超轻水泥基材料强度测试的影响因素研究

马一平 王洋 黎志 杨晓杰

（同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室上海201 804）

摘 要：试验以普通硅酸盐水泥为胶凝材料，在中试基地利用化学发泡法制备了尺寸为1230mmx 930mmx 330mm的超轻发泡水泥大块。本文定义了大块制品的6个维度，并采用单因子方差分析法及拉依达准则分析了大块制品内部干表观密度、抗压强度及比强度的均匀性，以灰试件尺寸、受压方向、压缩变形程度、干燥状态及养护制度对超轻发泡水泥比强度测试结果的影响。结果表明，超轻发泡水泥大块制品内部具有较好的均匀性，但试件尺寸、受压方向、压缩变形程度、干燥状态及养护制度等因素对比强度测试结果影响均较大。

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关键词 ：水泥基材料；超轻发泡水泥；强度测试；单因子方差分析

前言

建筑外墙保温可以使建筑在使用过程中节省更多的能源与能量，是建筑节能的一个有效途径。目前大量作为外墙保温使用的有机保温材料（如EPS、XPS、PU等），虽质轻、保温效果好，但其易燃、易老化，耐久、耐候性差等缺点也为建筑物日后的使用带来很多问题和安全隐患。作为一种被广泛关注的新型节能墙体材料，超轻水泥基材料在具有保温、隔热、隔声、使用寿命长等多方面优越性能的同时，也克服了有机保温材料易燃、有毒以及施工难等弊端，使用量日益扩大[2-4]，其稳定制备和工业化生产对社会可持续发展具有深远的意义。

国内外对于轻质水泥基材料的研究大多针对300kg/m3以上的普通发泡水泥，但随着水泥基材料向轻质化和更高保温性能方向发展，低于300kg/m3的超轻发泡水泥成为其发展的必然趋势。超轻发泡水泥作为一种新型的建筑节能材料，其建材行业标准《水泥基泡沫保温板》(JCIT2200-2013)颁布不久，标准中测试的相关要求较少，材料的制备和测试过程中的问题较多。如用某一配比制备出一块超轻发泡水泥大块制品，其内部强度与密度的均匀性以及不同测试方式对强度测试大小的影响等研究较少，但这些问题的研究对于未来超轻高性能发泡水泥的制备、检测及工业化生产具有重要的指导意义。

由于实验室的搅拌设备(1400r/min)转速较低，模具（西150mm×300mm）较小，同一配比制得的超轻发泡水泥，其强度和密度波动较大。因此课题组在上海松江中试基地通过中等规模试验，对超轻发泡水泥大块制品强度与密度的均匀性、强度测试方式等进行了相关研究。

1试验

1.1原材料与仪器

原材料：水泥（上海海螺水泥厂生产的P.0 42.5普通硅酸盐水泥）；纤维(上海金山石化厂生产的聚丙烯纤维，纤维长度9mm)；粉煤灰（上海石洞口电厂出产的Ⅱ级粉煤灰）；外加剂（湖南岳阳产雨虹牌聚羧酸系减水剂）；发泡剂（上海产27.5%双氧水）；稳泡剂（河北产稳泡剂）；普通自来水。

仪器：高速搅拌机（北京清大农研科技有限公司生产的单罐搅拌机，转速2400r/min）；电热鼓风干燥箱（上海路达实验仪器有限公司生产的101-2型电热恒温鼓风干燥箱）；电子万能试验机（深圳市新三思材料检测有限公司生产的CMT4204型微机控制电子万能试验机）。

1.2发泡水泥制备

准确称量原材料，先将水泥、纤维、粉煤灰、硅灰以及外加剂充分搅拌，后加入温水(35℃~45℃)制得均匀的浆料，然后迅速加入发泡剂搅拌7s~ 8s后静停，快速将料浆注入模具。其制备流程如图1所示，制备模具及其尺寸如图2所示。

1.3测试方法

1.3． 超轻发泡水泥干表观密度测试方法

参照《水泥基泡沫保温板> (JCIT2200-2013)进行测试。随机抽取3块样品，各加工成一块满足设备要求的试件，其长、宽不得小于lOOmm，厚度为制品厚度。将需要测试的试件放入干燥箱内，缓慢升温至65℃±2℃，烘干至恒定质量(恒温3h两次称量试件质量变化率小于0.2%)，称取自然状态下的质量M (kg)。干表观密度按照公式p =M/V计算，其中V为试件体积( m3)，p为试件的干表观密度(kg/m3)。`1.3.2超轻发泡水泥抗压强度测试方法

