《土木工程材料实验》实验指导书.docx
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《土木工程材料实验》实验指导书
《土木工程材料实验》实验指导书
南京航空航天大学土木工程系
2004.9
实验一、水泥胶砂强度检验
（一）试验目的
根据国家标准要求，测定水泥各龄期的强度，从而确定或检验水泥的强度等级。
（二）主要仪器设备
水泥胶砂搅拌机、胶砂振实台（台面有卡具）、模套、试模（三联模）、抗折试验机、抗压试验机及抗折与抗压夹具、刮平直尺等。
（三）试验方法及步骤
1.试验前准备
（1）将试模擦净，四周模板与底座的接触面应涂黄油，紧密装配，防止漏浆，内壁均匀刷一层薄机油。
（2）水泥与标准砂的质量比为1：
3，水灰比为0.5。
（3）每成型三条试件需称量水泥450±2g，标准砂1350±5g。
拌合用水量为225±1ml。
（4）标准砂应符合国标要求。
2.试件成型
（1）把水加入锅里，再加入水泥，把锅固定。
然后立即开动机器，低速搅拌30s后，在第二个30s开始的同时均匀地将砂子加入，把机器转至高速再加拌30s。
停拌90s，在第一个15s内用一胶皮刮具将叶片和锅壁上的胶砂，刮入锅中间。
在高速下继续搅拌60s。
各个搅拌阶段，时间误差应在±1s之内。
（2）将空试模和模套固定在振实台上，用一个适当勺子直接从搅拌锅里将胶砂分二层装入试模，装第一层时，每个槽内约放300g胶砂，用大播料器垂直架在模套顶部沿每个模槽来回一次将料层播平，接着振实60次。
再装入第二层胶砂，用小播平器播平，再振实60次。
（3）从振实台上取下试模，用一金属直尺以近90?
的角度架在试模模顶的一端，然后沿试模长度方向以横向锯割动作慢慢向另一端移动，一次将超过试模部分的胶砂刮去，并用同一直尺以近乎水平的情况下将试体表面抹平。
（4）在试模上作标记或加字条表明试件编号和试件相对于振实台的位置。
（5）试验前和更换水泥品种时，搅拌锅、叶片等须用湿布抹擦干净。
3.养护
（1）试件编号后，将试模放入雾室或养护箱（温度20±1℃，相对湿度大于90%），箱内篦板必须水平，养护20～24h后，取出脱模，脱模时应防止试件损伤，硬化较慢的水泥允许延期脱模，但须记录脱模时间。
（2）试件脱模后应立即放入水槽中养护，养护水温为20±1℃，养护期间试件之间应留有间隙至少5mm，水面至少高出试件5mm，养护至规定龄期，不允许在养护期间全部换水。
4.强度试验
（1）龄期
各龄期的试件，必须在规定的3d±45min，7d±2h，28d±2h内进行强度测定。
在强度试验前15min将试件从水中取出后，用湿布覆盖。
（2）抗折强度测定
①每龄期取出3个试件，先做抗折强度测定，测定前须擦去试件表面水分和砂粒，清除夹具上圆柱表面粘着的杂物，试件放入抗折夹具内，应使试件侧面与圆柱接触。
②调节抗折试验机的零点与平衡，开动电机以50N/S±10N/S速度加荷，直至试件折断，记录破坏荷载Ff（N）。
③抗折强度按下式计算（精确至0.1MPa）：
式中：
L——支撑圆柱中心距离（100mm）；
b、h——试件断面宽及高均为40mm。
④抗折强度的结果确定是取3个试件抗折强度的算术平均值；当3个强度值中有一个超过平均值的±10%时，应予剔除，取其余两个的平均值；如有2个强度值超过平均值的10%时，应重做试验。
（3）抗压强度测定
①抗折试验后的6个断块，应立即进行抗压试验，抗压强度测定须用抗压夹具进行，试体受压断面为40mm×40mm，试验前应清除试体受压面与加压板间的砂粒或杂物；试验时，以试体的侧面作为受压面，并使夹具对准压力机压板中心。
