超輕水泥基材料強度測試的影響因素研究

超輕水泥基材料強度測試的影響因素研究馬一平王洋黎志楊曉杰

（同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室上海201804）

摘要：試驗以普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，在中試基地利用化學發(fā)泡法制備了尺寸為1230mmx930mmx330mm的超輕發(fā)泡水泥大塊。本文定義了大塊制品的6個維度，并采用單因子方差分析法及拉依達準則分析了大塊制品內部干表觀密度、抗壓強度及比強度的均勻性，以灰試件尺寸、受壓方向、壓縮變形程度、干燥狀態(tài)及養(yǎng)護制度對超輕發(fā)泡水泥比強度測試結果的影響。結果表明，超輕發(fā)泡水泥大塊制品內部具有較好的均勻性，但試件尺寸、受壓方向、壓縮變形程度、干燥狀態(tài)及養(yǎng)護制度等因素對比強度測試結果影響均較大。

關鍵詞 ：水泥基材料；超輕發(fā)泡水泥；強度測試；單因子方差分析

前言

建筑外墻保溫可以使建筑在使用過程中節(jié)省更多的能源與能量，是建筑節(jié)能的一個有效途徑。目前大量作為外墻保溫使用的有機保溫材料（如EPS、XPS、PU等），雖質輕、保溫效果好，但其易燃、易老化，耐久、耐候性差等缺點也為建筑物日后的使用帶來很多問題和安全隱患。作為一種被廣泛關注的新型節(jié)能墻體材料，超輕水泥基材料在具有保溫、隔熱、隔聲、使用壽命長等多方面優(yōu)越性能的同時，也克服了有機保溫材料易燃、有毒以及施工難等弊端，使用量日益擴大[2-4]，其穩(wěn)定制備和工業(yè)化生產對社會可持續(xù)發(fā)展具有深遠的意義。

國內外對于輕質水泥基材料的研究大多針對300kg/m3以上的普通發(fā)泡水泥，但隨著水泥基材料向輕質化和更高保溫性能方向發(fā)展，低于300kg/m3的超輕發(fā)泡水泥成為其發(fā)展的必然趨勢。超輕發(fā)泡水泥作為一種新型的建筑節(jié)能材料，其建材行業(yè)標準《水泥基泡沫保溫板》(JCIT2200-2024)頒布不久，標準中測試的相關要求較少，材料的制備和測試過程中的問題較多。如用某一配比制備出一塊超輕發(fā)泡水泥大塊制品，其內部強度與密度的均勻性以及不同測試方式對強度測試大小的影響等研究較少，但這些問題的研究對于未來超輕高性能發(fā)泡水泥的制備、檢測及工業(yè)化生產具有重要的指導意義。

由于實驗室的攪拌設備(1400r/min)轉速較低，模具（西150mm×300mm）較小，同一配比制得的超輕發(fā)泡水泥，其強度和密度波動較大。因此課題組在上海松江中試基地通過中等規(guī)模試驗，對超輕發(fā)泡水泥大塊制品強度與密度的均勻性、強度測試方式等進行了相關研究。

1試驗

1.1原材料與儀器

原材料：水泥（上海海螺水泥廠生產的P.042.5普通硅酸鹽水泥）；纖維(上海金山石化廠生產的聚丙烯纖維，纖維長度9mm)；粉煤灰（上海石洞口電廠出產的Ⅱ級粉煤灰）；外加劑（湖南岳陽產雨虹牌聚羧酸系減水劑）；發(fā)泡劑（上海產27.5%雙氧水）；穩(wěn)泡劑（河北產穩(wěn)泡劑）；普通自來水。

儀器：高速攪拌機（北京清大農研科技有限公司生產的單罐攪拌機，轉速2400r/min）；電熱鼓風干燥箱（上海路達實驗儀器有限公司生產的101-2型電熱恒溫鼓風干燥箱）；電子萬能試驗機（深圳市新三思材料檢測有限公司生產的CMT4204型微機控制電子萬能試驗機）。

1.2發(fā)泡水泥制備

準確稱量原材料，先將水泥、纖維、粉煤灰、硅灰以及外加劑充分攪拌，后加入溫水(35℃~45℃)制得均勻的漿料，然后迅速加入發(fā)泡劑攪拌7s~8s后靜停，快速將料漿注入模具。其制備流程如圖1所示，制備模具及其尺寸如圖2所示。