参照《水泥基泡沫保温板》（JC/T2200-2013）进行测试。随机抽取4块样品，各加工成一个受压面为lOOmm xlOOmm的试件，厚度为制品厚度，但不应大于其宽度，烘干方法同1.3.1。然后将试件移至干燥器中冷却至室温，以(lO±l) mm/min的速度对试件经行加荷，直至试件破坏，当试件在压缩变形5%时没有破坏，则以压缩变形5%时的荷载为破坏荷载F(N)。抗压强度按照公式P=F/S计算，其中S为试件受压面积(mm2)，P为试件抗压强度(MPa)。

1.4分析方法

1.4.1超轻发泡水泥维度定义

超轻发泡水泥成型养护脱模后（如图3所示）削皮去边，加工为1200mm×900mm×300mm的大块制品，若考察其内部各点强度与密度的均匀性，需利用一定体积的试样来表征。因此将发泡水泥大块制品切割为lOOmm×1OOmm×lOOmm的标准试件（如图4所示）。将距离大块边缘200mm以内的试件定义“边部”，200mm以外的试件定义“中部”，同时试件又来自“上、中、下”3层，因此试件可分为“边上、边中、边下、中上、中中、中下”6个维度。通过测试各个维度试件的密度与强度，并采用一定的分析方法来检测超轻发泡水泥大块制品内部密度与强度的均匀性。图3为刚脱模后的超轻发泡水泥大块制品及其尺寸，图4为超轻发泡水泥大块的切割方法以及6个维度的示意图，图5为超轻发泡水泥脱模后左半部切割现场图。

1.4.2重复实验的单因子方差分析法

由于试验样本多，且测试过程中对强度的影响因素较多且相对独立，因此本试验主要采用重复实验的单因子方差分析法，对超轻发泡水泥抗压强度的测试影响因素进行分析。分析方法如下：

3个大块制品进行均匀性检验分析。在超轻发泡水泥大块制品的7d、14d、28d 3个龄期，分别在其“边上、边中、边下、中上、中中、中下”6个维度随机选取3个样本，以其干表观密度、抗压强度的变化来表征整个大块制品干密度和强度的波动。在其他条件完全相同的情况下，参照《水泥基泡沫保温板》(JCIT2200-2013)测其干表观密度和抗压强度的大小。

2.1.1干表观密度均匀性

检验试件在大块制品中的位置（自变量）对超轻发泡水泥于表观密度（因变量）的影响，按照1.4的数据分析方法来研究判断假设Ho:因子A（试件位置）对不同龄期大块制品的干表观密度无影响。160密度等级不同维度试件在3个龄期的干表观密度大小见表1。

其中，检验因子A的水平数a=6，每个龄期重复次数m=3．n=am=18，对于160密度等级发泡水泥的7d表观密度的检测，计算如下：

查F检验的临界值表，F=1.9110）剔除超过3σ的数据，求出7d的平均密度为l55.3kg/m3。

200和240密度等级试件的密度均匀性检验方法与平均值计算方法同上，计算和检验结果见表2。

由表2可知，接受原假设Ho，因子A（试件位置）对各密度等级不同龄期大块制品的干表观密度均无影响，即各密度等级不同龄期的大块制品，其内部干密度大小分布都较为均匀。

从表观现象上看，试件干密度的测试结果有一定的波动，但笔者发现其各龄期对应的平均干密度具有一定的规律性，如图6所示。随着龄期的增加，试件的干表观密度平均值微弱增长。笔者认为出现上述现象的主要原因，可能是未水化的水泥颗粒随着时间逐渐水化，超轻发泡水泥的．化学结合水增加，从而导致干密度有所增大。但各龄期试件平均干密度的变异系数Cv均小于5%，因此可近似认为各密度等级的超轻发泡水泥大块制品，其内部的干表观密度分布都较为均匀。

2.1.2抗压强度均匀性

检验试件在大块制品中的位置（自变量）对抗压强度（因变量）的影响，按照1.4的数据分析方法来研究判断假设Ho:因子A（试件位置）对不同龄期大块制品的抗压强度无影响。160密度等级不同维度的试件在3个龄期的抗压强度大小见表3。

其中，检验因子水平数a=6，每个龄期重复次数m=3，n=am=18。200和240密度等级的大块制品抗压强度的均匀性检验方法、平均值计算方法与2.1.1完全相同，见表4。