②开动试验机，控制压力机加荷速度为2400N/S±200N/S，均匀地加荷至破坏。
记录破坏荷载Fc（N）。
③抗压强度按下式计算（精确至0.1MPa）。
式中：
A为受压面积，即40mm×40mm。
④抗压强度结果的确定是取一组6个抗压强度测定值的算术平均值；如6个测定值中有一个超出6个平均值的±10%，就应剔除这个结果，而以剩下5个的平均值作为结果；如果5个测定值中再有超过它们平均数±10%的，则此组结果作废。
（4）试验结果分析
将试验及计算所得到的各标准龄期抗折和抗压强度值，对照国家规范所规定的水泥各标准龄期的强度值，来确定或验证水泥强度等级。
要求各龄期的强度值均不低于规范所规定的强度值。
实验二、砂石材料试验
一、砂试验
（一）取样方法与检验规则
1、砂的取样
在料堆抽样时，将取样部位表层铲除，从料堆不同部位均匀取8份砂；从皮带运输机上抽样时，应用接料器在皮带运输机的机尾的出料处，定时抽取大致等量的4份砂；从火车、汽车和货船上取样时，应从不同部位和深度抽取大致等量的8份砂。
分别组成一组样品。
2、主要仪器设备
摇筛机、标准筛（孔径为150μm、300μm、600μm、1.18mm、2.36mm、4.75mm和9.50mm的方孔筛）、天平、烘箱、浅盘、毛刷和容器等。
3、试样制备
将四分法缩取的约1100g试样，置于105±5℃的烘箱中烘至恒重，冷却至室温后先筛除大于9.50mm的颗粒（并记录其含量），再分为大致相等的两份备用。
4、试验方法及步骤
（1）准确称取试样500g（精确至1g）。
（2）将标准筛按孔径由大到小顺序叠放，加底盘后，将试样倒入最上层4.75mm筛内，加盖后，置于摇筛机上，摇筛10min（也可用手筛）。
（3）将整套筛自摇筛机上取下，按孔径大小，逐个用手于洁净的盘上进行筛分，筛至每分钟通过量不超过试样总重的0.1%为止，通过的颗粒并入下一号筛内并和下一号筛中的试样一起过筛。
直至各号筛全部筛完为止。
各筛的筛余量不得超过按下式计算出的量，超过时应按下列方法之一处理。
式中：
m——在一个筛上的筛余量（g）；
A——筛面的面积（mm2）；
d——筛孔尺寸（mm）
①将该筛孔筛余量分成少于上式计算出的量，分别筛分，并以各筛余量之和为该筛孔筛的筛余量。
②将该筛孔及小于该筛孔的筛余混合均匀后，以四分法分为大致相等的两份，取其中一份，称其质量（精确至1g）并进行筛分。
计算重新筛分的各级分计筛余量需根据缩分比例进行修正。
（4）称量各号筛的筛余量（精确至1g）。
分计筛余量和底盘中剩余重量的总和与筛分前的试样重量之比，其差值不得超过1%。
（5）试验结果计算
1.分计筛余百分率——各筛的筛余量除以试样总量的百分率，精确至0.1%。
2.累计筛余百分率——该筛上的分计筛余百分率与大于该筛的分计筛余百分率之和，精确到1%。
（六）试验结果鉴定
1.级配的鉴定：
用各筛号的累计筛余百分率绘制级配曲线，或对照国家规范规定的级配区范围，判定其是否都处于一个级配区内。
注：
除4.75mm和4.75筛孔外，其他各筛的累计筛余百分率允许略有超出，但超出总量不应大于5%。
2.粗细程度鉴定：
砂的粗细程度用细度模数Mx的大小来判定。
细度模数Mx按下式计算，精确至0.01。
式中，A1、A2、A3、A4、A5、A6分别为4.75mm、2.36mm、1.18mm、600μm、300μm、150μm孔径筛上的累计筛余百分率。
根据细度模数的大小来确定砂的粗细程度。