1.3測試方法

1.3．超輕發(fā)泡水泥干表觀密度測試方法

參照《水泥基泡沫保溫板>(JCIT2200-2024)進行測試。隨機抽取3塊樣品，各加工成一塊滿足設備要求的試件，其長、寬不得小于lOOmm，厚度為制品厚度。將需要測試的試件放入干燥箱內，緩慢升溫至65℃±2℃，烘干至恒定質量(恒溫3h兩次稱量試件質量變化率小于0.2%)，稱取自然狀態(tài)下的質量M(kg)。干表觀密度按照公式p=M/V計算，其中V為試件體積(m3)，p為試件的干表觀密度(kg/m3)。`1.3.2超輕發(fā)泡水泥抗壓強度測試方法

參照《水泥基泡沫保溫板》（JC/T2200-2024）進行測試。隨機抽取4塊樣品，各加工成一個受壓面為lOOmmxlOOmm的試件，厚度為制品厚度，但不應大于其寬度，烘干方法同1.3.1。然后將試件移至干燥器中冷卻至室溫，以(lO±l)mm/min的速度對試件經行加荷，直至試件破壞，當試件在壓縮變形5%時沒有破壞，則以壓縮變形5%時的荷載為破壞荷載F(N)?？箟簭姸劝凑展絇=F/S計算，其中S為試件受壓面積(mm2)，P為試件抗壓強度(MPa)。

1.4分析方法

1.4.1超輕發(fā)泡水泥維度定義

超輕發(fā)泡水泥成型養(yǎng)護脫模后（如圖3所示）削皮去邊，加工為1200mm×900mm×300mm的大塊制品，若考察其內部各點強度與密度的均勻性，需利用一定體積的試樣來表征。因此將發(fā)泡水泥大塊制品切割為lOOmm×1OOmm×lOOmm的標準試件（如圖4所示）。將距離大塊邊緣200mm以內的試件定義“邊部”，200mm以外的試件定義“中部”，同時試件又來自“上、中、下”3層，因此試件可分為“邊上、邊中、邊下、中上、中中、中下”6個維度。通過測試各個維度試件的密度與強度，并采用一定的分析方法來檢測超輕發(fā)泡水泥大塊制品內部密度與強度的均勻性。圖3為剛脫模后的超輕發(fā)泡水泥大塊制品及其尺寸，圖4為超輕發(fā)泡水泥大塊的切割方法以及6個維度的示意圖，圖5為超輕發(fā)泡水泥脫模后左半部切割現(xiàn)場圖。

1.4.2重復實驗的單因子方差分析法

由于試驗樣本多，且測試過程中對強度的影響因素較多且相對獨立，因此本試驗主要采用重復實驗的單因子方差分析法，對超輕發(fā)泡水泥抗壓強度的測試影響因素進行分析。分析方法如下：

3個大塊制品進行均勻性檢驗分析。在超輕發(fā)泡水泥大塊制品的7d、14d、28d3個齡期，分別在其“邊上、邊中、邊下、中上、中中、中下”6個維度隨機選取3個樣本，以其干表觀密度、抗壓強度的變化來表征整個大塊制品干密度和強度的波動。在其他條件完全相同的情況下，參照《水泥基泡沫保溫板》(JCIT2200-2024)測其干表觀密度和抗壓強度的大小。

2.1.1干表觀密度均勻性

檢驗試件在大塊制品中的位置（自變量）對超輕發(fā)泡水泥于表觀密度（因變量）的影響，按照1.4的數據分析方法來研究判斷假設Ho:因子A（試件位置）對不同齡期大塊制品的干表觀密度無影響。160密度等級不同維度試件在3個齡期的干表觀密度大小見表1。

其中，檢驗因子A的水平數a=6，每個齡期重復次數m=3．n=am=18，對于160密度等級發(fā)泡水泥的7d表觀密度的檢測，計算如下：

查F檢驗的臨界值表，F(xiàn)=1.9110）剔除超過3σ的數據，求出7d的平均密度為l55.3kg/m3。

200和240密度等級試件的密度均勻性檢驗方法與平均值計算方法同上，計算和檢驗結果見表2。

由表2可知，接受原假設Ho，因子A（試件位置）對各密度等級不同齡期大塊制品的干表觀密度均無影響，即各密度等級不同齡期的大塊制品，其內部干密度大小分布都較為均勻。

從表觀現(xiàn)象上看，試件干密度的測試結果有一定的波動，但筆者發(fā)現(xiàn)其各齡期對應的平均干密度具有一定的規(guī)律性，如圖6所示。隨著齡期的增加，試件的干表觀密度平均值微弱增長。筆者認為出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因，可能是未水化的水泥顆粒隨著時間逐漸水化，超輕發(fā)泡水泥的．化學結合水增加，從而導致干密度有所增大。但各齡期試件平均干密度的變異系數Cv均小于5%，因此可近似認為各密度等級的超輕發(fā)泡水泥大塊制品，其內部的干表觀密度分布都較為均勻。

