土木工程材料教学试验手册

土木工程材料教学试验手册一、引言土木工程材料是土木工程专业的一门重要基础课程，通过实验教学，学生可以更直观地了解各种材料的性能和应用，培养实践操作能力和科学研究素养。本试验手册旨在指导学生顺利完成土木工程材料的各项实验，确保实验教学的质量和效果。

二、试验目的1.熟悉土木工程材料的基本性能测试方法和仪器设备的操作。2.掌握各类土木工程材料的主要技术性质，如强度、密度、含水率等。3.通过实验数据的分析和处理，培养学生的科学思维和解决实际问题的能力。4.了解不同材料在土木工程中的应用特点和合理选用原则。

三、试验要求1.实验前，学生应认真预习实验指导书，明确实验目的、原理、步骤和注意事项。2.严格遵守实验室规章制度，听从教师和实验技术人员的指导，确保实验安全。3.按照规定的实验方法和操作规程进行实验，如实记录实验数据，不得抄袭或篡改。4.实验过程中要仔细观察实验现象，积极思考，如有疑问及时向教师提出。5.实验结束后，整理好实验仪器和设备，清理实验场地，经教师检查合格后方可离开实验室。6.按时完成实验报告，报告内容应包括实验目的、原理、步骤、数据记录与处理、结果分析和讨论等，要求文字通顺、图表清晰、结论明确。

四、试验项目及方法

（一）水泥试验1.水泥细度的测定方法原理：采用筛析法，通过一定孔径的筛网，将水泥试样进行筛分，称量筛余物的质量，从而计算出水泥的细度。实验仪器：负压筛析仪、水泥标准筛等。实验步骤将负压筛析仪接通电源，检查控制系统，调节负压至4000～6000Pa。称取水泥试样25g，置于洁净的负压筛中，盖上筛盖，放在筛析仪上，开动筛析仪连续筛析2min。筛毕，用天平称量筛余物的质量。结果计算：水泥试样的细度按下式计算：\[细度(\%)=\frac{m_1}{m}\times100\%\]式中：\(m_1\)--筛余物的质量，g；\(m\)--水泥试样的质量，g。2.水泥标准稠度用水量的测定方法原理：通过调整用水量，使水泥净浆达到标准稠度，即标准试杆沉入净浆并距底板6mm±1mm时的水泥净浆稠度。实验仪器：维卡仪、水泥净浆搅拌机等。实验步骤搅拌机运行，将500g水泥倒入搅拌锅内，开动搅拌机，同时徐徐加入拌和水，慢速搅拌120s，停15s，接着快速搅拌120s后停机。立即将拌制好的水泥净浆装入已置于玻璃底板上的试模中，用小刀插捣，轻轻振动数次，刮去多余的净浆，抹平后迅速放到维卡仪上。调整试杆接触水泥净浆表面，拧紧螺丝1～2s后突然放松，使试杆垂直自由地沉入水泥净浆中。在试杆停止沉入或释放试杆30s时记录试杆距底板之间的距离，升起试杆后，立即擦净。整个操作应在搅拌后1.5min内完成。以试杆沉入净浆并距底板6mm±1mm的水泥净浆为标准稠度净浆。其拌和水量为该水泥的标准稠度用水量（P），按水泥质量的百分比计。当试杆距底板小于5mm或大于7mm时，应适当调整水量，重复上述实验，直至达到要求。3.水泥凝结时间的测定方法原理：通过观察水泥净浆在凝结过程中物理性质的变化，确定初凝和终凝时间。实验仪器：凝结时间测定仪、水泥净浆搅拌机等。实验步骤以标准稠度用水量制成水泥净浆，一次装入试模，振动数次刮平，立即放入湿气养护箱中。记录水泥全部加入水中的时间作为凝结时间的起始时间。初凝时间测定：试件在湿气养护箱中养护至加水后30min时进行第一次测定。测定时，从湿气养护箱中取出试模放到试针下，使试针与净浆表面接触，拧紧螺丝1～2s后突然放松，试针垂直自由地沉入水泥净浆中。观察试针停止下沉或释放试针30s时指针的读数。当试针沉至距底板4mm±1mm时，为水泥达到初凝状态。由水泥全部加入水中至初凝状态的时间为水泥的初凝时间，用"min"表示。终凝时间测定：为了准确观测试针沉入的状况，在终凝针上安装了一个环形附件。在完成初凝时间测定后，立即将试模连同浆体以平移的方式从玻璃板取下，翻转180°，直径大端向上，小端向下放在玻璃板上，再放入湿气养护箱中继续养护。临近终凝时间时每隔15min测定一次，当试针沉入试体0.5mm时，即环形附件开始不能在试体上留下痕迹时，为水泥达到终凝状态。由水泥全部加入水中至终凝状态的时间为水泥的终凝时间，用"min"表示。4.水泥安定性的测定（雷氏法）方法原理：通过测定水泥净浆在雷氏夹中沸煮后的膨胀值，判断水泥的安定性是否合格。实验仪器：雷氏夹、沸煮箱、水泥净浆搅拌机等。实验步骤以标准稠度用水量制成水泥净浆，将预先校准的雷氏夹放在涂有一薄层黄油的玻璃板上，把制备好的水泥净浆装满雷氏夹试模，轻轻插捣后抹平，盖上稍涂黄油的玻璃板，立即将试模移至湿气养护箱内养护24h±2h。脱去玻璃板取下试件，先测量雷氏夹指针尖端间的距离（A），精确至0.5mm，接着将试件放入沸煮箱水中的试件架上，指针朝上，然后在30min±5min内加热至沸并恒沸180min±5min。沸煮结束后，立即放掉沸煮箱中的热水，打开箱盖，待箱体冷却至室温，取出试件。测量雷氏夹指针尖端间的距离（C）。当两个试件煮后增加距离（CA）的平均值不大于5.0mm时，即认为该水泥安定性合格；当两个试件的（CA）值相差超过4.0mm时，应用同一样品立即重做一次试验。再如此，则认为该水泥安定性不合格。

