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1、土木工程材料土木工程材料实验指导书长江大学城市建设学院二八年三月土木工程材料试验学习指导本部分的教学目标是：(1)熟悉土木工程材料性能试验基本方法，加深学生对土木工程材料性能的理解，培养学生试验技能；(2)培养综合设计试验的能力和创新能力，为从事科技工作打好基础。本部分列出了3个综合设计试验和10个单项试验。学生可在教师指导下根据所学内容和专业方向作选择，也可以自已根据所学内容设计相关的综合设计试验。建议学生在了解所给出的工程和原材料条件要求后，认真思考相关的问题，自行设计相关的试验方法步骤。综合设计试验提示仅供参考。综合设计试验一：普通混凝土配合比设计试验(1) 试验目的与要求本综合设计试验

2、目的：了解普通混凝土配合比设计的全过程，培养综合设计试验能力,熟悉混凝土拌合物的和易性和混凝土强度试验方法。根据提供的工程条件和材料，依据JGJ 552000普通混凝土配合比设计规程设计出符合工程要求的普通混凝土配合比。(2) 工程和原材料条件某工程的预制钢筋混凝土梁(不受风雪影响)。混凝土设计强度等级为C25，要求强度保证率为95。施工要求坍落度为3050mm(施工现场混凝土由机械搅拌，机械振捣。)该施工单位无历史统计资料。原材料：普通水泥：强度等级32.5；表观密度C=3.1g/m3；中砂；碎石；自来水。问题与讨论【问题1-1】如何根据已知的工程和原材料条件设计符合要求的普通混凝土配合比？

3、提示：(1) 原材材料性能试验，包括水泥性能试验、砂性能试验、石性能试验；(2)计算配合比；(3) 配合比的试配；(4) 配合比的调整和确定；(5) 确定施工配合比。【问题1-2】配合比计算有哪些步骤？提示：配合比计算按本书第4.4进行。【问题1-3】为什么要进行配合比的试配？配合比试配时应测定哪些指标，如何测定？当各指标达不到要求时，如何调整？提示：参阅本书4.4。【问题1-4】为何配合比试配时要检验混凝土的强度？为什么检验强度时至少采用三个不同的配合比？制作混凝土强度试件时，还应测定哪些指标？为什么？提示：参阅本书4.4。普通混凝土配合比设计试验步骤提示(1) 原材料性能试验水泥性能试验：

4、包括安定性试验； 胶砂强度试验等。试验方法参照试验3进行。砂性能试验：砂的表观密度测定、堆积密度测定以及筛分析试验参照试验4。石性能试验：石的表观密度测定、堆积密度测定以及筛分析试验参照试验4。(2) 计算配合比根据给定的工程条件、原材料和试验测得的原材料性能进行配合比计算，计算依据JGJ 55-2000普通混凝土配合比设计规程规定进行。将每立方混凝土中水、水泥、砂和石子的用量全部求出，供试配用。(3) 配合比的试配配合比试配参照试验5进行。(4) 配合比的调整和确定配合比试配参照试验5进行。综合设计试验二：泵送混凝土配合比设计试验(1) 试验目的与要求本综合设计试验目的：了解泵送混凝土配合比

5、设计的过程，培养综合设计试验能力；研究粉煤灰在混凝土中作用；熟悉其和易性和强度的试验方法。试验时根据提供的工程和材料条件，依据JGJ 552000普通混凝土配合比设计规程中泵送混凝土的规定，设计出符合要求的泵送混凝土配合比。本试验难度较大，故讨论的问题作较详细的解答。(2) 工程和原材料条件某商住楼的大型基础，属于大体积混凝土。混凝土设计强度等级为C30，要求强度保证率为95，工期紧。施工要求坍落度为110130 mm的泵送混凝土，泵送高度为60 m。该施工单位无历史统计资料。原材料：普通水泥，强度等级32.5,表观密度C=3.1g/m3；中砂；碎石（碎石最大粒径与输送管径比小于1：4.0）；

