型基础、大坝、桥墩等),积聚在混凝土内部的水化热不易散出,常使其内部温度高达50～60℃,由于混凝土表面散热很快,内外温差引起的温度应力可使混凝土产生裂缝。因此,大体积混凝土工程通过采用中、低热水泥替代高热水泥的方法来降低水泥的水化热。

结合情景导入分析,在进行大坝浇筑时,优先选择粉煤灰水泥。因为粉煤灰水泥发生水化反应时,产生的水化热较低,属于低热水泥。此外对混凝土采取一定的降温措施,能够降低裂缝产生的可能性。

7. 不溶物、烧失量、氧化镁、三氧化硫和碱含量

不溶物是指水泥中含有的不能被一定浓度的酸和碱溶解的物质。烧失量是指水泥在一定的温度和灼烧时间内失去的质量和原有质量的比值。不溶物和烧失量可以间接地衡量水泥的质量,是评定水泥是否掺假的重要指标。

8. 规定

Ⅰ型硅酸盐水泥中不溶物不得超过0.75%,Ⅱ型硅酸盐水泥中不溶物不得超过1.50%。

Ⅰ型硅酸盐水泥中烧失量不得超过3.0%,Ⅱ型硅酸盐水泥中烧失量不得超过3.5%。用烧失量来限制石膏和混合材料中杂质含量,以保证水泥质量。

水泥中氧化镁的含量不宜超过5.0%。如果水泥经压蒸安定性试验合格,则水泥中氧化镁的含量允许放宽到6.0%。

水泥中三氧化硫的含量不得超过3.5%。三氧化硫过量会与铝酸钙矿物生成较多的钙矾石,产生较大的体积膨胀,引起水泥安定性不良。

水泥中碱含量按Na2O＋0.658K2O 计算值来表示。若使用活性骨料,要求提供低碱水泥时,水泥中碱含量不得大于0.60%或由供需双方商定。

结合案例对该工程所使用的强度为42.5的普通硅酸盐水泥进行物理性能检测,其检测结果见表1.11。