（二）集料试验1.砂的筛分试验方法原理：用一套孔径不同的标准筛，将砂样进行筛分，分别称量各筛上的筛余量，计算出各筛的分计筛余百分率和累计筛余百分率，从而确定砂的颗粒级配。实验仪器：标准筛、摇筛机、天平、烘箱等。实验步骤用于筛分析的试样，其颗粒的公称直径不应大于10.0mm。试验前应先将来样通过公称直径10.0mm的筛，并计算筛余。然后称取烘干试样500g，置于按筛孔大小顺序排列的套筛的最上一只筛上。将套筛装入摇筛机中固紧，筛分15min。筛分后，将套筛自摇筛机上取下，按筛孔大小顺序再逐个用手筛，使每只筛上的筛余量完全通过筛孔。在筛分时，应使砂在筛面上轻轻滚动，勿使粒料掉出筛孔。称取各筛筛余试样的质量，精确至1g。所有各筛的分计筛余质量之和与筛分前的试样总量相比，其差值不得超过1%。结果计算分计筛余百分率：各筛上的筛余量与试样总量之比，精确至0.1%。累计筛余百分率：该筛的分计筛余百分率与大于该筛的各筛的分计筛余百分率之和，精确至0.1%。根据各筛的累计筛余百分率，评定砂的颗粒级配。2.砂的表观密度试验（容量瓶法）方法原理：通过测量砂样在容量瓶中排开的水的体积，计算出砂的表观密度。实验仪器：容量瓶、天平、烘箱、广口瓶等。实验步骤称取烘干的砂样300g，装入盛有半瓶冷开水的容量瓶中。摇转容量瓶，使砂样充分搅动以排除气泡，塞紧瓶塞，静置24h。打开瓶塞，往瓶内添加冷开水至接近刻度线。轻轻摇动容量瓶，使水面均匀，然后塞紧瓶塞，擦干瓶外水分，称其质量（\(m_1\)）。倒出瓶中的水和砂样，洗净容量瓶，重新注入冷开水至接近刻度线，塞紧瓶塞，擦干瓶外水分，称其质量（\(m_2\)）。计算砂的表观密度（\(\rho_{0}\)），按下式计算：\[\rho_{0}=\frac{m_0}{m_0+m_2m_1}\times\rho_{w}\]式中：\(m_0\)--砂样的质量，g；\(\rho_{w}\)--水的密度，\(g/cm^3\)，取1.0\(g/cm^3\)。3.碎石或卵石的压碎指标值测定方法原理：通过测定一定质量的碎石或卵石在压力作用下的压碎值，评估其抵抗压碎的能力。实验仪器：压力试验机、压碎指标测定仪、天平、烘箱等。实验步骤用公称粒径为10.0～20.0mm的石子，按四分法缩分至规定质量，烘干或风干后筛除小于10.0mm及大于20.0mm的颗粒，并去除针、片状颗粒，分为大致相等的三份备用。取试样一份，分两层装入圆筒。每装完一层在底盘下面垫放一直径10mm的圆钢筋，将筒按住，左右交替颠击地面各25下。第二层颠实后，试样表面应平整，并超出筒顶。将装有试样的圆筒放在压力试验机上，在160～300s内均匀地加荷到200kN，稳定5s，然后卸荷。称取通过2.36mm筛孔的全部细料质量（\(m_1\)）。计算压碎指标值（\(\delta_{a}\)），按下式计算：\[\delta_{a}=\frac{m_0m_1}{m_0}\times100\%\]式中：\(m_0\)--试验前试样的质量，g；\(m_1\)--试验后通过2.36mm筛孔的细料质量，g。