6、粉煤灰，I级灰，质量符合GB 1596用于水泥和混凝土中的粉煤灰的规定；自来水；泵送剂或减水剂。问题与讨论【问题2-1】如何根据已知的工程和材料条件，设计出符合要求的泵送混凝土配合比？解答：(1) 原材料性能试验，包括水泥性能试验、砂性能试验、石性能试验；(2)基准配合比的确定；(3)选用合适的粉煤灰掺入方式；(4)配合比的调整和确定。【问题2-2】粉煤灰的掺入方法有哪些？各有何特点？常用哪种方法？解答：粉煤灰的掺入方法有：超量取代法、等量取代法和外加法。超量取代法是在粉煤灰总掺量中，一部分取代等质量的水泥，超量部分取代等体积的砂。大量粉煤灰的增强效应补偿了取代水泥后所降低的早期强度，使掺入前

7、后的混凝土强度等效。粉煤灰可改善拌合物的流动性，可抵消由于水泥减少而对拌合物流动性的影响，使掺入前后的拌合物流动性等效。超量取代法是最常用的一种方法。等量取代法是用粉煤灰取代部分水泥并相应调整其他材料的用量。当混凝土强度偏高或配制大体积混凝土时采用此方法。外加法是在不改变水泥用量的情况下加入适量粉煤灰，并相应调整砂的用量。当混凝土和易性不佳时可采用此法。【问题2-3】试分析泵送混凝土与普通混凝土相比，在材料要求上有何不同？解答：JGJ 552000普通混凝土配合比设计规程对此作出四点规定。泵送混凝土应选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥，不宜采用火山灰质硅酸盐水泥。

8、粗骨料宜采用连续级配，其针片状颗粒含量不宜大于10；粗骨料最大粒径与输送管径之比应符合规定。如泵送高度为50100 m时, 碎石最大粒径与输送管径比宜小于或等于1：4.0。泵送混凝土宜采用中砂，其通过0.315 mm筛孔的颗粒含量不应少于15。泵送混凝土应掺用泵送剂或减水剂，并宜掺用粉煤灰或其他活性矿物掺合料，其质量应符合国家现行有关标准的规定。【问题2-4】泵送混凝土试配时要求的坍落度值应如何确定？解答：根据JGJ 552000普通混凝土配合比设计规程，其坍落度值可按下式计算。式中Tt试配时要求的坍落度值；T入泵时要求的坍落度值；T试验测得在预计时间内的坍落度经时损失值。泵送混凝土配合比设计

9、试验步骤提示(1) 原材料性能试验水泥性能试验：包括安定性试验； 胶砂强度试验等。试验方法参照试验3进行。砂性能试验：砂的表观密度测定、堆积密度测定以及筛分析试验参照试验4。石性能试验：石的表观密度测定、堆积密度测定以及筛分析试验参照试验4。(2)基准配合比的确定建议按照JGJ 552000普通混凝土配合比设计规程计算出供试配的配合比，视情况进行计算配合比的试配，作为泵送混凝土配合比设计的基准配合比。可由指导教师提供基准配合比。(3)根据工程特点，选择合适的粉煤灰掺入方法粉煤灰的掺入方法有：超量取代法、等量取代法和外加法。因工期紧，要求混凝土的早期强度较高，且为泵送混凝土，流动性好，故采用超量

10、取代法更为有利。(4)进行泵送混凝土配合比的试配和调整，并确定最终配合比。配合比试配中涉及的试验方法参照试验5进行。综合设计试验三：热拌沥青混合料目标配合比设计试验(1)试验目的与要求本综合设计试验目的：了解热拌沥青混合料的配合比设计的过程，培养综合设计试验能力；熟悉沥青与沥青混合料的基本性能试验方法。设计沥青路面面层用细粒式沥青混凝土混合料配合组成。热拌沥青混合料配合比的设计方法依据GB 5009296沥青路面施工及验收规范的附录B进行。(2)工程和原材料条件道路等级：一级公路；路面类型：两层沥青混凝土路面上面层；气候条件：最低月平均气温为-10。原材料：石油沥青，AH-90；粗集料：碎石粘