由表4可知，当显著性水平为0.01时，各密度等级试件的F值均小于Fo.o1，接受假设Ho，试件位置对各龄期大块制品的抗压强度无明显影响，即大块制品内部的强度分布较均匀；但当显著水平为0.1时，200和240密度等级的部分龄期试件F值大于Fo.o1，即部分龄期的试件分布对强度有一定影响，大块制品内部的抗压强度分布不够均匀。笔者认为由于超轻水泥基材料的强度大小与其干密度相关性较高，若以位置作为单因素，单以抗压强度为指标并不能完全体现材料的强度性质，因此采用比强度进行分析更为合理。

2.1.3比强度均匀性

比强度是抗压强度与干表观密度的比值，是衡量超轻质保温材料优劣的重要参数。笔者认为对于超轻发泡水泥大块制品，内部的比强度更能说明材料的强度大小。检验试件在大块制品中的位置（自变量）对比强度（因变量）的影响。按照1.4的分析方法来研究判断假设Ho:因子A（试件位置）对不同龄期大块制品的比强度无影响。各密度等级制品的比强度均匀性检验方法、平均值计算方法与2.1.1完全相同，结果见表5。

由表5可知，接受原假设Ho，因子A（试件位置）对不同龄期大块制品的比强度大小无显著影响，即不同密度等级的各龄期的大块制品，其内部的比强度分布较为均匀。不同龄期试件的平均抗压强度和平均比强度如图7、图8所示，随着龄期的增加，各密度等级试件的平均抗压强度与平均比强度均有所增加，7d—14d之间增幅较大，14d以后增幅有所降低。

综上所述，对于设计密度等级为l60kg/m3、200kg/m3、240kg/m3的3个超轻发泡水泥大块制品，在不同龄期其内部干表观密度和比强度的大小都具有较好的均匀性。

2.2测试方法对比强度的影响

2.2.1受压方向

超轻发泡水泥浆体在模具中形成过程如图9所示，将浆体垂直地面升高的方向定义为Y轴方向。在建材行业标准《水泥基泡沫保温板》(JCIT2200-2013)中，超轻发泡水泥板的强度检测并没有试件受压方向的要求，但受压方向对强度大小的影响却值得研究，因此需要检验试件的受压方向（自变量）和对比强度（因变量）的影响。

由2.1可知，超轻发泡水泥大块制品的比强度和干表观密度具有很好的均匀性。对密度等级为l60kg/m3和240kg/m3的超轻发泡水泥大块制品，在其14d龄期分别随机选取20块1OOmm×1OOmm x1OOmm的试件，对其中10块平行与Y轴方向受压，另外10块垂直于Y轴方向受压，在其他条件完全相同的情况下，参照《水泥基泡沫保温板》(JCIT2200-2013)标准测其抗压强度，测试结果见表6。

取α=0.01，利用比强度数据研究判断假设Ho:因子A （平行Y轴受压）对超轻发泡水泥比强度是无显著影响。 因子水平数a=2，重复次数m=10，首先检验因子对比强度的影响程度，再根据拉依达准则（样本数m≥l0）剔除超过3σ的数据，求出比强度平均值，计算平行Y轴受压对发泡水泥试件比强度的影响幅度，见表7。

由表7可知，拒绝原假设Ho，因子A（平行Y轴受压）对试件的比强度有极其显著的影响作用，即160、240密度等级的超轻发泡水泥试件在其他测试条件完全相同的情况下，垂直Y轴受压测得的比强度较高，且高于平行受压19%左右。笔者认为，刚搅拌的发泡水泥浆体在气泡长大形成发泡水泥的过程中，若发泡动力与阻力相同，则发泡体为规则的球状(如图10 (a)所示）；而实际情况是，发泡体四周除粘滞阻力外，在Y轴方向还受到浆体的重力。Y轴方向上部的阻力大于发泡动力，因此球状泡孔受压形成不规则的椭球体泡孔(如图10 (b)所示），从而导致平行Y轴受压的测试强度偏小，但是导致此现象的具体原因及椭球体受力分析还需以后进行深入研究。

2.2.2试件尺寸

建材行业标准《水泥基泡沫保温板》(JCIT2200-2013)中规定样品受压面为lOOmm×lOOmm，样品厚度即为抗压试件厚度。但超轻发泡水泥大块制品可加工成厚度不同的试件，其厚度对比强度的影响值得研究。因此检验试件尺寸（自变量）对比强度（因变量）的影响。