当Mx=3.7～3.1时为粗砂。
Mx=3.0～2.3时为中砂。
Mx=2.2～1.6时为细砂。
3.筛分试验应采用两个试样进行，取两次结果的算术平均值作为测定结果，精确至0.1，若两次所得的细度模数之差大于0.2，应重新进行试验。
二、碎石或卵石试验
（一）取样方法与检验规则
1.石子的取样
在料堆抽样时，将取样部位表层铲除，从料堆不同部位均匀取大致相等的15份石子；从皮带运输机上抽样时，应用接料器在皮带运输机的机尾的出料处，抽取大致等量的8份石子；从火车、汽车和货船上取样时，应从不同部位和深度抽取大致等量的16份石子。
分别组成一组样品。
2.四分法缩取试样
将取石子试样在自然状态下拌匀后堆成锥体，在其上划十字线，分成大致相等的四份，取其中对角线的两份重新拌匀后，再按同样的方法持续进行，直至缩分后的材料量略多于试验所需的数量为止。
3.检验规则
石子检验项目主要有颗粒级配、表观密度、堆积密度与空隙率、含泥量和泥块含量、针片状颗粒含量、坚固性、强度、压碎指标、碱集料反应和有害物质。
经检验后，其结果符合标准规定的相应要求时，可判为该产品合格，若其中一项指标不符合，则应从同一批品中加倍抽样对该项进行复检，复检后指标符合标准要求时，可判该类产品合格，仍不符合标准要求时，则该批产品不合格
（二）石子的筛分析试验
1.目的
测定粗骨料的颗粒级配及粒级规格，对于节约水泥和提高混凝土强度是有利的，同时为使用骨料和混凝土配合比设计提供了依据。
2.主要仪器设备
摇筛机、圆孔筛（孔径规格为2.36mm、4.75mm、9.50mm、16.0mm、19.0mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm、53.0mm、63.0mm、75.0mm和90mm）、托盘天平、台秤、烘箱、容器、浅盘等。
3.试样制备
从取回的试样中用四分法缩取略大于表Ⅰ-3规定的试样数量，经烘干或风干后备用（所余试样做表观密度、堆积密度试验）。
4.试验方法与步骤
（1）按表Ⅰ-3规定称取烘干或风干试样质量G，精确到1g。
（2）将筛按孔径由大到小顺序叠置，然后将试样倒入上层筛中，置于摇筛机上固定，摇筛10min。
石子筛分析所需试样的最小重量
最大粒径（mm）
9.5
16.0
19.0
26.5
31.5
37.5
63.0
75.0
试样质量不少于（kg）
1.9
3.2
3.8
5.0
6.3
7.5
12.6
16.0
（3）按孔径由大到小顺序取下各筛，分别于洁净的盘上手筛，直至每分钟通过量不超过试样总量的0.1%为止，通过的颗粒并入下一号筛中并和下一号筛中的式样一起过筛。
当试样粒径大于19.0mm时，筛分时允许用手拨动试样颗粒，使其通过筛孔。
（4）称取各筛上的筛余量，精确1g。
在筛上的所有分计筛余量和筛底剩余的总和与筛分前测定的试样总量相比，其相差不得超过1%
5．试验结果的计算及鉴定
1.分计筛余百分率——各号筛上筛余量除以试样总质量的百分数（精确至0.1%）。
2.累计筛余百分率——该号筛上分计筛余百分率与大于该号筛的各号筛上的分计筛余百分率之总和（精确至1%）。
粗骨料的各筛号上的累计筛余百分率应满足国家规范规定的粗骨料颗粒级配范围要求。
（三）石子的压碎指标值试验
石子的压碎指标值用于相对的衡量石子在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力。
工程施工单位可采用压碎指标值进行质量控制。
1.主要仪器设备：