11、附性4级，表观密度2 720 kg/m3，符合GB 5009296沥青路面施工及验收规范的沥青面层用粗集料质量要求；河砂，中砂，表观密度为2 660 kg/m3，符合规范对沥青面层用细集料的质量要求；矿粉：石灰石粉，表观密度2 590 kg/m3，符合规范对沥青面层用矿粉的质量要求。问题与讨论【问题3-1】热拌沥青混合料配合比设计的目的是什么？分哪几个阶段？热拌沥青混合料广泛应用于各种等级道路的沥青面层。其配合比设计的任务就是通过确定粗集料、细集料、矿粉和沥青之间的比例关系，使沥青混合料的强度、稳定性、耐久性、平整度等各项指标均达到工程要求，并考虑合理的性价比，在实际工程设计中还需考虑原路面基

12、层的实际情况。热拌沥青混合料配合比设计应包括三个阶段：目标配合比设计阶段、生产配合比设计阶段、生产配合比验证阶段。本试验只要求完成目标配合比设计。【问题3-2】简述目标配合比设计的步骤。提示：参阅本书6.2.4。【问题3-3】沥青最佳用量是如何确定的？提示：参阅本书6.2.4。【问题3-4】如何检验最佳沥青用量(OAC)？提示：参阅本书6.2.4，经过计算得出的最佳用量应进行水稳定性检验和高温稳定性检验。热拌沥青混合料目标配合比设计试验步骤提示 沥青基本性能试验沥青基本性能试验包括针入度试验、延度试验、软化点试验。试验方法参照试验8进行。 集料筛分试验及矿质混合料配合组成设计集料筛分试验参照试

13、验9进行。 沥青混合料组成设计根据规范推荐的相应沥青混凝土类型的沥青用量范围，通过马歇尔试验的物理力学指标，确定沥青最佳用量。马歇尔试验参照试验10进行。试验1 土木工程材料基本物理性质试验 密度试验试验依据和适用范围本试验依据GB/T 208-94水泥密度测定方法进行。此方法适用于测定水泥的密度，也适用于测定采用本方法的其他粉状物料的密度。试图11 李氏瓶主要仪器李氏瓶(试图11)；恒温水槽；烘箱；天平(称量500g，精度0.01g)；温度计；干燥器等。试样制备将试样研磨，用0.90 mm方孔筛筛除筛余物，并放到1105的烘箱中，烘至恒重。将烘干的粉料放入干燥器中冷却至室温待用。试验步骤A将

14、与试样不起反应的液体（若测定水泥密度，则用无水煤油）注入李氏瓶中至0到1 mL刻度线后（以弯月面下部为准），盖上瓶塞放入恒温水槽内，使刻度部分浸入水中，恒温30 min，记下刻度数。B从恒温水槽中取出李氏瓶，用滤纸将李氏瓶细长颈内没有煤油的部分仔细擦干净。C. 用天平称取试样60 g，称准至0.01 g。D用小匙将水泥试样一点点装入李氏瓶中，反复摇动（亦可用超声波震动），至没有气泡排出，再次将李氏瓶静置于恒温水槽中，恒温30 min，记下第二次读数。E第一次读数和第二次读数时，恒温水槽的温度差不大于0.2 。试验结果计算水泥体积应为第二次读数减去初始读数，即水泥所排开的无水煤油的体积。按下式计

15、算出试样密度(精确至0.01 g/cm3)：密度试验用两个试样平行进行，以其结果的算术平均值作为最后结果。两个结果之差不得超过0.02 g/cm3。 干体积密度、含水率和吸水率试验依据和适用范围本试验依据为GB/T 11970-1997加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法，适用于加气混凝土及类同材料的检验。仪器设备电热鼓风干燥箱：最高温度200 ；托盘天平或磅秤：称量2 000 g，感量1 g；钢板直尺：规格为300 mm，分度值为0.5 mm；恒温水槽：水温15 25 。试样制备A. 试样的制备采用机锯或刀锯，沿制品膨胀方向中心部分上、中、下顺序锯取一组，“上”块上表面距离制品顶面30

