水泥砂浆是一种常用的工程施工建筑材料，广泛应用于建筑工程、地铁施工、隧道等大型基础建设中。作为一种重要的建筑和工程材料，水泥砂浆强度一直被认为是最重要的力学特性指标。近年来，国内外许多学者对影响水泥砂浆的强度特性做了众多研究。其中，G.Appa Rao等 ^[1,2]研究发现，水灰比是影响砂浆胶结性的重要因素，改变水泥砂浆内部结构，进而影响其强度;Y.Y.Kim ^[3]通过试验发现，增加水灰比可能导致孔隙度增加150%，从而影响砂浆强度;阚涛等 ^[4]研究不同水泥掺量对水泥砂浆力学性能的影响，研究发现，砂浆强度和干燥收缩性均随水泥掺量的增加而提高，除此之外，养护温度、添加改性材料等都对水泥砂浆力学性能有一定影响;尤美婷等 ^[5]研究低温和负温养护对水泥砂浆试样抗压强度的影响;黄金坤等 ^[6]通过添加粉煤灰和水玻璃改性水泥砂浆显著提高其强度特性。

　　 水泥砂浆是一种典型的由水泥、砂和水组成的人工合成材料。力学性能很容易受配合比影响，水泥和水作为水泥砂浆重要胶结材料，故水灰比是影响水泥砂浆强度的重要因素之一，而砂在砂浆中起到骨架和连接作用，对砂浆内部结构和力学性能也起着重要作用。然而，以往研究水泥砂浆配合比主要集中在水灰比研究，对砂灰比的研究较少。砂灰比用量关乎水泥砂浆材料力学性能和应用成本等问题。本文基于以上研究不足，对不同粒径水泥砂浆在不同砂灰比下的强度进行研究，同时对砂浆进行波速测试和孔隙度分析。

　　 水泥砂浆试样制备所用的材料主要为水泥、砂和水，水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，主要成分如表1所示，其中水泥密度为3.18g/cm³,28d抗压强度为47.6MPa，比表面积为355m²/kg，所用水为蒸馏水，砂取自浙江北部某地区普通河砂，经标准筛筛分后分成细砂、中砂和粗砂备用。

　　 试样制备过程:分别对砂、水泥和水进行称重，混合均匀后搅拌，之后装入预先准备的PVC模具中，稍加压实，为防止制备过程中水分流失，将模具装样完成后进行密封，待去模后进行养护，养护周期为28d，最后制成尺寸为70×140圆柱体水泥砂浆试样。本次主要研究不同砂灰比的水泥砂浆强度变化规律，借鉴相关研究的水灰比 ^[7,8]，试验采用相同水灰比，为0.5，按筛分制备的细砂、中砂和粗砂分别制成具有不同砂灰比的细砂浆、中细砂浆和粗砂浆，不同配合比试样分组如表2所示。

　　 水泥砂浆在无侧限单轴压缩条件下，受轴向力作用破坏时，单位面积所受荷载为水泥砂浆单轴抗压强度，强度测试使用仪器为SUNS电液伺服万能试验机。其强度公式为:

　　 式中:F为单轴抗压强度;P为无侧限条件下的轴向破坏荷载;S为圆柱形试样截面面积。

　　 试验过程如下。

　　 1)在单轴抗压强度试验中，试样端面粗糙程度很容易产生局部应力集中，导致误差较大。为消除这种现象，试验前先对试样用磨片机进行粗打磨，之后再用砂纸进行精细打磨。

　　 2)进行强度测试前，预先调试试验机，保持0.5MPa/s的加载速度，调试完成后，对试样加压。

　　 3)为保证试样单轴抗压强度准确度，每种试样做3个平行样，分别进行单轴抗压强度测试试验并取平均值，不同配合比试样所测强度如表3所示。

　　 基于固体介质弹性波的传播规律，对水泥砂浆进行波速测试，声波测试装置是一套完整的声源发射及回收系统，首先声波发射系统向连接测试试样的探头发射电脉冲信号，然后将此电脉冲信号转换为声波信号并以一定速度穿过待测水泥砂浆试样，同时另一端探头接收此声波信号并转换为电脉冲信号，显示出上下波动的波形，由该波形可测出声波在试样中的穿过时间，同时根据测得的模型试样长度，即可求出声波在模型试样中的速度。

　　 式中:V为弹性波在砂浆试样中的传播速度;l为模型试样长度;t₁和t₂分别为入射波到达水泥砂浆试样的时间和出射波探头接收时间。

　　 本次试验使用的仪器设备为RSM-SY6声波检测仪，具体测试过程如下。

　　 1)水泥砂浆试样处理测试前，需对试样表面打磨，以保证试样表面平整性，在试样上表面均匀涂抹凡士林，确保试验时探头与试样表面接触良好。

　　 2)装置连接连接声波测试装置如图1a所示，装置连接好后，取1块标准试样进行装置的参数调试，调试成功后，在探头两侧涂抹凡士林。

　　 3)测试过程分别测试a,b,c,d,e 5个点的波速值(见图1b)，最后取平均值，测试结果如表3所示。

　　 由于水泥砂浆孔隙度较大，孔隙之间连通性较好，目前已有学者 ^[9,10]采用饱和排水法测定水泥基材料孔隙度，并取得较好的试验效果。本次孔隙度测试过程参考SY/T 5336—2006标准 ^[11]中真空饱和排水法，首先将待测试样放置到干燥箱对模型试样进行烘干处理，称重后对试样利用真空泵进行抽真空12h，随后放置于已知密度的盐水中浸泡12h至饱和，通过干燥和饱和状态下的质量差求出孔隙体积，最后求得规则试样总体积即可得出孔隙度。为保证试样孔隙度准确度，每种试样制作3个平行样，取多次测量数据平均值。