2.1.2抗壓強度均勻性

檢驗試件在大塊制品中的位置（自變量）對抗壓強度（因變量）的影響，按照1.4的數據分析方法來研究判斷假設Ho:因子A（試件位置）對不同齡期大塊制品的抗壓強度無影響。160密度等級不同維度的試件在3個齡期的抗壓強度大小見表3。

其中，檢驗因子水平數a=6，每個齡期重復次數m=3，n=am=18。200和240密度等級的大塊制品抗壓強度的均勻性檢驗方法、平均值計算方法與2.1.1完全相同，見表4。

由表4可知，當顯著性水平為0.01時，各密度等級試件的F值均小于Fo.o1，接受假設Ho，試件位置對各齡期大塊制品的抗壓強度無明顯影響，即大塊制品內部的強度分布較均勻；但當顯著水平為0.1時，200和240密度等級的部分齡期試件F值大于Fo.o1，即部分齡期的試件分布對強度有一定影響，大塊制品內部的抗壓強度分布不夠均勻。筆者認為由于超輕水泥基材料的強度大小與其干密度相關性較高，若以位置作為單因素，單以抗壓強度為指標并不能完全體現(xiàn)材料的強度性質，因此采用比強度進行分析更為合理。

2.1.3比強度均勻性

比強度是抗壓強度與干表觀密度的比值，是衡量超輕質保溫材料優(yōu)劣的重要參數。筆者認為對于超輕發(fā)泡水泥大塊制品，內部的比強度更能說明材料的強度大小。檢驗試件在大塊制品中的位置（自變量）對比強度（因變量）的影響。按照1.4的分析方法來研究判斷假設Ho:因子A（試件位置）對不同齡期大塊制品的比強度無影響。各密度等級制品的比強度均勻性檢驗方法、平均值計算方法與2.1.1完全相同，結果見表5。

由表5可知，接受原假設Ho，因子A（試件位置）對不同齡期大塊制品的比強度大小無顯著影響，即不同密度等級的各齡期的大塊制品，其內部的比強度分布較為均勻。不同齡期試件的平均抗壓強度和平均比強度如圖7、圖8所示，隨著齡期的增加，各密度等級試件的平均抗壓強度與平均比強度均有所增加，7d—14d之間增幅較大，14d以后增幅有所降低。

綜上所述，對于設計密度等級為l60kg/m3、200kg/m3、240kg/m3的3個超輕發(fā)泡水泥大塊制品，在不同齡期其內部干表觀密度和比強度的大小都具有較好的均勻性。

2.2測試方法對比強度的影響

2.2.1受壓方向

超輕發(fā)泡水泥漿體在模具中形成過程如圖9所示，將漿體垂直地面升高的方向定義為Y軸方向。在建材行業(yè)標準《水泥基泡沫保溫板》(JCIT2200-2024)中，超輕發(fā)泡水泥板的強度檢測并沒有試件受壓方向的要求，但受壓方向對強度大小的影響卻值得研究，因此需要檢驗試件的受壓方向（自變量）和對比強度（因變量）的影響。

由2.1可知，超輕發(fā)泡水泥大塊制品的比強度和干表觀密度具有很好的均勻性。對密度等級為l60kg/m3和240kg/m3的超輕發(fā)泡水泥大塊制品，在其14d齡期分別隨機選取20塊1OOmm×1OOmmx1OOmm的試件，對其中10塊平行與Y軸方向受壓，另外10塊垂直于Y軸方向受壓，在其他條件完全相同的情況下，參照《水泥基泡沫保溫板》(JCIT2200-2024)標準測其抗壓強度，測試結果見表6。

取α=0.01，利用比強度數據研究判斷假設Ho:因子A（平行Y軸受壓）對超輕發(fā)泡水泥比強度是無顯著影響。因子水平數a=2，重復次數m=10，首先檢驗因子對比強度的影響程度，再根據拉依達準則（樣本數m≥l0）剔除超過3σ的數據，求出比強度平均值，計算平行Y軸受壓對發(fā)泡水泥試件比強度的影響幅度，見表7。