16、 mm，“中”块在制品正中处，“下”块下表面离制品底面30 mm。锯时不得将试件弄湿。B. 制取100 mm100 mm100 mm立方体试件二组6块。试验步骤A. 干体积密度和含水率试验步骤a. 取试件一组3块，逐块量取长、宽、高三个方向的轴线尺寸，精确至1 mm，计算试件的体积；并称取试件质量M，精确至1 g。b. 将试件放入电热鼓风干燥箱内，在(605)下保温24 h，然后在（805）下保温24 h，再在(1055)下烘至恒质（M0）。B. 吸水率试验步骤a. 取另一组3块试件放入电热鼓风干燥箱内，在(605)下保温24 h，然后在（805）下保温24 h，再在(1055)下烘至恒质（M

17、0）。b. 试件冷却至室温后，放入水温为(205)的恒温水槽内，然后加水至试件高度的1/3，保持24 h，再加水至试件高度的2/3，经24 h后，加水高出试件30 mm以上，保持24 h。c. 将试件从水中取出，用湿布抹去表面水分，立即称取每块质量（Mg），精确至1 g。结果计算与评定A. 干体积按下式计算：式中r0 干体积密度，kg/m3；M0 试件烘干后质量，g；V 试件体积，mm3。B. 含水率按下式计算：式中WS 含水率，；M0 试件烘干后质量，g；M 试件烘干前的质量，g。C. 吸水率按下式计算（以质量百分率表示）：式中WR 吸水率，；M0 试件烘干后质量，g；Mg 试件吸水后质量，

18、g。D. 体积密度的计算精确至1 kg/m3；含水率和吸水率的计算精确至0.1。问题与讨论在进行密度试验时，试样的研碎程度对试验结果有何影响，为什么？提示：试件研磨得越细，结果越准确。在进行吸水率试验时，为什么要将逐步浸入水中？如果将试样一次性放入水下，对试验结果有何影响，为什么？提示：为了排除空气；结果会偏低。为何进行吸水率试验时，要“取出试件，用拧干的湿毛巾抹去试件表面的水分”后才进行称量？如果直接称量，结果会如何？提示：是测饱和面干吸水率；结果会偏高。试验2 建筑钢材试验(1)试验目的及依据测定钢材的屈服强度、抗拉强度与伸长率，注意观察拉力与变形之间的关系，检验钢材的力学及工艺性能。检验

19、钢筋承受规定弯曲程度的变形性能，确定其可加工性能，并显示其缺陷。本试验依据GB 232-1999金属材料弯曲试验方法、GB 2282002金属材料室温拉伸试验方法进行。(2)取样方法自每批钢筋中任意抽取两根，于每根距端部50mm处各取一套试样(两根试件)。在每套试样中取一根作拉力试验，另一根作冷弯试验。试验应在2010的温度下进行，如试验温度超出这一范围，应在试验记录和报告中注明。(3)拉伸试验原理试验是用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，测定第2章定义的一项或几项力学性能。除非另有规定，试验一般在室温1035范围内进行。对温度要求严格的试验，试验温度应为235。主要仪器设备试验机：应为1级或优于1

20、级准确度；钢筋切割机；游标卡尺；钢筋打印机或划线笔。试样A形状与尺寸：试样的形状与尺寸取决于要被试验的金属产品的形状与尺寸。通常从产品、压制坯或铸锭切取样坯经机加工制成试样。但具有恒定横截面的产品(型材、棒材、线材等)和铸造非铁合金可以不经机加工而进行试验。试样横截面可以为圆形、矩形、多边形、环形，特殊情况下可以为其他形状。试样的尺寸公差应符合GB/T 228-2002金属材料 室温拉伸试验方法的附录AD的规定。B试件制作和准备：拉伸试验用钢筋试件不进行车削加工，根据钢筋直径a确定试件的标距长度。原始标距l05a，如钢筋长度比原始标距长许多，可以标出相互重叠的几组原始标距（试图21）。如受试验