对3个不同密度等级的超轻发泡水泥大块制品，在其28d龄期分别随机选取10块lOOmm xlOOmm×lOOmm和10块1OOmm xlOOmm×50mm的试件，在其他条件完全相同的情况下，按照《水泥基泡沫保温板》(JCIT2200-2013)标准测其抗压强度，240密度等级试件的抗压强度测试结果见表8。

取α=0.01，利用比强度数据研究判断假设Ho:因子A（试件厚度为50mm）对超轻发泡水泥的比强度无显著影响。因子水平数a=2，重复次数m=10，检验之后再根据拉依达准则（样本数m≥l0）剔除超过3σ的数据，求出，计算试件厚度对超轻发泡水泥大块制品的比强度影响幅度，其检验计算结果见表9。

由表9可知，拒绝原假设Ho，因子A(试件厚度为50mm)对超轻发泡水泥比强度有极其显著影响作用，即各密度等级的超轻发泡水泥试件在其他测试条件完全相同时，试件厚度为50mm时测得的比强度较低，且降低幅度可达17%左右。笔者认为可能是因为在相同的受压面积下，厚试件受压变形程度比薄试件大从而承受较大的力，导致厚试件的测试比强度偏高，但导致此现象的具体原因待以后深入研究。综上所述，相同密度等级的超轻水泥大块制品，其试件厚度对抗压强度及比强度影响较大。

2.2.3压缩变形程度

根据《水泥基泡沫保温板》(JCIT2200-2013)标准要求，若试件在压缩变形5%时没有破坏，则以压缩变形5%时的荷载为破坏荷载F(N)。但笔者在抗压强度测试过程中发现，超轻发泡水泥试件的破坏载荷，有一些在压缩变形5%前就达到最大值，有一些则在压缩变形50/0后仍在增加，典型荷载一位移曲线如图11所示。因此了解试件压缩变形5%、10%及破坏时的荷载变化，对超轻发泡水泥的强度研究具有指导意义。

对于240密度等级的超轻发泡水泥大块制品，在其28d龄期分别随机选取10块1OOmm×1OOmm×1OOmm和10块1OOmm x1OOmm×50mm大小的试件，在其他条件完全相同的情况下，按照《水泥基泡沫保温板》(JCIT2200-2013)标准记录其在压缩变形5%、10%及破坏时的荷载并计算出比强度，再根据拉依达准则（样本数m≥l0）剔除超过3σ的数据，求出，测试及计算结果见表10，240密度等级试件不同压缩变形程度的平均比强度变化如图12所示。

由表10和图12可知，240密度等级超轻发泡水泥试件的破坏载荷在压缩变形5%后仍在增加，在压缩变形至10%前后时基本不变。笔者认为其原因可能是试件在压缩变形5%时，其内部结构并未完全破坏，但变形5%时的内部结构待以后继续观察研究。在同一超轻发泡水泥大块制品中切割制备的试件，由于试件厚度不同，测得的比强度也不同，其中lOOmm厚试件测得的比强度比50mm厚试件大，与2.2.2中试件厚度对比强度的影响结论相同。

2.2.4干燥状态 ‘根据《水泥基泡沫保温板》(JCIT2200-2013)标准要求，试件在强度测试前必须干燥至恒重，因此试件的干燥状态对比强度的影响也值得研究。检验试件的干燥状态（自变量）对发泡水泥比强度（因变量）的影响。

对160密度等级的超轻发泡水泥大块制品，在其28d龄期随机选取20块尺寸为lOOmm xlOOmm×lOOmm的试件，其中10块进行干燥处理，另外10块不做处理。在其他条件完全相同的情况下，按照《水泥基泡沫保温板》( JCIT2200-2013)标准测其抗压强度并计算出比强度。取α=0.01，利用比强度数据研究判断假设Ho:因子A（干燥处理）对比强度无显著影响。因子水平数a=2，重复次数m=10，检验之后再根据拉依达准则(样本数m≥10)剔除超过3σ的数据，求出，计算干燥处理后超轻发泡水泥试件的比强度变化幅度，检验及计算结果见表11。