　　 根据预设试验配合比，分别对不同类型水泥砂浆试样进行不同砂灰比下的单轴抗压强度试验，得到单轴抗压强度随着砂灰比的提高而不断变化的规律曲线。如图2所示，在水灰比为0.5、砂灰比为3.0～6.0时，水泥砂浆单轴抗压强度为3.0～12.0MPa。砂灰比与单轴抗压强度呈负相关变化规律，即随着砂灰比的不断提高，试样单轴抗压强度逐渐降低。主要是由于配合比中随着含砂量的不断提高，胶结物(水泥和水混合物)比例减少，使砂浆在胶结过程中效果减弱，孔隙增加，从而导致砂浆颗粒骨架之间的强度降低。值得注意的是，随着砂灰比的不断提高，达5.0～6.0时，砂浆单轴抗压强度发生较明显下降。以粗砂浆为例，砂灰比由3.0增加至4.0时，强度降低率为2%，由4.0增加至5.0时，强度降低率为17%，而砂灰比由5.0增加至6.0时，强度的降低率为53%，以砂灰比为5.0的转折点，砂浆单轴抗压强度发生显著下降。分析认为水泥砂浆强度存在一个砂灰比临界域，本次试验采用的0.5水灰比下的砂灰比临界域为5.0～6.0，在临界域前，随着含砂量的不断提高，砂浆强度稳定下降，当砂灰比达5～6时，水泥砂浆内部结构胶结性明显减弱，砂浆内部孔隙显著增大且相互贯通，结构更脆弱，从而导致强度明显降低。

　　 砂灰比不变，对比不同粒径水泥砂浆发现，细砂浆强度要比中细砂浆和粗砂浆强度低。砂浆颗粒越大，在制备砂浆过程中骨架之间的空隙越大，胶结物充填的越密实，而对于细砂浆，砂颗粒间空隙较小，在胶结过程中可能存在胶结物充填不充分的情况，导致骨架间结构相对松散。因此，相同砂灰比下，粗砂浆强度比细砂浆强度大。

　　 波速可反映水泥砂浆内部结构密实度。胶结性、孔隙度和密度等均为影响水泥砂浆波速值的关键因素 ^[12,13]。通过分析并得出波速随不同砂灰比的变化规律如图3所示。

　　 由图3可知，水泥砂浆均呈现出波速随砂灰比升高而降低的规律。砂灰比为3.0～6.0时，随着含砂量增加，水泥砂浆胶结性不断降低，孔隙变大，纵波通过介质时间变长，传播速度变小。与强度变化规律一致，砂灰比为5.0～6.0时，波速发生明显降低，可认为该配合比下的砂浆结构变得相对“松散”，强度发生明显降低。通过研究可知，波速大小与单轴抗压强度有一定相关性，波速一定程度上可以反映强度特征。同时发现，相同砂灰比情况下，不同类型水泥砂浆波速也具有一定差异。由图3可知，砂浆颗粒粒径越大，波速也相对越大。分析认为，相同砂灰比下，颗粒粒径越大，在制备过程中胶结物填充相对越密实，从而导致砂浆内部结构越密实。波速反映的是砂浆内部结构整体密实度和胶结性等综合情况，由此可知，相同砂灰比下，粗砂浆密实度比细砂浆大。

　　 为进一步研究不同砂灰比下水泥砂浆内部结构变化，探究单轴抗压强度随砂灰比变化的内在规律。研究测试不同砂灰比下水泥砂浆孔隙度，并用高倍相机对2种不同砂灰比下的水泥砂浆试样横截面进行拍照，如图4所示。

　　 由图4可知，当砂灰比为3.0时，水泥砂浆水灰反应较充分，胶结性较好，骨架颗粒间被水灰胶结物包裹，视觉上看不出明显孔隙，砂浆单轴抗压强度较高;随着砂灰比不断提高，达6.0时，骨架颗粒间呈点接触或线接触，胶结性相对较差，图4b横截面上可明显看到众多孔隙，且孔隙间连通性较好，砂浆单轴抗压强度较低。

　　 孔隙度与砂灰比关系如图5所示。由图5可右，孔隙度随砂灰比提高而增大，表现出较好的正相关关系，当砂灰比达临界域时，孔隙度存在一个明显的转折点。该转折点表明，当砂灰比达5.0～6.0时，制备的水泥砂浆孔隙度明显增多，胶结性降低，从孔隙度角度证明强度明显降低的规律。

　　 本次研究以不同粒径水泥砂浆为试验对象，分别进行不同砂灰比下水泥砂浆强度试验、波速测试和孔隙度试验，探究不同砂灰比下水泥砂浆的强度、波速和孔隙度变化规律，得出以下相关规律和结论。

　　 1)水泥砂浆存在一个砂灰比临界域，在临界域前，随砂灰比不断增大，砂浆强度平稳下降，达到临界域后，砂浆内部胶结性变差，单轴抗压强度显著降低，而本次研究采用水灰比为0.5时，该砂灰比临界域为5.0～6.0。

　　 2)相同砂灰比下，粗砂浆单轴抗压强度和波速比细砂浆大，颗粒大小与波速和强度呈正相关关系;而粗砂浆孔隙度比细砂浆孔隙度小，颗粒大小与孔隙度呈负相关关系。