由表7可知，拒絕原假設Ho，因子A（平行Y軸受壓）對試件的比強度有極其顯著的影響作用，即160、240密度等級的超輕發(fā)泡水泥試件在其他測試條件完全相同的情況下，垂直Y軸受壓測得的比強度較高，且高于平行受壓19%左右。筆者認為，剛攪拌的發(fā)泡水泥漿體在氣泡長大形成發(fā)泡水泥的過程中，若發(fā)泡動力與阻力相同，則發(fā)泡體為規(guī)則的球狀(如圖10(a)所示）；而實際情況是，發(fā)泡體四周除粘滯阻力外，在Y軸方向還受到漿體的重力。Y軸方向上部的阻力大于發(fā)泡動力，因此球狀泡孔受壓形成不規(guī)則的橢球體泡孔(如圖10(b)所示），從而導致平行Y軸受壓的測試強度偏小，但是導致此現(xiàn)象的具體原因及橢球體受力分析還需以后進行深入研究。

2.2.2試件尺寸

建材行業(yè)標準《水泥基泡沫保溫板》(JCIT2200-2024)中規(guī)定樣品受壓面為lOOmm×lOOmm，樣品厚度即為抗壓試件厚度。但超輕發(fā)泡水泥大塊制品可加工成厚度不同的試件，其厚度對比強度的影響值得研究。因此檢驗試件尺寸（自變量）對比強度（因變量）的影響。

對3個不同密度等級的超輕發(fā)泡水泥大塊制品，在其28d齡期分別隨機選取10塊lOOmmxlOOmm×lOOmm和10塊1OOmmxlOOmm×50mm的試件，在其他條件完全相同的情況下，按照《水泥基泡沫保溫板》(JCIT2200-2024)標準測其抗壓強度，240密度等級試件的抗壓強度測試結果見表8。

取α=0.01，利用比強度數據研究判斷假設Ho:因子A（試件厚度為50mm）對超輕發(fā)泡水泥的比強度無顯著影響。因子水平數a=2，重復次數m=10，檢驗之后再根據拉依達準則（樣本數m≥l0）剔除超過3σ的數據，求出，計算試件厚度對超輕發(fā)泡水泥大塊制品的比強度影響幅度，其檢驗計算結果見表9。

由表9可知，拒絕原假設Ho，因子A(試件厚度為50mm)對超輕發(fā)泡水泥比強度有極其顯著影響作用，即各密度等級的超輕發(fā)泡水泥試件在其他測試條件完全相同時，試件厚度為50mm時測得的比強度較低，且降低幅度可達17%左右。筆者認為可能是因為在相同的受壓面積下，厚試件受壓變形程度比薄試件大從而承受較大的力，導致厚試件的測試比強度偏高，但導致此現(xiàn)象的具體原因待以后深入研究。綜上所述，相同密度等級的超輕水泥大塊制品，其試件厚度對抗壓強度及比強度影響較大。

2.2.3壓縮變形程度

根據《水泥基泡沫保溫板》(JCIT2200-2024)標準要求，若試件在壓縮變形5%時沒有破壞，則以壓縮變形5%時的荷載為破壞荷載F(N)。但筆者在抗壓強度測試過程中發(fā)現(xiàn)，超輕發(fā)泡水泥試件的破壞載荷，有一些在壓縮變形5%前就達到最大值，有一些則在壓縮變形50/0后仍在增加，典型荷載一位移曲線如圖11所示。因此了解試件壓縮變形5%、10%及破壞時的荷載變化，對超輕發(fā)泡水泥的強度研究具有指導意義。

對于240密度等級的超輕發(fā)泡水泥大塊制品，在其28d齡期分別隨機選取10塊1OOmm×1OOmm×1OOmm和10塊1OOmmx1OOmm×50mm大小的試件，在其他條件完全相同的情況下，按照《水泥基泡沫保溫板》(JCIT2200-2024)標準記錄其在壓縮變形5%、10%及破壞時的荷載并計算出比強度，再根據拉依達準則（樣本數m≥l0）剔除超過3σ的數據，求出，測試及計算結果見表10，240密度等級試件不同壓縮變形程度的平均比強度變化如圖12所示。