由表11可知，拒绝原假设Ho，因子A（干燥处理）对试件比强度大小有极其显著影响作用，即160密度等级超轻发泡水泥试件在其他测试条件完全相同时，干燥处理后测得的比强度高11%左右。笔者认为，可能是因为超轻发泡水泥试件内部自由水侵入了材料内部的毛细孔，减弱了材料内部质点的联结，而干燥处理后试件内部水泥水化产物颗粒间的水膜变薄，水化产物的结合有所增强。本文只测试了160密度等级含水率为5.1%时对试件比强度的影响，而各密度等级试件不同含水率对强度的影响规律及水分子对固相分子的影响作用需要进一步深入研究。

2.3养护制度对抗压强度的影响

使用普通硅酸盐水泥制备的超轻发泡水泥大块制品，由于其早期强度通常较低且强度发展较缓慢，从浇筑到脱模一般需要24h甚至更长时间，使模具周转效率较低；同时由于不同养护方式对超轻发泡水泥板后期力学性能的影响研究较少但对超轻发泡水泥板的生产却有具有指导意义，因此有必要对养护方式对强度的影响进行探索研究。

检验试件养护制度（自变量）对比强度（因变量）的影响时，需把成型脱模后的160和200密度等级的超轻发泡水泥大块制品切割成lOOmm×lOOmm×lOOmm的试件，随机选取18块进行标准养护(采用《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)方法，确保温度20℃±2C、相对湿度95%RH以上），再另选取18块进行自然养护（在切割后发泡水泥制品表面覆盖一层塑料薄膜，以达到保温保湿的效果）。在其他条件完全相同的情况下，按照《水泥基泡沫保温板》(JC/T2200-2013)标准，分别测试其在28d龄期时的抗压强度与密度，从而得到比强度。

按照1.4分析方法，取a=0.01，利用比强度数据研究判断假设Ho:因子A（标准养护）对试件比强度无显著影响。因子水平数a=2，重复次数m=18。再根据拉依达准则（样本数m≥l0）剔除超过3σ的数据，求出，计算养护方式对发泡水泥块的比强度影响幅度，检验及计算结果见表12。

由表12可知，拒绝原假设Ho，因子A（标准养护）对试件的比强度有极其显著的影响作用，即不同密度等级的超轻发泡水泥试件在其他测试条件完全相同时，标准养护后测得的比强度比自然养护低19%左右。普通水泥基材料在相同条件下，标准养护后的强度一般大于自然养护，对于超轻水泥基材料出现的反常情况，笔者认为可能是由于超轻水泥基材料的干缩和碳化作用。—方面，自然养护下较低的湿度使超轻发泡混凝土产生干缩，从而提高了其强度；另一方面，研究表明水泥基材料在相对湿度40%^，60%时，碳化速度较快，50%时达到最大值，超轻发泡水泥试件在自然养护条件下更易发生碳化，在一定程度上提高了超轻发泡水泥的强度。但不同养护制度对强度‘影响的具体原因还需进行深入研究。

结论

(1)在中试基地中利用1230mm×930m×330m的模具制备的不同密度等级的超轻发泡水泥大块制品，其内部各个维度的干表观密度以及比强度均有较好的均匀性。

(2)超轻发泡水泥试件的受压方向对测得的比强度影响极其显著，在其他条件完全相同的情况下，垂直发泡水泥发起的方向（即Y轴）受压测得的比强度比平行受压高19%左右。

(3)超轻发泡水泥试件的厚度对测得的比强度影响极其显著，在其他条件完全相同的情况下，厚度为lOOmm的试件测得的比强度比厚度50mm的试件高17%左右。

(4)不同尺寸超轻发泡水泥试件，其破坏载荷在压缩变形5 010后仍在增加，在压缩变形至10%的前后基本不再变化。

(5)超轻发泡水泥试件的干燥程度对测得的比强度有较明显的影响，在其他条件完全相同的情况下，干燥试件测得的比强度比5.1%含水率试件高11%左右。

(6)养护方式对超轻发泡水泥试件的比强度影响极其显著，在其他条件完全相同的情况下，自然养护试件测得的比强度比标准养护试件高19%左右。

作者简介

马一平，1960年生，山东省济宁市人，博士，同济大学教授，博士生导师。主要研究方向为超轻水泥基材料、纤维增强水泥基复合材料和智能温控建筑材料等，成功申请国家发明专利12项，近3年发表学术论文30余篇。

地址：上海市嘉定区曹安公路4800号同济大学材料科学与工程学院

E-mail: ypma@citiz.net

基金项目：本研究得到国家重点基础研究发展计划(973计划，专题编号：2009CB623104-5)．国家自然基金项目（项目编号：51308406）的支持。