土木工程材料基本性质的试验教学讨论

2022-09-12

“土木工程材料”课程是土木工程专业必修的专业基础课, 土木工程材料试验是该课程的重要组成部分, 其中材料基本性质试验涉及内容较多, 是该课程的基本试验之一, 密度、表观密度等知识点是该试验的核心内容, 准确解读不同的密度概念及其它们的区别与联系, 是指导学生完成试验的关键。

1 密度的相关概念

密度 (Density) 是指材料在绝对密实状态下, 单位体积的质量。按下式计算, 式中ρ为密度, g/cm3;m为材料的质量, g;V为材料在绝对密实状态下的体积, cm3。

表观密度 (Apparent density) 是指材料自然状态下, 单位体积的质量。按下式计算式中为表观密度, g/cm3或kg/m3;m为材料的质量, g或kg;为材料在自然状态下的体积, cm3或m3。

堆积密度 (Accumulate density) 是粉状或颗粒材料, 在堆积状态下, 单位体积的质量。按下式计算, 式中ρ0′为堆积密度, kg/m3;m为材料的质量, kg;为材料的堆积体积, m3。

密度、表观密度和堆积密度既有联系又有区别,

在土木工程材料中, 除钢材、玻璃等少数材料, 大多数材料内部均存在孔隙。材料的孔隙有闭口和开口之分, 材料的孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。材料的空隙率则是指散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空隙体积 (开口孔隙与间隙之和) 占堆积体积的百分率。材料的这些特征状态对其性质有重要影响。并直接影响不同密度的测定方法和仪器的选用。

2 密度的相关试验

实际试验当中, 各个实验室选用水泥、石料、矿粉等不同的材料进行试验, 涉及不同的国际标准与工程规范, 例如《G B/T208-1994水泥密度测定方法》、《GB/T14684-2001建筑用砂》、《GB/T 14685-2001建筑用卵石、碎石》、《JTG E41-2005公路工程岩石试验规程》、《JTG E42-2005公路工程集料试验规程》、《JTG E30-2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》、《GB 9966.3-2001天然饰面石材试验方法第3部分体积密度、真密度、真气孔率、吸水率试验方法》等。

工程实践当中, 由于材料状态及测定条件的不同, 为了使密度的测定具有特定的工程意义, 还衍生出了真实密度、表干密度、毛体积密度及对应的相对密度等概念, 各个规范当中定义的表述、符号也存在差异, 因此需透彻掌握密度测定的方法、内涵以及仪器的工作原理。

密度测定的关键与难点是材料体积的测定, 而质量测定较为简单。

密度公式所指的体积是绝对密实状态下的体积, 它不包括材料内部的体积。为测定有孔材料的绝对密实体积, 需把材料磨细, 干燥后用李氏瓶测定, 主要仪器还有恒温水槽、烘箱、干燥器、天平等。

测试原理是根据阿基米德定律, 材料的体积等于它所排开的液体体积, 从而算出处理单位体积的质量即为密度, 为使测定的材料 (例如水泥、石粉) 不产生水化反应, 液体介质通常采用无水煤油。并应对亲水性粉状材料做液体介质测定。材料细度直接影响测试结果, 材料磨得越细 (至少小于0.20mm) , 测得的数值越接近真实绝对体积。

需要注意的是, 试样的恒温条件应与测试条件相一致。李氏瓶呈现极强的热胀冷缩性能, 对温度的反应比较灵敏, 通常的做法是同时侧试密度瓶+试样+试液的质量和以及密度瓶+试液的质量和, 要求两次侧量时温度保持一致, 以减少测试环境温度的变化对测试值的影响。

在工程上, 亦将材料密度与4℃纯水密度之比称为相对密度。

表观密度亦称“视密度”, 公式所指体积包含材料的实体材料成分及闭口孔隙, 不包括能吸水的开口孔隙的体积。

表观密度的测定与含水量的关系较大, 材料在自然状态下的体积是指包含材料内部开口孔隙和闭口孔隙的体积。对于外形规则的材料, 可用量具直接测得体积。对于外形不规则的材料, 应采用排水法测体积, 轻质颗粒的体积需采用涂蜡法测定。

粗集料的表观密度, 应首先采用“网篮法”测定体积, 主要仪器有浸水天平、吊篮、溢流水槽、烘箱、标准筛等。

当粗集料颗粒较小时也可采用“容量瓶法”。主要仪器有浸水天平、容量瓶、烘箱、标准筛等。在实验室快速测定时, 可用广口瓶代替容量瓶, 但由于瓶外的水的影响及玻璃盖不易盖好等原因, 会降低试验精度。

细集料表观密度测定, 可采用李氏瓶测体积, 但一般采用“容量瓶法”, 主要仪器有容量瓶、天平、烘箱、烧杯等。这两种方法的取舍, 《JTG E42-2005公路工程集料试验规程》作了对比:“容量瓶法”通过称重计算, 不是由刻度线体积计算, 材料的体积是排开水的体积, 计算得到的是该温度下细集料对水的相对密度, 然后进行温度换算计算得到表观密度, 测定的途径不一样。实践表明, 对细集料, 采用李氏瓶测定时很难去除细集料附着的气泡, 所以很难测定准确。还要在试验前对比重瓶的体积予以校正, 容易造成误差。因此实践中一般都不采用此方法, 而采用“容量瓶法”测定。

堆积密度原称“松散容重”, 公式所指的体积包含材料的实体材料部、内部的所有孔隙体积和颗粒间的空隙体积。

粗集料堆积密度的测定, 可采用容量筒测定体积, 再配备天平或台秤等设备。

细集料堆积密度的测定, 亦采用容量筒测定体积, 但必须配有标准漏斗, 再配备烘箱、天平或台秤等设备。

堆积密度的测定操作简单、测试结果受人为因素影响较多, 误差较大, 因此应注意材料的取样缩分、试样的制备、容量筒规格的选用及操作人员的操作手法。