由表10和圖12可知，240密度等級超輕發(fā)泡水泥試件的破壞載荷在壓縮變形5%后仍在增加，在壓縮變形至10%前后時基本不變。筆者認為其原因可能是試件在壓縮變形5%時，其內部結構并未完全破壞，但變形5%時的內部結構待以后繼續(xù)觀察研究。在同一超輕發(fā)泡水泥大塊制品中切割制備的試件，由于試件厚度不同，測得的比強度也不同，其中l(wèi)OOmm厚試件測得的比強度比50mm厚試件大，與2.2.2中試件厚度對比強度的影響結論相同。

2.2.4干燥狀態(tài)‘根據《水泥基泡沫保溫板》(JCIT2200-2024)標準要求，試件在強度測試前必須干燥至恒重，因此試件的干燥狀態(tài)對比強度的影響也值得研究。檢驗試件的干燥狀態(tài)（自變量）對發(fā)泡水泥比強度（因變量）的影響。

對160密度等級的超輕發(fā)泡水泥大塊制品，在其28d齡期隨機選取20塊尺寸為lOOmmxlOOmm×lOOmm的試件，其中10塊進行干燥處理，另外10塊不做處理。在其他條件完全相同的情況下，按照《水泥基泡沫保溫板》(JCIT2200-2024)標準測其抗壓強度并計算出比強度。取α=0.01，利用比強度數據研究判斷假設Ho:因子A（干燥處理）對比強度無顯著影響。因子水平數a=2，重復次數m=10，檢驗之后再根據拉依達準則(樣本數m≥10)剔除超過3σ的數據，求出，計算干燥處理后超輕發(fā)泡水泥試件的比強度變化幅度，檢驗及計算結果見表11。

由表11可知，拒絕原假設Ho，因子A（干燥處理）對試件比強度大小有極其顯著影響作用，即160密度等級超輕發(fā)泡水泥試件在其他測試條件完全相同時，干燥處理后測得的比強度高11%左右。筆者認為，可能是因為超輕發(fā)泡水泥試件內部自由水侵入了材料內部的毛細孔，減弱了材料內部質點的聯(lián)結，而干燥處理后試件內部水泥水化產物顆粒間的水膜變薄，水化產物的結合有所增強。本文只測試了160密度等級含水率為5.1%時對試件比強度的影響，而各密度等級試件不同含水率對強度的影響規(guī)律及水分子對固相分子的影響作用需要進一步深入研究。

2.3養(yǎng)護制度對抗壓強度的影響

使用普通硅酸鹽水泥制備的超輕發(fā)泡水泥大塊制品，由于其早期強度通常較低且強度發(fā)展較緩慢，從澆筑到脫模一般需要24h甚至更長時間，使模具周轉效率較低；同時由于不同養(yǎng)護方式對超輕發(fā)泡水泥板后期力學性能的影響研究較少但對超輕發(fā)泡水泥板的生產卻有具有指導意義，因此有必要對養(yǎng)護方式對強度的影響進行探索研究。

檢驗試件養(yǎng)護制度（自變量）對比強度（因變量）的影響時，需把成型脫模后的160和200密度等級的超輕發(fā)泡水泥大塊制品切割成lOOmm×lOOmm×lOOmm的試件，隨機選取18塊進行標準養(yǎng)護(采用《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2024)方法，確保溫度20℃±2C、相對濕度95%RH以上），再另選取18塊進行自然養(yǎng)護（在切割后發(fā)泡水泥制品表面覆蓋一層塑料薄膜，以達到保溫保濕的效果）。在其他條件完全相同的情況下，按照《水泥基泡沫保溫板》(JC/T2200-2024)標準，分別測試其在28d齡期時的抗壓強度與密度，從而得到比強度。

按照1.4分析方法，取a=0.01，利用比強度數據研究判斷假設Ho:因子A（標準養(yǎng)護）對試件比強度無顯著影響。因子水平數a=2，重復次數m=18。再根據拉依達準則（樣本數m≥l0）剔除超過3σ的數據，求出，計算養(yǎng)護方式對發(fā)泡水泥塊的比強度影響幅度，檢驗及計算結果見表12。

由表12可知，拒絕原假設Ho，因子A（標準養(yǎng)護）對試件的比強度有極其顯著的影響作用，即不同密度等級的超輕發(fā)泡水泥試件在其他測試條件完全相同時，標準養(yǎng)護后測得的比強度比自然養(yǎng)護低19%左右。普通水泥基材料在相同條件下，標準養(yǎng)護后的強度一般大于自然養(yǎng)護，對于超輕水泥基材料出現(xiàn)的反常情況，筆者認為可能是由于超輕水泥基材料的干縮和碳化作用。—方面，自然養(yǎng)護下較低的濕度使