土木工程材料试验

第1页共62页概述土木工程材料试验是本课程的重要组成部分和实践性教学环节。开设土木工程材料实验课的目的有以下三方面：首先是使学生熟悉主要土木工程材料的技术要求，并具有对常用土木工程材料独立进行质量检验的能力；其次是使学生对具体材料的性状有所了解，并进一步巩固与丰富理论知识；最后是学生通过实验课程掌握基本的实验技能、培养严谨的科学态度，提高分析问题和解决问题的能力。为此，学生需要做到：1.试验前做好相关内容的预习，明确试验目的、基本原理及操作要点，并应对试验所用的仪器、材料有基本了解。2.在试验的整个过程中建立严密和科学的工作秩序，严格遵守试验操作规程，注意观察试验现象，详细做好试验记录。3.对试验的结果进行分析，做好试验报告。材料的质量指标和试验结果是有条件的、相对的，与取样、测定和数据处理密切相关。在进行土木工程材料试验的整个过程中，从材料的取样、试验操作到数据处理，都应严格按照国家（或部颁）现行的有关标准和规范进行，以保证试样的代表性，试验条件稳定一致，以及测定技术和计算结果的正确性。本书中土木工程材料试验是按课程教学大纲的要求并结合工程实际需要选材，根据现行国家标准或其他规范、资料进行编写，并不包含所有土木工程材料试验的全部内容。同时，由于科学技术水平的进步和生产条件的不断发展，今后遇到本书所述试验以外的试验时，可查阅有关指导文件，并注意各种材料标准或规范的修订动态，以作相应修改。第2页共62页一、土木工程材料的基本性质试验通过密度、表观密度、体积密度、堆积密度的测定，可计算出材料的孔隙率及空隙率，从而了解材料的构造特征。由于材料构造特征是决定材料强度、吸水率、抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性、导热性及吸声等性能的重要因素，因此，了解土木工程材料的基本性质，对于掌握材料的特性和使用功能是十分必要的。一、密度试验材料的密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。（一）主要仪器设备李氏瓶（见图Ⅰ-1）、筛子（孔径0.20mm或900孔/cm2）、量筒、烘箱、干燥器、物理天平、温度计、漏斗、小勺等。（二）试样制备1.将试样破碎、磨细，全部通过0.20mm孔筛后，放到105±5℃的烘箱中，烘至恒重。2.将烘干的粉料放入干燥器中冷却至室温待用。（三）试验方法及步骤1.在李氏瓶中注入无水煤油至突颈下部，记下刻度（V1）。2.用天平称取60～90g试样（m1），用小勺和漏斗小心地将试样徐徐送入李氏瓶中（不能大量倾倒，会妨碍李氏瓶中空气排出或使咽喉位堵塞），直至液面上升至20mL左右的刻度为止。3.用瓶内的煤油将粘附在瓶颈和瓶壁的试样洗入瓶内煤油中，转动李氏瓶使煤油中气泡排第3页共62页出，记下液面刻度（V2）。4.称取未注入瓶内剩余试样的质量（m2），计算出装入瓶中试样质量m。5.将注入试样后的李氏瓶中液面读数V2减去未注前的读数V1，得出试样的的绝对体积V。（四）结果计算1.按下式计算出密度（精确至0.01g/cm3）：2.密度试验需用两个试样平行进行，以其计算结果的算术平均值作为最后结果。但两次结果之差不应大于0.02g/cm3，否则重做。二、表观密度试验表观密度是指材料在自然状态下，单位体积（包括材料的绝对密实体积与内部封闭孔隙体积）的质量。试验方法有容量瓶法和广口瓶法，其中容量瓶法用来测定砂的表观密度，广口瓶法用来测定石子的表观密度。以砂和石子为例分别介绍两种试验方法。（一）砂的表观密度试验（容量瓶法）1.主要仪器设备。容量瓶（500mL）、托盘天平，干燥器、浅盘、铝制料勺、温度计、烘箱、烧杯等。2.试样制备。将660g左右的试样在温度为105±5℃的烘箱中烘干至恒重，并在干燥器内冷却至室温，分为大致相等的两份待用。3.试验方法及步骤。（1）称取烘干的试样300g（m0），精确至1g，将试样装入容量瓶，注入冷开水至接近500mL的刻度处，摇转容量瓶，使试样在水中充分搅动，排除气泡，塞紧瓶塞。