任务2.5 水泥性能检测
2.5.1 水泥检验一般规定
2.5.1.1 引用标准
（1）《水泥细度检验方法筛析法》（GB/T 1345—2005）。
（2）《水泥比表面积测定方法勃氏法》（GB/T 8074—2008）。
（3）《水泥标准稠度用水量、凝结时间、体积安定性检验方法》（GB/T 1346—2001）。
（4）《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）。
（5）《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）。
2.5.1.2 试验前的准备与注意事项
1.试样制备
将按规定制取的水泥混合样缩分成试验样和封存样。对试验样的水泥，在试验前应过0.9mm方孔筛，并充分拌匀，记录筛余情况，之后将试样放入（105±5）℃烘箱内烘至恒量，移入干燥器内冷却至室温备用。
2.试验用水
常用试验用饮用水，仲裁试验或重要试验需用蒸馏水。
3.环境条件
试件成型时室温为（20±2）℃，相对湿度不低于50%（水泥细度试验可不作此规定）；试件带模养护的湿气养护箱或雾室温度为（20±1）℃，相对湿度不低于90%；水泥试样、标准砂、拌和水及试模等的温度与室温相同。
水泥的试验项目主要有：水泥细度检验、标准稠度加水量测定、凝结时间测定、体积安定性检验和水泥的强度检验。
2.5.2 水泥细度检验
水泥细度检测的目的在于通过控制细度来保证水泥的活性，以控制水泥的质量。水泥细度检验方法有负压筛法、水筛法、手工干筛法和水泥比表面积测定方法（勃氏法）四种。这里仅介绍前三种方法，水泥比表面积测定方法（勃氏法）可参考有关规范。
2.5.2.1 负压筛法
1.主要仪器设备
负压筛：负压可调范围为4000～6000Pa；天平：最大称量为100g，最小分度值不大于0.01g。
2.检验步骤
（1）筛析检验前，将负压筛放在筛座上，盖上筛盖，接通电源，检查控制系统，调节负压在4000～6000Pa范围内。
（2）称取试样25g，放入洁净的负压筛内，盖上筛盖，放在筛座上，开动筛析仪，连续筛析2min，筛析过程中若有试样附着在筛盖上，可轻轻地敲击，使试样落下，筛完用天平称量筛余物，精确到0.01g。
（3）当工作负压小于4000Pa时，应清理吸尘器内的残留物，使负压恢复正常。
2.5.2.2 水筛法
1.主要仪器设备
标准筛、筛座和喷头，其构造见图2.4。
图2.4 水筛法装置系统图
1—喷头；2—标准筛；3—旋转托架；4—集水斗；5—出水口；6—叶轮；7—外筒；8—把手
2.检验步骤
（1）筛析检验前应检查水中无泥、砂，调整好水压及水压架的位置，确保能正常运转。喷头底面和筛网之间的距离为35～75mm。
（2）称取试样50g，置于洁净的水筛内，立即用洁净水冲洗至大部分细粉通过，连续冲洗时间为3min，筛完用少量水将筛余物冲至蒸发皿中，待水泥颗粒全部沉淀后，将清水倒出，烘干后用天平称量筛余物，精确至0.01g。
2.5.2.3 手工干筛法
1.主要仪器设备
筛子（筛框有效直径150mm、高50mm，方孔边长0.08mm的铜布筛）；烘干箱；天平。
2.检验步骤
（1）称取50g试样倒入洁净的干筛中。
（2）用一只手执筛往复摇动，另一只手轻轻拍打，拍打速度每分钟约120次，拍打每40次向同一方向转动60°，使试样均匀地分布在筛网上，直至每分钟通过的试样量不超过0.05g为止；称量剩余物，精确至0.01g。
