钢筋力学与工艺性能实验：建筑材料

【要求】　了解钢筋拉伸过程的受力特性，软钢与硬钢在拉伸过程中应力一应变的变化规律，掌握万能材料实验机的工作原理和操作方法、实验过程中试样长度确定、实验数据的正确读取以及实验报告的正确填写。了解如何通过弯曲实验对钢筋的力学性能进行评价；了解弯曲实验的不同方法；掌握不同方法实验时试样长度的确定方法、实验过程中的注意事项和实验结果的正确评定。

本节实验采用的标准及规范：

①GB/T 288—2002《金属材料室温拉伸试验方法》。

②GB/T 232—1999《金属材料弯曲试验方法》。

③GB 1499—1998《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》。

④GB 13013—1991《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》。

⑤GB/T 701—1997《低碳钢热轧圆盘条》。

一、钢筋的取样方法及取样数量、复检与判定

①钢筋应按批进行检查与验收，每批的总量不超过60 t，每批钢材应由同一个牌号、同一炉罐号、同一规格、同一交货状态、同一进场（厂）时间为一验收批。

②钢筋应有出厂质量证明书或实验报告单。验收时应抽样做拉伸实验和冷弯实验。钢筋在使用中若有脆断、焊接性能不良或力学性能显著不正常时，还应进行化学成分分析及其他专项实验。

③钢筋拉伸及冷弯实验的试件不允许进行车削加工，实验应在（20±10）℃的条件下进行，否则应在报告中注明。

④验收取样时，自每批钢筋中任取两根截取拉伸试样，任取两根截取冷弯试样，在拉伸实验的试件中；若有一根试件的屈服点、拉伸强度和伸长率三个指标中有一个达不到标准中的规定值，或冷弯实验中有一根试件不符合标准要求，则在同一批钢筋中再抽取双倍数量的试样进行该不合格项目的复检，复检结果中只要有一个指标不合格，则该实验项目判定不合格，整批钢筋不得交货。

拉伸和冷弯试件的长度L 和Lw，分别按下式计算后截取。

拉伸试件　　　　　　　L=L0+2h+2h1

冷弯试件　　　　　　　Lw=5a+150

式中　L、Lw——拉伸和冷弯试件的长度，mm。

　　　L0——拉伸试件的标距长度，mm，取L0=5a 或者L0=10a。

　　　h、h1——夹具长度和预留长度，mm，h1=（0.5～1）a。

　　　a——钢筋的公称直径，mm。

二、钢筋拉伸实验

（一）实验目的

测定低碳钢的屈服强度、抗拉强度与延伸率。注意观察拉力与变形之间的变化。确定应力与应变之间的关系曲线，评定钢筋的强度等级。

（二）主要仪器设备

万能材料实验机：在材料力学实验中，一般都要给试样（或模型）施加载荷，这种加载用的设备称为材料实验机。实验机根据所加载荷的性质可分为静荷实验机和动荷实验机；根据工作条件又可分为常温、高温和低温等实验机；按所加载荷形式分类则有拉力、压力和扭转等实验机。为了保证实验可靠，实验机要满足一定的技术条件。其标准由国家统一规定，安装时或使用一定期限后，都要进行校验（此项工作要由国家计量管理机关统一进行），不合格者应进行检修。实验机的种类很多，但一般都是由下列两个基本部分所组成。

1.加载部分

加载部分是对试样施加载荷的机构，例如图8-7 的左边部分。所谓加载，就是利用一定的动力和传动装置强迫试样以产生变形，使试样受到力的作用。

图8-7　实验机工作原理图

1—底座；2—固定立柱；3—固定横头；4—工作油缸；5—活塞；6—横头；7—活动立柱；8—活动台；9—上夹头；10—下夹头；11—弯曲支座；12—上下垫板；13—螺柱；14—试样；15—油泵；16—油箱；17—油泵操纵机构；18—电动机（1）；19—电动机（2）；20—油管（1）；21—油管（2）；22—拉杆；23—测力油缸；24—测力活塞；25—摆杆；26—推杆；27—水平齿杆；28—指针；29—测力度盘；30—平衡砣；31—支点；32—计算机；