21、机量程限制，直径为2240mm的钢筋可制成车削加工试件。应用小标记，细划线或细墨线标记原始标距，但不得用引起过早断裂的缺口作标记。试图21C夹持方法：应使用例如楔形夹头、螺纹夹头等合适的夹具夹持试样。确保夹持的试样受轴向拉力的作用。上屈服强度(ReH)和下屈服强度(ReL)的测定呈现明显屈服(不连续屈服)现象的金属材料，相关产品标准应规定测定上屈服强度或下屈服强度或两者。如未具体规定，应测定上屈服强度和下屈服强度。可采用指针方法测上屈服强度和下屈服强度。指针方法：试验时，读取测力度盘指针首次回转前指示的最大力和不计初始瞬时效应时屈服阶段中指示的最小力或首次停止转动指示的恒定力。将其分别除以试样

22、原始横截面积(S0)得到上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度(ReH)和下屈服强度(ReL)分别按下式计算：式中 FeH试样发生屈服而力首次下降前的最大力，kN； FeL在屈服期间，不计初始瞬时效应的最小力，kN； S0原始横截面积，mm2。抗拉强度(Rm)的测定对于呈现明显屈服(不连续屈服)现象的金属材料，从测力度盘，读取过了屈服阶段之后的最大力；对于呈现无明显屈服(连续屈服)现象的金属材料，从测力度盘，读取试验过程中的最大力。抗拉强度(Rm)按下式计算：式中 Fm最大力，kN； S0原始横截面积，mm2。断后伸长率(A)的测定为了测定断后伸长度，应将试样断裂的部分仔细地配接在一起使其轴线处于

23、同一直线上，并采取特别措施确保试样断裂部分适当接触后测量试样断后标距。这对小横截面试样和低伸长度试样尤为重要。应使用分辨力优于0.1mm的量具或测量装置测定断后标距(L0)，准确到0.25mm。断裂处与最接近的标距标记的距离大于原始标距的三分之一时，可用卡尺直接量出已被拉长的标距长度L1（精确至0.1mm）。如拉断处到邻近的标距端点的距离不大于原始标距长度的三分之一时，可按下述位移法确定L1：在长段上，从拉断处O点取基本等于短段格数，得B点；接着取长段所余格数（偶数，试图22a）之半，得C点；或者取所余格数（奇数，试图2.2b）减1与加1之半，得C与C1点。位移后的L1分别为AOOB2BC或者

24、AOOBBCBC1。试图22断后伸长率可按下式计算：式中 Lu断后标距，mm； L0原始标距，mm； (4)冷弯试验原理弯曲试验是以圆形、方形、矩形或多边形横截面试样在弯曲装置上经受弯曲塑性变形，不改变加力方向，直至达到规定的弯曲角度。弯曲试验时，试样两臂的轴线保持在垂直于弯曲轴的平面内。如弯曲180的弯曲试验，按照相关产品标准的要求，将试样弯曲至两臂相距规定距离且相互平行或两臂直接接触。主要仪器设备试验机或压力机；弯曲装置；游标卡尺等。试验程序A钢筋冷弯试件不得进行车削加工，试件长度通常按下式确定：L5150(mm)（为试件原始直径）B半导向弯曲试样一端固定，绕弯心直径进行弯曲，如试图23（

25、）所示，试样弯曲到规定的角度或出现裂纹、裂缝或断裂为止。试图23C导向弯曲a. 试样放置于两个支点上，将一定直径的弯心在试样的两个支点中间施加压力，使试样弯曲到规定的角度，如试图23（b）或出现裂纹、裂缝或断裂为止。b. 试样在两个支点上按一定弯心直径弯曲至两臂平行时，可一次完成试验，亦可先弯曲到试图2.3（b）所示的状态，然后放置在试验机平板之间继续施加压力，压至试样两臂平行。此时可以加与弯心直径相同尺寸的衬垫进行试验，如试图23（c）。当试样需要弯曲至两臂接触时，首先将试样弯曲到试图2.3（b）所示状态，然后放置在试验机两平板间继续施加压力，直至两臂接触，如试图23（d）c. 试验应在平稳