2.5.2.4 试验结果
三种方法水泥试样筛余百分数按式（2.1）计算（精确至0.1%）：
评定水泥是否合格时，每个样品应该称取两个试样分别筛析，取两次筛余平均值作为结果。若两次筛余结果绝对误差大于0.5%（筛余值大于5.0%可放至1.0%），允许再做一次试验，取两次相近结果的算术平均值作为最终结果。
水泥细度试验按表2.25进行记录，计算结果精确到0.1%。
表2.25 水泥细度记录表
2.5.3 水泥标准稠度用水量的测定
1.试验目的
测定水泥浆具有标准稠度时需要的加水量，作为水泥凝结时间、体积安定性试验时拌和水泥净浆加水量的根据。
2.试验所用主要仪器设备
（1）水泥净浆搅拌机。净浆搅拌机由搅拌锅、搅拌叶片、传动机构和控制系统组成。搅拌叶片在搅拌锅内作旋转方向相反的公转和自转，转速为90r/min，控制系统可以采用自动控制，也可采用人工控制。
（2）维卡仪。维卡仪是用来测定水泥标准稠度与凝结时间的专用仪器（图2.5）。维卡仪的滑动部分总质量为（300±1）g，标准稠度测定用的试杆［图2.5（c）］有效长度为50mm，用直径为10mm的圆柱形耐腐蚀金属材料制成。装水泥净浆的试模［图2.5（a）］由有足够硬度的耐腐蚀金属制成，试模的外形为截顶圆锥体，深度为40mm，顶的内径为65mm，底内径为75mm。每个试模应配备一个面积大于试模、厚度大于等于2.5mm的平玻璃板。
（3）天平（感量1g）及人工拌和工具等。
3.试验过程
（1）检查相关仪器设备，搅拌机能否正常运行，维卡仪的金属试杆能否自由滑动；调整试杆使其接触玻璃板时指针对准维卡仪标尺的零点。
（2）将拌和水倒入搅拌锅内，将称好的500g水泥在5～10s内小心地加入水中，慢速搅拌120s，停拌15s，接着再快速搅拌120s后停机。
（3）拌和完毕，立即将水泥净浆一次装入试模内，用小刀插捣并振密实，然后刮去多余的水泥净浆，抹平后迅速放置在维卡仪的底座上，并与试杆对中。将试杆降至净浆表面，拧紧固定螺钉，然后突然放松螺钉，让试杆自由沉入净浆中。在试杆停止沉入或释放试杆30s时，记录试杆端部距底板的距离，提起试杆后，立即擦净，整个操作应在1.5min内完成。
4.试验结果
以试杆沉入净浆并距底板（6±1）mm的水泥净浆为标准稠度净浆，其拌和水则为该水泥的标准稠度用水量（P），按水泥质量的百分比计，即：试验数据及结果按表2.26记录。
图2.5 测定水泥标准稠度和凝结时间用的维卡仪（单位：mm）
表2.26 水泥标准稠度用水量试验记录表
2.5.4 水泥净浆凝结时间的测定
1.试验目的
测定水泥初凝和终凝所需要的时间，以评定水泥是否符合国家标准的规定。
2.试验所用主要仪器设备
（1）维卡仪。同标准稠度用水量测定时所用维卡仪，只是将原来的试杆换成试针。试针是由钢材制成的直径为1.13mm的圆柱体，初凝测针有效长度为50mm［图2.5（d）］，终凝测针有效长度为30mm［安装环形附件，图2.5（e）］。
（2）水泥净浆搅拌机。
（3）标准养护箱。
3.试验过程
（1）将试模内表面涂油后放在玻璃板上。调整维卡仪的试针，使试针接触玻璃板时指针对准标尺零点。
（2）以标准稠度用水量制成标准稠度净浆，一次装满试模，振动数次并刮平，立即放入养护箱内。记录水泥全部加入水中的时间为凝结时间的起始点。