压力试验机（量程300kN）、压碎值测定仪（见图Ⅰ-8）、垫棒（ф10mm，长500mm）、天平（称量1kg，感量1g）、方孔筛（孔径分别为2.36mm、9.50mm和19.0mm）。
2.试验方法及步骤
（1）将石料试样风干。
筛除大于19.0mm及小于9.50mm的颗粒，并除去针片状颗粒。
（2）称取三份试样，每份3000g（m1），精确至1g。
（3）将试样分两层装入圆模，每装完一层试样后，在底盘下垫ф10mm垫棒，将筒按住，左右交替颠击地面各25次，平整模内试样表面，盖上压头。
（4）将压碎值测定仪放在压力机上，按1kN/s速度均匀地施加荷载至200kN，稳定5s后卸载。
（5）取出试样，用2.36mm的筛筛除被压碎的细粒，称出筛余质量（m2），精确至1g。
（6）压碎指标值按下式计算，精确至0.1%。
式中：
Qe——压碎指标值（%）；
m1——试样的质量（g）；
m2——压碎试验后筛余的质量（g）。
以三次平行试验结果的算术平均值作为压碎指标值的测定值，精确至1%。
实验三、普通混凝土试验
一、试验目的
学会普通混凝土拌合物的拌制方法，为测定和调整混凝土的性能、进行混凝土配合比设计打好基础。
（一）一般规定
1.拌制时，原材料与拌和场地的温度宜保持在20±5℃。
2.原材料应符合技术要求，并与施工实际用料相同，水泥若有结块现象，需用0.9mm的方孔筛将结块筛除。
3.拌制混凝土的材料用量以重量计。
混凝土试配最小搅拌量是：
当骨料最大粒径小于31.5mm时，拌制数量为15L，最大粒径为40mm时取25L；当采用机械搅拌时，搅拌量不应小于搅拌机额定搅拌量的1/4。
称料精确度为：
骨料±1%、水、水泥、外加剂±0.5%。
（二）主要仪器设备
搅拌机、磅秤、天平、拌和钢板、钢抹子、量筒、拌铲等。
（三）拌和方法
1.人工拌和法
（1）按所定的配合比备料，以干燥状态为基准，称取各材料用量。
（2）将拌板和拌铲用湿布润湿后，将砂倒在拌板上，然后加入水泥，用拌铲自拌板一端翻拌至另一端，如此反复，直至充分混合，颜色均匀，再放入称好的粗骨料与之拌合，继续翻拌，直至混合均匀为止。
（3）将干混合物堆成锥形，在中间作一凹槽，将已称量好的水，倒入一半左右（勿使水流出），然后仔细翻拌并徐徐加入剩余的水，继续翻拌，每翻拌一次，用铲在混合料上铲切一次。
（4）测试过程力求动作敏捷，拌合时间从加水时算起，应符合标准规定：
拌合物体积为30L以下时4～5min。
拌合物体积为30～50L时5～9min。
拌合物体积为51～75L时9～12min。
（5）拌好后，应立即做和易性试验或试件成型，从开始加水时算起，全部操作须在30min内完成
2.机械搅拌法
（1）按所定的配合比备料，以干燥状态为基准，称取各材料用量。
（2）拌前先对混凝土搅拌机挂浆，即用按配合比要求的水泥、砂、水和少量石子，在搅拌机中涮膛，然后倒去多余砂浆。
其目的在于防止正式拌和时水泥浆挂失影响混凝土配合比。
（3）将称好的石子、砂、水泥按顺序倒入搅拌机内，干拌均匀，再将需用的水徐徐倒入搅拌机内一起拌和，全部加料时间不得超过2min，水全部加入后，再拌和2min。
（4）将拌合物从搅拌机中卸出，倾倒在拌板上，再经人工拌合2～3次。
（5）拌好后，应即做和易性测定或试件成型，从开始加水时算起，全部操作必须在30min内完成。
二、混凝土拌合物和易性试验
新拌混凝土的和易性是保证混凝土便于施工、质量均匀、成型密实的性能，它是保证混凝土施工和质量的前提。
1.适用范围。