图7.7 中，在机器底座l 上，装有两个固定立柱2，它承载着固定横头3 和工作油缸4。开动电动机（1）18，带动油泵15，将油液压入油箱16 经油管（1）20 送入工作油缸4，从而推动活塞5、横头6、活动立柱7 和活动台8 上升。若将试样14 两端装在上下夹头9、10 中（如图8-8 所示），因下夹头10 固定不动，当活动台上升时便使试样发生拉伸变形，承受拉力。若把试样放在活动台下垫板12 上，当活动台上升时，就使试样与上垫板12 接触而被压缩，承受压力。一般实验机在输油管路中都装置有进油阀门和回油阀门（在原理图8-7 中未示出）。进油阀门用来控制进入工作油缸中的油量，以便调节试样变形速度。回油阀门打开时，则可将工作油缸中的油液泄回油箱，活动台由于自重而下落，回到原始位置。

如果拉伸试样的长度不同，可由电动机（2）19（或人力）转动底座中的轴，使螺柱13 上下移动，调节下夹头的位置。注意当试样已夹紧或受力后，不能再开电动机（2）19。否则，就要造成用下夹头对试样加载，以致损伤机件。活动台的行程有一定的限度，对实验机有关拉伸和压缩行程限度的规定，使用者必须遵守。

2.测力部分

测力部分是指示试样所受载荷大小的机构，采用计算机32 连接液压机，可以精确地控制加载速度，自动形成荷载与变形曲线，自动计算出屈服强度、抗拉强度和伸长率等。

如果增加或减少摆锤的重量，当指针旋转同一角度时，所需的油压也就不同。换言之，即指针在同一位置所指示出的载荷的大小与摆锤重量有关。一般实验机可以更换三种锤重，测力度盘上也相应地有三种度盘。实验时，要根据试样所需载荷的大小，选择合宜的测力度盘，并在摆杆上放置相应重量的摆锤。有些实验机是采用调节摆杆长度的办法，而不是变更摆锤重量。

加载前，测力指针应指在度盘上的“零”点，否则应加以调整。调整时，先开动电动机（1）数分钟，检查运转是否正常，将活动台8 升起1 cm 左右，然后稍微移动摆杆上的平衡砣30，使摆杆25 保持铅直位置。再旋转度盘（或转动水平齿杆）使指针对准“零”点。所以先升起活动台调整零点的原因，是由于上横头、活动立柱和活动台等有相当大的重量，要有一定的油压才能将它们升起。但是这部分油压并未用来给试样加载，不应反映到试样载荷的读数中去。当调整零点时，活动台上升不宜过高。

操作过程中应注意检查实验机的试样夹头的形式和位置是否与试样配合、油路上各阀门是否关闭或者油泵操作机构在原始位置、保险开关是否有效以及自动绘图器是否正常等。有的实验机附有可调的回油缓冲器，也须相应地调节好。回油缓冲器的作用是在泄油时或试样断裂时，使摆锤缓慢回落，避免突然下落撞击机身。压缩试样必须放置垫板；拉伸试样则须调整下夹头位置，使拉伸区间与试样长度适应，但试样夹紧后，就不得再调整下夹头了。调整好自动绘图器的传动装置和笔、纸等。开车前和停车后，进油一定要置于关闭位置。加载、卸载和回油均应缓慢进行。机器运转时，操纵者不得离开。实验时，不得触动摆锤。使用时，听见异声或发生任何故障应立即停车。

图8-8　试验机夹头与试样

万能材料实验机，实验达到最大负荷时，最好使指针停留在度盘的第三象限内或者数显破坏荷载在量程的50%～75%；钢筋打点机或划线机、游标卡尺（精度为0.1 mm）；引伸计精确度级别应符合GB/T 12160—2002 的要求。测定上屈服强度应使用不低于1 级精确度的引伸计；测定抗拉强度、断后伸长率，应使用不低于2 级精确度的引伸计。为保证机器安全和实验准确，其吨位选择最好是使试样达到最大荷载时，指针位于第三象限内（即180°～270°）。实验机的测力示值误差不大于1%。