（3）测定初凝时间。试件在养护箱内养护30min后取出，放置在维卡仪的试针下面进行第一次测定。测定时让试针与水泥净浆表面接触，拧紧螺钉1～2s后突然放松，试针自由扎入净浆内，读出试针停止下沉或释放试针30s时指针所指的数值。当试针扎至距底板（4±1）mm时，水泥则达到初凝状态。
（4）测定终凝时间。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上取下，翻转180°，直径大端朝上，小端朝下放在玻璃板上［图2.5（b）］，再放入养护箱内继续养护，临近终凝时间每隔15min测定一次，当试针扎入试体0.5mm，即环形附件开始不能在试体上留下痕迹时为水泥达到终凝状态。
测定时应注意，在最初测定的操作时，应轻轻扶住金属柱，使其徐徐下降，以防试针撞弯，但结果以自由下落为准；在整个测定过程中，试针扎入的位置至少应距试模内壁10mm。临近初凝时，每隔5min测定一次，临近终凝时每隔15min测定一次，到达初凝或终凝时应立即重复测定一次，当两次结论相同时，才能定为水泥到达初凝或终凝状态。每次测定不准让试针扎入原针孔，每次测试完毕须将试针擦净，并将试模放回湿气养护箱内，整个测定过程中都要防止试模受振动。
4.试验结果
由水泥全部加水开始至初凝、终凝状态的时间分别为该水泥的初凝时间和终凝时间，用分钟（min）来表示，记录表见表2.27。
表2.27 水泥凝结时间记录表
2.5.5 水泥体积安定性检测
1.试验目的
检测水泥浆在硬化时体积变化的均匀性，以决定水泥是否可以用于工程。
2.试验方法
可用“雷氏法”和“试饼法”测定水泥体积安定性。若试验过程出现争议时，以雷氏法为准。雷氏法是指测定水泥净浆在雷氏夹中沸煮后的膨胀值来判测水泥安定性是否合格；试饼法则是通过观察水泥净浆试饼沸煮后的外形变化来检验水泥的体积安定性。
3.试验所用主要仪器设备
（1）沸煮箱。沸煮箱的有效容积为410mm×240mm×310mm，篦板结构应不影响试验结果，篦板与加热器之间的距离应大于50mm。箱的内层由耐蚀的金属材料制成，能在（30±5）min内将箱内的试验用水由室温升至沸腾状态3h以上，整个试验过程中不需补充水量。
（2）雷氏夹。雷氏夹的构造见图2.6。雷氏夹用铜质材料制成，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质量为300g的砝码时，两根指针的针尖距离增加应在（17.5±2.5）mm范围内。当去掉砝码后，针尖的距离应能恢复到挂砝码前的状态（图2.7）。
图2.6 雷氏夹（单位：mm）
1—指针；2—环模
图2.7 雷氏夹受力示意图
（3）雷氏夹膨胀测量仪。标尺最小刻度为0.5mm，外形构造见图2.8。
（4）水泥净浆搅拌机、标准养护箱、量水器、天平。
4.试验过程
（1）水泥标准稠度净浆制备。称取送验水泥500g，加入标准稠度用水量，在水泥净浆搅拌机内搅拌水泥净浆。
（2）试件制作。采用试饼法测定时，将拌制好的水泥净浆取出约150g，分成两等份，并使之成球形。将其放在预先准备好的玻璃板（100mm×100mm，表面涂一层油脂膜）上，轻轻振动玻璃板，用湿布擦过的小刀由边缘至中央抹动，做成直径为70～80mm，中心厚约10mm，边缘渐薄、表面光滑的试饼。将做好的试饼放入养护箱内养护（24±2）h。
图2.8 雷氏夹膨胀测量仪（单位：mm）
1—底座；2—模子座；3—测弹性标尺；4—立柱；5—测膨胀值标尺；6—悬臂；7—悬丝