静置24h。（2）静置后用滴管添水，使水面与瓶颈500mL刻度线平齐，再塞紧瓶塞，擦干瓶外水分，称取其质量（m1），精确至1g。（3）倒出瓶中的水和试样，将瓶的内外表面洗净。再向瓶内注入与前面水温相差不超过2℃，并在15℃～25℃范围内的冷开水至瓶颈500mL刻度线，塞紧瓶塞，擦干瓶外水分，称取其质量（m2），精确至1g。4.结果计算第4页共62页（1）按下式计算砂的表观密度（精确至10kg/m3）：（2）表观密度应用两份试样分别测定，并以两次结果的算术平均值作为测定结果，精确至10kg/m3，如两次测定结果的差值大于20kg/m3时，应重新取样测定。（二）石子表观密度试验（广口瓶法）1.主要仪器设备。广口瓶、烘箱、天平、筛子、浅盘、带盖容器、毛巾、刷子、玻璃片等。2.试样制备。将试样筛去4.75mm以下的颗粒，用四分法缩分（此方法见试验三“砂石材料试验”中的取样方法）至表Ⅰ-1规定的数量，洗刷干净后，分成大致相等的两份备用。表Ⅰ-1表观密度试验所需试样数量最大粒径（mm）小于26.531.537.563.075.0最少试样质量（kg）2.03.04.06.06.03.试验方法与步骤。（1）将试样浸水饱和后，装入广口瓶中，装试样时广口瓶应倾斜放置，然后注满饮用水，用玻璃片覆盖瓶口，以上下左右摇晃的方法排除气泡。（2）气泡排尽后，向瓶内添加饮用水，直至水面凸出到瓶口边缘，然后用玻璃片沿瓶口迅速滑行，使其紧贴瓶口水面。擦干瓶外水分后，称取试样、水、瓶和玻璃片的质量（m1），精确至1g。（3）将瓶中的试样倒入浅盘中，置于105±5℃的烘箱中干至恒重，取出放在带盖的容器中冷却至室温后称出试样的质量（m0），精确至1g。（4）将瓶洗净，重新注入饮用水，用玻璃片紧贴瓶口水面，擦干瓶外水分后称出质量（m2），精确至1g。4.试验结果计算。1.按下式计算石子的表观密度（精确到10kg/m3）：第5页共62页2.表观密度应用两份试样分别测定，并以两次结果的算术平均值作为测定结果，如两次结果之差大于20kg/m3，应重新取样试验；对颗粒材质不均匀的试样，如两次试验结果之差值超过20kg/m3，可取四次测定结果的算术平均值作为测定值。三、体积密度试验体积密度是指材料在自然状态下，单位体积（包括材料孔隙和材料绝对密实体积之和）的质量。体积密度的测定分规则几何形状试样测定与不规则形状试样测定，其测定方法如下：（一）规则几何形状试样的测定（如砖）1.主要仪器设备游标卡尺、天平、烘箱、干燥器等。2.试样制备将规则形状的试样放入105±5℃的烘箱内烘干至恒重，取出放入干燥器中，冷却至室温待用。3.试验方法与步骤（1）用游标卡尺量出试样尺寸（试件为正方体或平行六面体时以每边测量上、中、下三个数值的算术平均值为准。试件为圆柱体时，按两个互相垂直的方向量其直径，各方向上、中、下量三次，直径取六次测定结果的平均值；按两个相互垂直的方向量其高度，分别量四次，高度取四次测定结果的平均值），并计算出其体积（V0）。（2）用天平称量出试件的质量（m）。4.结果按下式计算出体积密度（精确至10kg/m3）：（二）不规则形状试样的测定（如卵石等）此类材料体积密度的测定仍采用排液法（即砂石视密度的测定方法），其不同之处在于应将其表面涂蜡，封闭开口孔后，再用容量瓶法或广口瓶法进行测定。方法同（一）。四、堆积密度试验堆积密度是指粉状或颗粒状材料，在堆积状态下，单位体积（包括组成材料的孔隙、堆积状第6页共62页态下的空隙和密实体积之和）的质量。堆积密度的测定根据所测定材料的粒径不同，而采用不同的方法，但原理相同。以砂和石子为例介绍两种堆积密度的测定方法。（一）砂堆积密度试验1.主要仪器设备标准容器（金属圆柱形，容积为1L）、标准漏斗（见图Ⅰ-2）、台秤、铝制料勺、烘箱、直尺等。2.试样制备用四分法缩取（见试验三“砂石材料试验”中的取样方法）砂样约3L，试样放入浅盘中，将浅盘放入温度为105±5℃的烘箱中烘至恒重，取出冷却至室温，分为大致相等的两份待用。3.试验方法及步骤（1）称取标准容器的质量（m1）及测定标准容器的体积（）；将标准容器置于下料漏斗下面，使下料漏斗对正中心。