（三）试样制备

抗拉实验用钢筋试样不进行车削加工，可以用钢筋试样标距仪标距出两个或一系列等分小冲点或细画线标出原始标距（标记不应影响试样断裂），测量标距长度L0（精确至0.1 mm），如图8-9 所示。计算钢筋强度所用横截面积采用表8-2 所列公称横截面积。

图8-9　钢筋拉伸试样

a—试样原始直径；L0—标距长度；h—夹头长度；Lc—试样平行长度（不小于L0+a）

（四）实验方法与步骤

①实验一般在室温10～35℃范围内进行，对温度要求严格的实验，实验温度应为（23±5）℃；应使用楔形夹头、螺纹夹头、套环夹头等合适的夹具夹持试样。

表8-2　钢筋的公称横截面积

②做拉力实验时，按质量法求出横截面面积A（mm2）：

式中　m——试样的质量，g。

　　　ρ——试样的密度，g/mm3。

　　　L0——试样原始标距，mm，测量精度至0.1 mm。

经车削加工的标准试样，用游标卡尺沿标距长度的中间及两端各测直径一处，每处应在两个互相垂直的方面各测一次，以其算术平均值作为该处的直径，用所测3 处直径中的最小值作为计算横截面面积A 的直径。

③调整实验机测力度盘的指针，使其对准零点，并拨动副指针，使之与主指针重合。在实验机右侧的实验记录辊上夹好坐标纸及铅笔等记录设施；有计算机纪录的，则应连接好计算机并开启记录程序。

④将试样夹持在实验机夹头内。开动实验机进行拉伸，实验机活动夹头的分离速率应尽可能保持恒定，拉伸速度为屈服前应力增加速率按表8-3 规定，并保持实验机控制器固定于这一速率位置上，直至该性能测出为止，屈服后只需测定抗拉强度时，实验机活动夹头在荷载下的移动速度不宜大于0.5 Lc/min，lc 为试件两夹头之间的距离，见图8-9。(www.xing528.com)

表8-3　屈服前的加荷速率

⑤加载时要认真观测，在拉伸过程中测力度盘的主指针暂时停止转动时的恒定荷载，或主指针回转后的最小荷载，即为所求的屈服点荷载Fs（N）。将此时的主指针所指度盘数记录在实验报告中。继续拉伸，当主指针回转时，副指针所指的恒定荷载即为所求的最大荷载Fb（N），由测力度盘读出副指针所指度盘数记录在实验报告中。

⑥将已拉断试样的两段在断裂处对齐，尽量使其轴线位于一条直线上。如拉断处由于各种原因形成缝隙，则此缝隙应计入试样拉断后的标距部分长度内。待确保试样断裂部分适当接触后测量试样断后标距L1（mm），要求精确到0.1 mm。L1 的测定方法有以下两种。

a.直接法：如拉断处到邻近的标距点的距离大于L0 时，可用卡尺直接量出已被拉长的标距长度L1。

b.移位法：如拉断处到邻近的标距端点的距离小于或等于L0，可按下述移位法确定L1。在长段上，从拉断处O 取基本等于短段格数，得B 点，接着取等于长段所余格数（偶数，图8-10（a））之半，得C 点；或者取所余格数（奇数，图8-10（b））减1 与加1 之半，得C 与C1点。移位后的L1 分别为AO+OB+2BC 或者AO+OB+BC+BC1。

图8-10　用移位法计算标距

如果直接测量所求得的伸长率能达到技术条件的规定值，则可不采用移位法。如果试件在标距点上或标距外断裂，则测试结果无效，应重做实验。将测量出的被拉长的标距长度L1 记录在实验报告中。