采用雷氏法测定时，将内壁涂有机油的雷氏夹放在稍涂有机油的玻璃板上，并立刻将已制好的标准稠度净浆装满试模，装模时用一只手轻扶雷氏夹，另一只手用宽度约10mm的小刀插捣数次，然后抹平并盖上稍涂有机油的玻璃板，接着将试件移至养护箱内养护（24±2）h。
（3）沸煮。养护结束后，将试件从玻璃板上脱出。调整沸煮箱的水位，使试件在整个沸煮过程中都能被水淹没，且中途不需要加水，同时又能保证在（30±5）min内加热至沸腾。
采用试饼法检测时，先检查试饼是否完整（如出现开裂翘曲要检查原因，确无外因时，该试件认定不合格，不必进行沸煮）。在试件无缺陷的情况下，将试饼放在沸煮箱的箅板上，然后在（30±5）min内加热至沸腾，并恒沸3h±5min。
采用雷氏法检测时，先测量雷氏夹指针端尖的距离（A），精确至0.5mm，然后将雷氏夹指针放入水中箅板上，指针朝上，试件之间互不交叉，然后在（30±5）min内加热至沸腾，并恒沸3h±5min。
沸煮结束，即放掉箱中热水，打开箱盖，待箱体冷却至室温时，取出试件进行观察和确定。
5.试验结果
（1）试饼法要目测试饼未发现裂纹，用直尺检查也没有弯曲，则认定该水泥体积安定性合格，反之为不合格。当两块试饼的观测结果有矛盾时，该水泥的体积安定性也认定不合格。
（2）雷氏夹法要测量指针尖端距离（C），计算沸煮后指针间距的增加值（C－A），取两个试件的平均值为试验结果，当（C－A）不大于5mm时，则认定该水泥体积安定性合格，反之为不合格。当两个试件的（C－A）值大于4mm时，应用同一样品重做一次试验；再次试样结果仍如此，则认定该水泥的体积安定性为不合格。安定性不合格的水泥禁用。试验结果记录表见表2.28。
表2.28 水泥安定性记录表
2.5.6 水泥胶砂强度检验
1.检验目的
检验水泥3天、28天抗压强度、抗折强度，以确定水泥的强度等级；或已知水泥的强度等级，检验其强度是否满足国家标准中规定的3天、28天龄期强度数值。
2.检验所用主要仪器设备
（1）水泥胶砂搅拌机。图2.9所示为搅拌机的主体构造，它由胶砂搅拌锅和搅拌叶片及相应的机构组成，可以很方便地固定在锅座上，而搅拌时不会晃动和转动。搅拌机工作原理为行星式，搅拌叶片呈扇形，搅拌时除顺时针自转外，还要沿搅拌锅周边逆时针做公转，并具有高、低两种转速。搅拌叶片与锅底、锅壁的工作间隙为3mm。搅拌机运转时声音应正常，绝缘电阻应不小于2MΩ。
图2.9 水泥胶砂搅拌机
图2.10 试模构造
1—隔板；2—端板；3—底座；4—紧固装置；5—定位销
（2）振动台。水泥胶砂试体成型振动台由可以跳动的台盘和使其跳动的凸轮机构等组成，振动台的振动频率为60次/（60±2）s，振动幅为（15±0.3）mm。
（3）试模。试模是由3个水平模槽组成的可拆卸的三联膜，其构造由隔板、端板、底座、紧固装置和定位销等组成。模槽内腔尺寸为40mm×40mm×160mm，三边应互相垂直，见图2.10。
（4）抗折强度试验机。一般构造为电动双杠杆式，抗折机上支撑胶砂试件的两支撑圆柱的中心距为（100±0.2）mm。
（5）抗压强度试验机。一般用万能试验机，最大荷载以200～300kN为宜，压力机应具有加荷速度自动调节和记录结果的装置，同时应配有抗压试验用的专用夹具，夹具由优质碳钢制成，受压面积为40mm×40mm。
3.试体成型过程
（1）配料。取被检测水泥（450±2）g、标准砂（1350±2）g、拌和水（225±1）g，配制1∶3水泥胶砂，水灰比为0.50。