本试验方法适用于坍落度值不小于10mm，骨料最大粒径不大于40mm的混凝土拌合物的坍落度测定。
2.主要仪器设备。
坍落度筒（见图Ⅰ-11）、捣棒、小铲、木尺、钢尺、拌板、抹刀、喂料斗等。
3.试验方法及步骤。
（1）每次测定前，用湿布把拌板及坍落筒内外擦净、润湿，并在筒顶部加上漏斗，放在拌板上，用双脚踩紧脚踏板，使位置固定。
（2）取拌好的混凝土用取样勺分三层均匀装入筒内，每层装入高度在插捣后约为筒高的1/3，每层用捣棒插捣25次，插捣应呈螺旋形由外向中心进行，各次插捣均应在截面上均匀分布，插捣第二层和顶层时，捣棒应插透本层，并使之刚刚插入下一层。
在插捣顶层时，如混凝土沉落到低于筒口，则应随时添加，顶层插捣完后，刮去多余混凝土，并用抹刀抹平。
（3）清除筒边底板上的混凝土后，垂直平稳地提起坍落度筒，坍落度筒的提离过程应在5～10s内完成，从开始装料到提起坍落度筒的整个过程应不间断进行，并在150s内完成。
4.试验结果确定。
提起坍落度筒后，立即测量筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高度差，此值即为混凝土拌合物的坍落度值，单位毫米（mm）。
坍落度筒提起后，如混凝土拌合物发生崩塌或一边剪切破坏，则应重新取样进行测定，如仍出现上述现象，则该混凝土拌合物和易性不好，并应记录备查。
三、混凝土立方体抗压强度试验
（一）目的
学会混凝土抗压强度试件的制作及测定方法，用以检验混凝土强度，确定、校核混凝土配合比，并为控制混凝土施工质量提供依据。
（二）一般技术规定
1.本试验采用立方体试件，以同一龄期、3个同时制作、同样养护的混凝土试件为一组。
2.每一组试件所用的拌合物应从同盘或同一车运送的混凝土拌合物中取样，或在试验室用人工或机械单独制作。
3.检验工程和构件质量的混凝土试件成型方法应尽可能与实际施工采用的方法相同。
4.试件尺寸按粗骨料的最大粒径来确定（见表）。
试件尺寸选用及成型插捣次数表
试件尺寸（mm）
骨料最大粒径（mm）
每层插捣次数（次）
100×100×100
150×150×150
200×200×200
31.5
40
60
12
25
50
（三）主要仪器设备
压力试验机、振动台、试模、捣棒、小铁铲、钢尺等。
（四）试件制作
1.在制作试件前，首先要检查试模，拧紧螺栓，并清刷干净，同时在其内壁涂上一薄层脱模剂。
2.试件的成型方法应根据混凝土的坍落度来确定。
（1）坍落度不大于70mm的混凝土拌合物宜采用振动台成型。
其方法是将拌好的混凝土拌合物一次装入试模，装料时应用抹刀沿试模内壁略加插捣并使混凝土拌合物稍有富裕，然后将试模放到振动台上，用固定装置予以固定，开动振动台并计时，当拌合物表面呈现水泥浆时，停止振动并记录振动时间，用抹刀沿试模边缘刮去多余拌合物，并抹平。
（2）坍落度大于70mm的混凝土拌合物采用人工捣实成型。
其方法是将混凝土拌合物分二层装入试模，每层装料厚度大致相同，插捣时用垂直的捣棒按螺旋方向由边缘向中心进行，插捣底层时捣棒应达到试模底面，插捣上层时，捣棒应贯穿到下层深度20～30mm，并用抹刀沿试模内侧插入数次，以防止麻面。
捣实后，刮除多余混凝土，并用抹刀抹平。
（五）试件养护
1.标准养护的试件成型后应覆盖表面，防止水分蒸发，并在20±5℃的室内静置1～2昼夜（但不得超过2天），然后编号拆模。
2.拆模后的试件应立即放入标准养护室（温度为20±3℃，相对湿度为90%以上）养护，在标准养护室中试件应放在架上，彼此相隔10～20mm，并应避免用水直接冲淋试件。
