无机非金属材料实验(伍洪标)

本书由武汉理工大学《无机非金属材料实验》讲义改编而成。编写本书是教育部世行贷款21世纪初高等教育教学改革项目无机非金属材料工程专业实验教学体系整体优化的研究与实践(编号：1282B0021)的重要内容之一。因此，本书充分反映近年来我校在无机非金属材料工程专业教学改革方面的进展和成果。
学校于1996年招收二级材料学科专业试点班，1998年确定了“立足二级，面向一级”的专业调整思路，按“无机非金属材料工程专业”进行招生。为了进行新专业的实验教学，材料学院将各研究所管理的粉体、热工、硅酸盐物理化学这三个基础教学实验室，水泥、玻璃、陶瓷、建筑材料这四个专业实验室进行优化组合，成立具有较大规模的、能适应新专业实验教学改革的“无机非金属材料实验中心”。实验中心成立后，马上组织有理论教学和实验教学经验的10多个教师对实验教材的发展历史和新世纪对教材要求的问题进行研究，经过一年努力后编写出实验讲义，于1999年付印供96级、97级和98级的学生试用。现在出版的这本书，是听取广大师生的意见，请有关专家教授进行审查后修改与补充的第二稿。因此，本书的出版是我们材料学院集体努力的成果。
为了使读者了解本书，在此将编写思路简介如下。
一、专业课程体系与实验体系
教育部1998年7月正式颁布实施的普通高校本科专业目录中，对各专业均作了较大的调整。新专业目录的指导思想是要进一步拓宽专业口径，以满足社会主义市场经济和改革开放对人才的需求。为此，应以学科群体构建实验教学，在课程设置时，要打破以往实验隶属于课程的传统做法，按教育部制定的培养目标要求来设置实验课。
“无机非金属材料实验”课是高等学校无机非金属材料工程专业的一门独立、重要的课程，它以数、理、化、材料科学研究基础等课程为基础，与“无机非金属材料工学”课程相衔接，构成该专业完整的课程体系。
按专业特点的要求，无机非金属材料实验应由粉体工程实验、热工工程实验、材料科学研究基础实验和无机非金属材料工程实验组成专业实验体系。我们在实验教学改革中，改革传统工科专业将“专业基础实验”、“专业实验”教学完全分开的做法，在实验教学大纲制订、实验教材编写中将专业基础实验和专业实验融合为一体，避免交叉重复，形成更为合理的专业实验教学体系，更便于教学研究和教学管理。
二、教材体系与主要内容
本书按现代无机非金属材料研究与生产的总体需要选择实验项目，以有关国家标准和行业标准为基础资料，以误差分析和数据处理等为实验基础知识进行编写，形成了无机非金属材料实验课的教材体系。
在编写本教材时，不是简单地分成粉体工程实验、热工工程实验、材料科学研究基础实验和无机非金属材料工程实验这4大块列出实验项目，而是根据专业的特点，把一些实验性质和实验内容相近的项目进行归类、调整，形成以原料(燃料)性质或质量的测试研究、材料形成规律的实验研究、材料功能(性质)的测定分析为主线的比较科学的实验系列。
本书第二章中确定54个主题实验。从实验类型看，有的属于验证型、有的属于测试型。每个主题实验编排有：实验目的与要求、实验原理、实验器材、实验步骤、数据记录和处理、思考题和参考文献7个部分。
在54个主题实验项目中，主题实验是单一性能测试的有26个，主题实验是对同一性能进行测试，但有两种以上测试方法的有9个，主题实验是对同一材料进行测试但要测两种以上性能的有13个，在一个主题实验中要测多种材料性能的有6个。如果以单项计算，实验项目总数约90个。
在本书54个实验项目之后还编写了“第三章综合设计实验”，其中设计有四个不同内容、不同风格的选做实验，目的是为了培养学生的创新能力。
通过实验基础知识的学习和实际操作训练，能使学生初步掌握国内外无机非金属材料科研与生产试验的主要方法和操作要点；了解各个实验项目的原理、计算公式和影响测试结果的主要因素，利用数理统计知识处理实验数据，表达实验结果，加深对无机非金属材料特点的认识；能够培养学生理论联系实际，分析问题和解决问题的能力，以及在实验研究中严谨的态度与求实的作风。