（三）混凝土试验1.混凝土拌合物坍落度的测定方法原理：通过测量混凝土拌合物在自重作用下的坍落高度，评估其流动性。实验仪器：坍落度筒、捣棒、小铲、钢尺等。实验步骤将坍落度筒内外洗净，放在经水润湿过的铁板上，踏紧踏脚板。把按要求取得的混凝土试样用小铲分三层均匀地装入筒内，每层装入高度在捣实后大致为筒高的三分之一。每层用捣棒插捣25次。插捣应沿螺旋方向由外向中心进行，各层插捣应在下层表面以下20～30mm处开始，且贯穿本层至下一层的表面。插捣底层时，捣棒应贯穿整个深度，插捣第二层和顶层时，捣棒应插透本层至下一层的表面。浇灌顶层时，混凝土应灌到高出筒口。插捣过程中，如混凝土沉落到低于筒口，则应随时添加。顶层插捣完后，刮去多余的混凝土，并用抹刀抹平。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地进行，并应在150s内完成。提起坍落度筒后，测量筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高度差，即为该混凝土拌合物的坍落度值。2.混凝土立方体抗压强度试验方法原理：将混凝土拌合物制成标准尺寸的立方体试件，在标准养护条件下养护至规定龄期，然后在压力试验机上施加压力直至破坏，测定其抗压强度。实验仪器：压力试验机、试模、捣棒、垫板等。实验步骤制作边长为150mm的立方体试件，每组试件为3个。试件成型后，用湿布覆盖表面，以防止水分蒸发，并在温度为20℃±5℃的环境中静置1～2d，然后编号拆模。将试件移至标准养护室养护，标准养护条件为温度20℃±2℃，相对湿度95%以上。养护至规定龄期（一般为28d）。取出试件，擦干表面水分，检查其外观尺寸。在试件上下表面与试验机承压板之间垫以钢垫板，使试件的承压面与试验机压板保持平行。开动压力试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，使接触均衡。以每秒0.3～0.5MPa的速度均匀加载，直至试件破坏。记录破坏荷载（\(F\)）。结果计算：混凝土立方体抗压强度按下式计算：\[f_{cu}=\frac{F}{A}\]式中：\(f_{cu}\)--混凝土立方体抗压强度，MPa；\(F\)--试件破坏荷载，N；\(A\)--试件承压面积，\(mm^2\)，\(A=150\times150=22500mm^2\)。

（四）砂浆试验1.砂浆稠度试验方法原理：通过测量砂浆沉入度，评估其流动性。实验仪器：砂浆稠度仪、捣棒、秒表等。实验步骤将砂浆拌合物一次装入砂浆筒内，使砂浆表面低于筒口约10mm。用捣棒自筒边向中心均匀地插捣25次，然后轻轻地将筒摇动或敲击5～6下，使砂浆表面平整，随后将筒置于稠度仪的底座上。将试锥降至砂浆表面，拧紧制动螺丝，使齿条测杆下端刚接触砂浆表面，松开制动螺丝，同时按下秒表，待10s时立即拧紧制动螺丝，从刻度盘上读出下沉深度（精确至1mm），即为砂浆的稠度值。2.砂浆立方体抗压强度试验方法原理：与混凝土立方体抗压强度试验原理相同，将砂浆拌合物制成标准尺寸的立方体试件，在标准养护条件下养护至规定龄期，测定其抗压强度。实验仪器：压力试验机、试模、捣棒、垫板等。实验步骤制作边长为70.7mm的立方体试件，每组试件为6个。试件成型后，用塑料薄膜覆盖表面，以防止水分蒸发，并在温度为20℃±5℃的环境中静置24h±2h，然后编号拆模。将试件移至标准养护室养护，标准养护条件为温度20℃±2℃，相对湿度90%以上。养护至规定龄期（一般为28d）。取出试件，擦干表面水分，检查其外观尺寸。在试件上下表面与试验机承压板之间垫以钢垫板，使试件的承压面与试验机压板保持平行。开动压力试验机，当上压板与试件接