3.当无标准养护室时，混凝土试件可在温度为20±3℃的不流动水中养护。
水的pH值不应小于7
（六）抗压强度测定
1.试件从养护室取出，随即擦干并量出其尺寸（精确至1mm），并以此计算试件的受压面积A（mm2），如实测尺寸与公称尺寸之差不超过1mm，可按公称尺寸进行计算。
2.将试件安放在压力试验机的下压板上，试件的承压面应与成型时的顶面垂直。
试件的轴心应与压力机下压板中心对准，开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，使接触均衡。
3.加压时，应连续而均匀的加荷，加荷速度为：
当混凝土强度等级低于C30时，加荷速度取每秒0.3～0.5MPa/s。
当混凝土强度等级等于或大于C30时加荷速度取0.5～0.8MPa/s。
当试件接近破坏而开始迅速变形时，应停止调整试验机油门，直至试件破坏，然后记录破坏荷载P（N）。
（七）试验结果计算
1.试件的抗压强度
按下式计算：
2.以三个试件抗压强度的算术平均值作为该组试件的抗压强度值，精确至0.1MPa。
三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的±15%时，则取中间值作为该组试件的抗压强度值；如有两个测值与中间值的差均超过中间值的±15%，则该组试件的试验结果无效。
3.混凝土抗压强度是以150mm×150mm×150mm的立方体试件作为抗压强度的标准试件，其他尺寸试件的测定强度均应换算成150mm立方体试件的标准抗压强度值，换算系数见表Ⅰ-6。
混凝土立方体试件尺寸系数换算表
试件尺寸（mm）
200×200×200
150×150×150
100×100×100
换算系数
1.05
1.00
0.95
四、混凝土劈裂抗拉强度试验（参考）
（一）主要仪器设备
1.压力试验机（量程200～300kN）。
2.垫条：
采用直径为150mm的钢制弧型垫条，其长度不短于试件的边长。
3.垫层：
加放于试件与垫条之间，为木质三合板，宽15～20mm，厚3～4mm，长度不短于试件的边长。
垫层不得重复使用。
混凝土劈裂抗拉试验装置见图Ⅰ-13所示。
（二）试验步骤
1.按制作抗压强度试件的方法成型试件，每组3块。
2.从养护室取出试件后，应及时进行试验。
将表面擦干净，在试件成型面与底面中部划线定出劈面的位置，劈裂面应与试件的成型面垂直。
3.测量劈裂面的边长（精确至1mm），计算出劈裂面积A（mm2），如实测尺寸与公称尺寸之差不超过1mm，可按公称尺寸进行计算。
4.将试件放在试验机下压板的中心位置，降低上压板，分别在上、下压板与试件之间加垫条与垫层，使垫条的接触母线与试件上的荷载作用线准确对正。
5.开动试验机，使试件与压板接触均衡后，连续均匀地加荷，加荷速度为：
混凝土强度等级低于C30时，取0.02～0.05MPa/s；强度等级高于或等于C30时，取0.05～0.08MPa/s。
加荷至破坏，记录破坏荷载P（N）
（三）结果计算
1.按下式计算混凝土的劈裂抗拉强度：
2.以3个试件测值的算术平均值作为该组试件的劈裂抗拉强度值（精确到0.1MPa）。
其异常数据的取舍与混凝土抗压强度试验同。
3.采用150mm×150mm×150mm的立方体试件作为标准试件，如采用100mm×100mm×100mm立方试件时，试验所得的劈裂抗拉强度值，应乘以尺寸换算系数0.85。
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