三、实验教学的几点建议
1实验总学时
本教材的建议教学总时数为160～170学时。我们在使用本书时的学时安排如下表所示。实验教师可根据传统型实验、综合实验、设计型实验等教学需要进行调整。
热工工程实验、粉体工程实验和材料科学研究基础实验一般在上该理论课期间进行。实验学时一般包含在理论教学时数内，由上该理论课的教师进行调定。实验数量及实验项目由上该理论课的教师从本书中挑选。因此，安排这三部分实验比较容易。
建议学时安排表
实 验 名 称学时实 验 名 称学时热工工程实验20～26材料科学研究基础实验16～20粉体工程实验6～12无机非金属材料工程实验120
按传统教学计划，要安排120学时的无机非金属材料实验是比较困难的。我们在“无机非金属材料工学”理论课程讲了一半或讲完之后用连续四周的时间完成无机非金属材料实验。对比结果表明，这两种安排各有优缺点，以理论课结束后再做实验效果好些。
2实验教学方法
本书编写的实验项目中，除热工工程实验、粉体工程实验和材料科学研究基础实验已选做的实验之外，大约还有60多个单项实验。如果每个实验按3学时计算，在一个月内(双休日不安排实验)要做完这些实验是有困难的。因此，研究适用的实验组织方法是十分重要的。下面列举几种方案供读者参考。
按照传统的实验教学方法，教师根据实验室的条件和给予的教学时间，从教材中挑选一些验证型、测试型的实验让学生做，可以达到使学生受到基本训练的目的。
如果教师以一种无机非金属材料产品为对象，围绕这种产品的科研、生产和质量检验指定实验项目让学生做，就会收到综合实验的效果。
如果教师仅指定一种无机非金属材料为对象(或者干脆不加指定，让学生自选一种感兴趣的材料)，让学生自己设计材料的性质与成分，自己动手制造材料，自己确定要测试的性能和性能测试方法，则这种实验就可算是设计型的了。
实验指导教师也可以先选定一些基本实验让学生做，再让学生在“综合设计实验”这一章中自选一道题做。
在无机非金属材料的科研和生产实际中，需要做的实验少说也有数百个。本书虽然从中进行精选，但实验数量还是有点多。我们认为，专业合并后，无机非金属材料工学要讲的内容很多，因为学时的限制，涉及实验的内容很少。因此，实验项目编写多一些，即使不能全做，通过看书自学也可以扩大学生的知识面和视野。为了让学生自学，我们在编写中加强了实验原理的阐述，注意与基础理论课程和工学理论课程的联系；着重说明在每个实验中如何将实验目的通过一定的实验方法建立起来；使学生预习和做实验时既知其然，又知其所以然，对这些基本的测量有比较系统的了解和掌握，提高实践动手能力，为创新提供基础，为今后开展科学实验工作打下基础。此外，每一实验结尾的思考题和参考文献，也为学生深入研究该实验的内容、特点等提供了方便。所以，采用适当的实验组织方法，虽然没有做完本书中所列的实验，也会获得比较满意的实验教学效果。
四、结束语
在高等教育的教学改革中，实验教学的改革难度是很大的，涉及到教学思想、教学体系、教学内容、教学方法、教学场地、教学设备等诸多问题。从近几年国内几个重要的材料专业教学改革会议的讨论情况来看，编一本从学科的角度和专业的角度来看都符合要求的实验教材是必需的。但是，由于各高等院校的办学特点有所不同，实验教学条件有较大的差别，要编一本通用的实验教材是很困难的。因此，按照无机非金属材料专业的特点和实验教学的基本要求，结合我校的实验室条件尽量编写好这本书是我们的主导思想和力争达到的目标。
本书由伍洪标主编，参编人员及编写分工如下：前言、绪论、实验误差及数据处理、综合设计实验、实验报告的编写方法，实验18、20、35、36、47、48、49、50由伍洪标编写；实验1、5由叶菁编写；实验2、3、4由吉晓莉编写；实验6、7、13、27、30、42由万惠文编写；实验8、9、10、11、12、46由何仁德编写；实验14、15、16、17、19由黄学辉编写；实验21、38、39、40、41由武七德编写；实验22、23、24、25、26、28由陈玲莉编写；实验29、43、44、45由韩建军编写；实验31、32、33、34、37由裴新美编写；实验51、52、53、54由陈文、苗君编写。