（2）取试样一份，用铝制料勺将试样装入下料漏斗，打开活动门，使试样徐徐落入标准容器（漏斗出料口或料勺距标准容器筒口为5cm），直至试样装满并超出标准容器筒口。（3）用直尺将多余的试样沿筒口中心线向两个相反方向刮平，称其质量（m2），精确至1g。4.试验结果计算（1）试样的堆积密度按下列计算（精确至10kg/m3）：第7页共62页（2）堆积密度应用两份试样测定，并以两次结果的算术平均值作为测定结果。（二）石子堆积密度试验1.主要仪器设备标准容器（根据石子最大粒径选取，见表Ⅰ-2）、、台秤、小铲、烘箱、直尺等。表Ⅰ-2标准容器规格石子最大粒径（mm）标准容器（L）标准容器尺寸（mm）内径净高壁厚9.5，16.0，19.0，26.510208294231.5，37.520294294353.0，63.0，75.03036029442.试样制备石子取样烘干或风干后，拌匀并将试样分为大致相等的两份备用。3.试验方法及步骤（1）称取标准容器的质量（m1）及测定标准容器的体积（）。（2）取一份试样，用小铲将试样从标准容器上方50mm处徐徐加入，试样自由落体下落，直至容器上部试样呈锥体且四周溢满时，停止加料。（3）除去凸出容器表面的颗粒，并以合适的颗粒填入凹陷部分，使表面凸起部分体积和凹陷部分体积大致相等。称取总质量，精确至10g。4.试验结果计算（1）试样的堆积密度，按下列计算（精确至10kg/m3）：（2）堆积密度应用两份试样测定，并以两次结果的算术平均值作为测定结果。五、孔隙率、空隙率的计算第8页共62页（一）孔隙率计算孔隙率是指材料体积（V0）中，孔隙体积（V孔）所占的比例。材料的孔隙率P按下式计算：式中：——材料的密度；——材料的体积密度。（二）空隙率的计算空隙率是指粉状或颗粒状材料的堆积体积（）中，颗粒间空隙体积（VK）所占的比例。材料的空隙率按下式计算：式中：——材料颗粒的体积密度（当测定混凝土用骨料时，应取、）；——材料的堆积密度。二、水泥试验一、水泥试验的一般规定（一）编号和取样以同一水泥厂、同品种、同强度等级编号和取样。编号根据水泥厂年生产能力规定（具体根据相关水泥标准），每一编号作为一取样单位。取样可以在水泥输送管道中、袋装水泥堆场和散装水泥卸料处或输送水泥运输机具上进行。取样应有代表性，可连续取，也可从20个以上不同部位抽取等量水泥样品，总数不少于12kg。（二）养护与试验条件养护室温度应为20±1℃，相对湿度应大于90%；试验室温度应为20±2℃，相对湿度应大于50%。（三）对试验材料的要求第9页共62页1.试样要充分拌匀，通过0.9mm方孔筛并记录筛余物的百分数。2.试验室用水必须是洁净的饮用水。3.水泥试样、标准砂、拌合水及试模等温度均与试验室温度相同。二、水泥细度检验（一）目的水泥细度测定的目的，在于通过控制细度来保证水泥的水化活性，从而控制水泥质量。（二）检验方法细度可用透气式比表面积仪或筛析法测定，主要介绍筛析法中的负压筛法、水筛法和手工干筛法。1.负压筛法（1）主要仪器设备：负压筛0.08mm方孔（见图Ⅰ-3）、筛座（见图Ⅰ-4）、天平等。（2）试验方法步骤筛析试验前，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，喷气嘴上口平面应与筛网之间保持2～8mm的距离。b.称取试样25g，置于洁净的负压筛中。盖上筛盖，放在筛座上，开动筛析仪连续筛动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，用天平称量筛余物质量RS（g）。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。2.水筛法第10页共62页（1）主要仪器设备：筛子（0.08mm方孔）、筛座、喷头、天平等。（2）试验方法步骤①筛析试验前应检查水中无泥、砂，调整好水压及水筛架位置，使其能正常运转，喷头底面和筛网之间距离为35～75mm。②称取水泥试样50g，置