（2）搅拌。将搅拌锅放在底座上并予以固定。先往锅内加水，再加水泥，开动搅拌机低速搅拌30s后，在第二个30s开始的同时均匀地加入标准砂，将搅拌机转至高速，再搅拌30s形成匀质水泥胶砂；停拌90s，在第一个15s内用一橡胶刮具将搅拌叶片和锅壁上的胶砂刮入锅内；在高速下继续搅拌60s。各搅拌阶段时间误差应不超过±1s。
（3）成型。胶砂制备好后立即用振动台成型。将空试模和模套固定在振动台上，用勺子从搅拌锅内将胶砂分两层装入试模：装第一层时，每个槽内约放入300g胶砂，用大播料器垂直将每个模槽的料层播平，接着振动60次；再装入第二层胶砂，用小播料器播平，再振动60次。移走模套，取下试模，用金属直尺垂直沿试模长度方向，以横向锯割动作慢慢地向另一端移动，将超过试模的胶砂一次刮去，并用同一直尺将试体表面抹平。最后，在试模上做标记或贴上字条，标明试体编号。
4.试件养护
（1）将编好号的试模放入雾室或湿箱的水平架子上养护［温度为（20±1）℃、相对湿度大于90%］20～24h后取出脱模。硬化速度较慢的水泥，可以延长脱模时间，但要做好记录。
（2）脱模。脱模时间对于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之间进行脱模。
（3）水中养护。将做好标记的试件垂直或水平放入（20±1）℃的水中进行养护，试件水平放置时，刮平的平面应朝上，试件在水中6个面都要与水接触，且试件之间的间隔及试件上表面的水深都不得小于5mm。
每个养护水池只准养护同类型的水泥试件。除24h龄期或延迟至48h脱模的试体外，任何到龄期的试体应在试验前15min从水中取出，揩去试体表面的沉积物，并用湿布盖至试验时止。
5.强度检验
强度检验试体的龄期是从水泥和水搅拌开始试验时计算。不同龄期强度检验在下列时间里进行：
24h±15min，48h±30min，72h±45min，7d±2h，28d±8h。
（1）抗折强度检验。将试体一个侧面放在抗折机的支撑圆柱上，试体长轴垂直于支撑圆柱，通过加荷圆柱以（50±10）N/s的速率将荷载均匀地加在棱柱体相对侧面上，直至折断试体。保持两个半截棱柱体处于潮湿状态直至抗压强度检验。抗折强度Rf以MPa表示，按公式（2.3）进行计算：
（2）抗压强度检验。将半截棱柱体装在抗压夹具内，棱柱体中心与夹具压板受压中心间距差应在±0.5mm以内，棱柱体露在压板外的部分约为10mm。开动压力机，以（2400±200）N/s的加荷速率均匀地向试体加荷直至破坏。抗压强度Rc以MPa为单位，按公式（2.4）进行计算：
6.强度检验结果评定
抗折强度是以一组三个棱柱体抗折强度的平均值作为检验结果。当三个强度值中有超出平均值的±10%时，应将该值剔除后再取平均值作为抗折强度的检验结果。
抗压强度是以一组三个棱柱体得到的6个抗压强度测定值的算术平均值作为检验结果。如果6个测定值中有一个超出其平均值的±10%，就应剔除这个数值，而以余下5个值的平均值作为检测结果；如果5个测定值中再出现超过它们平均数的±10%时，则此组试体作废。
各试体抗折强度计算精确至0.1MPa，抗折强度平均值计算也要求精确至0.1MPa；各个半棱柱体得到的单个抗压强度结果计算精确至0.1MPa，抗压强度的平均值计算也要精确至0.1MPa。试验数据按表2.29进行记录。
表2.29 水泥强度试验记录表