26、压力作用下，缓慢施加压力。两支辊间距离为（d2.5）0.5，并且在试验过程中不允许有变化。d. 试验应在1035或控制条件（235）下进行。D试验结果弯曲后，按有关标准规定检查试样弯曲外表面，进行结果评定。若无裂纹、裂缝或断裂，则评定试样合格。问题与讨论在进行钢材拉伸试验时，加荷速度对试验结果有何影响？提示：加荷速度越快，所测的抗拉强度越高。在测定伸长率时，如断裂点非常靠近夹持点(即不在中间部位断裂)，对试验结果有何影响？提示：试验结果偏低。进行弯曲试验时，“横向毛刺、伤痕或刻痕”对试验结果有何影响，为什么？提示：这些缺陷易导致应力集中。钢材试验中，对温度有严格要求，如果试验温度偏高对屈服点，

27、抗拉强度，伸长率和冷弯结果各有何影响？提示：在正温以上，温度越高，钢材强度越低，塑性越好。试验3 水泥技术性能试验(1)试验目的及依据测定水泥的细度、标准稠度用水量、凝结时间、安定性及胶砂强度等主要技术性质，作为评定水泥强度等级的主要依据。本试验根据GB 134591水泥细度检验方法（80m筛筛析法）、GB/T 13462001 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法和GB/T 176711999 水泥胶砂强度检验方法（ISO法）进行。(2)水泥试验的一般规定同一试验用的水泥应在同一水泥厂出产的同品种、同强度等级、同编号的水泥中取样。当试验水泥从取样至试验要保持24h以上时，应把它贮存在

28、基本装满和气密的容器里。容器应不与水泥发生反应。水泥试样应充分拌匀，且用0.9mm方孔筛过筛。试验时温度应保持在202，相对湿度应不低于50。养护箱温度为201，相对湿度不低于90。试体养护池水温度应在201范围内。试验用水必须是洁净的淡水。水泥试样、标准砂、拌合用水及试模等的温度应与试验室温度相同。(3)水泥细度检验细度检验有负压筛法、水筛法和干筛法三种，在检验中，如负压筛法与其它方法的测定结果有争议时，以负压筛法为准。本处介绍负压筛法。用筛网上所得筛余物的质量占试样原始质量的百分数来表示水泥样品的细度。主要仪器设备A.负压筛: 负压筛由圆型筛框和筛网组成，筛框有效直径为142mm，高度为2

29、5mm，方孔边长为0.080mm。B.负压筛析仪：负压筛析仪由筛座、负压筛、负压源及收尘器组成，其中筛座由转速为30r/min2r/min的喷气嘴、负压表、控制板、微电机及壳体构成。筛析仪负压可调范围为4000Pa-6000Pa。C.天平：最大称量为100g，最小分度值不大于0.05g。试验步骤试验前所用试验筛应保持清洁，负压筛应保持干燥。试验时，0.08mm筛析试验称取试样25g，0.045mm筛析试验称取试样10g。负压筛析法如下：A.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4000Pa-600Pa范围内。B.称取试样精确至0.0g,置于洁净的负压筛中，

30、放在筛座上，盖上筛盖，接通电源，开动筛析仪连续筛析2min，在此间如有试样附着在筛盖上，可轻轻地敲击筛盖使试样落下。筛毕，用天平称量全部筛余物，精确至0.0g。.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。试验结果计算水泥试样筛余百分数按下式计算(结果精确至0.1)：式中 F水泥试样的筛余百分数，； RS水泥筛余物的质量，g； W水泥试样的质量，g；(4)水泥标准稠度用水量测定(标准法)主要仪器设备水泥净浆搅拌机；维卡仪（见试图31）；量水器和天平等。试验步骤A.试验前必须做到：维卡仪的金属棒能自由滑动；调整维卡仪的金属棒至试杆接触玻璃板时指针对准零点；搅拌机运转正常等。B.水泥浆的拌制用水泥净浆搅拌机搅拌，搅拌锅和搅拌叶片先用湿布擦过。将拌和水倒入搅拌锅内，然后在510s内小心将称好的500g水泥加入水中，防止水和水泥溅出。拌和时，先将锅放到搅拌机锅座上，升至搅拌位置，启动搅拌机，低速搅拌120s，停拌15s，同时将叶片和锅壁上的水泥浆刮入锅中间，接着高速搅拌120s，停机。