（五）结果计算与数据处理

①屈服点强度：按式（8-2）计算试件的屈服强度σs：

式中　σs——屈服点强度，MPa。

　　　Fs——屈服点荷载，N。

　　　A——试样原最小横截面面积，mm2。

当σs＞1 000 MPa 时，应计算至10 MPa；σs 为200～1 000 MPa 时，计算至5 MPa；σs≤200 MPa 时，计算至1 MPa。小数点数字按“四舍六入五单双法”处理。

②抗拉强度：按式（8-3）计算试件的抗拉强度σb：

式中　σb——抗拉强度，MPa。

　　　Fb——试样拉断后最大荷载，N。

　　　A——试样原最小横截面面积，mm2。

　　σb 计算精度的要求同σs。

③也可以使用自动装置（例如微处理机等）或自动测试系统测定屈服强度和抗拉强度。

④伸长率按下式计算（精确至1%）：

式中　L10、L5——分别表示L0=10d 或L0=5d 时的伸长率。

　　　L0——原标距长度10d（5d），mm。

　　　L1——试样拉断后直接量出或按移位法确定的标距部分长度，mm。

在实验报告册表相应栏目中填入测量数据。填表时，要注明测量单位。此外，还要注意仪器本身的精度。在正常状况下，仪器所给出的最小读数，应当在允许误差范围之内。

三、钢筋冷弯实验

1.实验目的

测定钢筋在冷加工时承受规定弯曲程度的弯曲变形能力，显示其缺陷，评定钢筋质量是否合格。

2.主要仪器设备

压力机或万能材料实验机；附有两支辊，支辊间距离可以调节；还应附有不同直径的弯心，弯心直径按有关标准规定，本实验采用支辊弯曲。装置示意见图8-11。

图8-11　支辊式弯曲装置示意图

3.试样准备

钢筋冷弯试件长度通常为L=0.5（d+a）+140 mm（L 为试样长度，mm；d 为弯心直径，mm；a 为试样原始直径，mm），试件的直径不大于50 mm。试件可由试样两端截取，切割线与试样实际边距离不小于10 mm。试样中间范围之内不准有凿、冲等工具所造成的伤痕或压痕。试件可在常温下用锯、车的方法截取，试样不得进行车削加工。如必须采用有弯曲之试件时，应用均匀压力将其压平。

4.实验方法与步骤

①实验前测量试件尺寸是否合格；根据钢筋的级别，确定弯心直径，弯曲角度，调整两支辊之间的距离。两支辊间的距离为：

式中　d——弯心直径，mm。

　　　a——钢筋公称直径，mm。

距离l 在实验期间应保持不变（图8-11）。

②试样按照规定的弯心直径和弯曲角度进行弯曲，实验过程中应平稳地对试件施加压力。在作用力下的弯曲程度可以分为三种类型（图8-12），测试时应按有关标准中的规定分别选用。

a.达到某规定角度的弯曲，如图8-12（a）所示。

b.绕着弯心弯到两面平行时的程度，如图8-12（b）所示。

c.弯到两面接触时的重合弯曲，如图8-12（c）所示。

图8-12　钢材冷弯试验的几种弯曲程度

③重合弯曲时，应先将试样弯曲到图8-12（b）的形状（建议弯心直径d=a）。然后在两平行面间继续以平稳的压力弯曲到两面重合。两压板平行面的长度或直径，应不小于试样重叠后的长度。

④冷弯实验的实验温度必须符合有关标准规定。整个测试过程应在10 ～35 ℃或控制条件（23±5）℃下进行。

5.结果计算与数据处理

①弯曲后检查试样弯曲处的外面及侧面，如无裂缝、断裂或起层等现象即认为试样合格。做冷弯实验的两根试样中，如有一根试样不合格，即为冷弯实验不合格。应再取双倍数量的试样重做冷弯实验。在第二次冷弯实验中，如仍有一根试样不合格，则该批钢筋即为不合格品。将上述所测得的数据进行分析，判断试样属于哪级钢筋，是否达到要求标准。

②将实验结果记录在实验报告册表中。