这次修订出版，陈玲莉对实验4、13、21、30、42等的内容进行补充或修改，何仁德对实验44等的内容进行补充或修改。全书由伍洪标进行统稿。
本书适用于大专院校本科生、大专生，对从事无机非金属材料科研工作及生产的工程技术人员也有一定的参考价值。希望本书能成为读者喜爱的教科书。当然，一本实验教材是否受读者的欢迎，关键不在于书名，而在于是否具有改革的气息，其中的内容是否具有科学性、知识性、可读性和可操作性。虽然我们在编写过程中，力求结合学生实际，争取符合实验教学要求，兼顾科研与生产的需要，但由于编者的水平有限，缺点错误难以避免，离预定的目标还有一定的距离。为了提高本书的质量，我们诚恳本书读者批评指正，以便作进一步的修改。
在编写过程中，我们参考了许多兄弟院校的实验教材和有关著作，在此表示衷心地感谢。

编者
2001年11月于武汉

本教材是国家教育部２１世纪初高等教育教学改革项目（１２８２Ｂ１００２１）、进行贷款２１世纪初高等理工科教育教学改革资助项目（无机非金属材料工程专业实践教学体系整体化的研究与实践）。本书在绪论中介绍了学习方法“实验误差及数据处理”等内容，正文包括５４个实验，在每个实验中都选取了最典型的物质的测定及测试方法。取材于实际教学中，并介绍有综合设计实验，实验报告编写方法。内容特点（１）体系完整、覆盖面宽；（２）培养工程观念和应用能力。适用对象本科、专科、从事科研及生产的工程技术人员。

绪论1
一、无机非金属材料实验的特点和任务1
二、实验课的目的和任务3
三、学习方法5
第一章实验误差及数据处理8
一、测量方法分类8
二、测量误差及其分类8
三、误差表示方法10
四、随机误差及其分布10
五、系统误差的发现与消除12
六、过失误差的发现与消除12
七、有效数字的修约与运算规则13
八、实验数据的处理15
九、实验结果的表示方法20
第二章实验部分24
实验 1Bond球磨功指数的测定24
实验 2粉体粒度分布的测定32
Ⅰ筛析法32
Ⅱ沉降天平法35
实验 3粉体真密度的测定41
实验 4粉体比表面积的测定44
Ⅰ勃氏法44
ⅡBET吸附法48
实验 5粉体综合流动特性的测定56
实验 6集料性质测试63
Ⅰ砂的质量测试63
Ⅱ石的质量测试69
实验 7气硬性胶凝材料性能的测定77
Ⅰ石灰性能的测试77
Ⅱ石膏性能的测试79
Ⅲ菱苦土性能的测试81
实验 8煤的工业分析83
实验 9煤的发热量测定87
实验 10强制对流平均换热系数的测定92
实验 11流体阻力系数的测定96
实验 12墙角电热模拟实验100
实验 13水硬性胶凝材料标准稠度用水量、凝结时间、安定性的测定103
Ⅰ水泥标准稠度用水量的测定103
Ⅱ水泥净浆凝结时间的测定105
Ⅲ水泥安定性的测定107
实验 14粘土水系统ζ电位测定111
实验 15固相反应115
实验 16淬冷法研究相平衡118
实验 17差热分析121
实验 18玻璃析晶性能的测定125
实验 19材料的显微结构观察129
实验 20高温熔体粘度的测定132
实验 21材料的高温制备136
Ⅰ玻璃的高温熔制136
Ⅱ陶瓷的高温烧成141
Ⅲ水泥熟料的高温烧成144
实验 22水泥熟料中游离氧化钙含量的测定147
实验 23水泥中三氧化硫含量的测定151
Ⅰ硫酸钡质量法151
Ⅱ二次静态离子交换法152
实验 24水泥水化热的测定157
Ⅰ用直接法测定水泥水化热157
Ⅱ用间接法测定水泥水化热162
实验 25水泥胀缩性试验169
Ⅰ水泥胶砂流动度的测定169
Ⅱ水泥干缩性试验171
Ⅲ水泥膨胀性试验175
实验 26水泥压蒸安定性试验178
实验 27普通混凝土拌合物性能的测定182
Ⅰ坍落度测定182
Ⅱ维勃稠度测定184
Ⅲ容重测定185
实验 28 材料抗渗性的测定187
Ⅰ砂浆试件法187
Ⅱ混凝土试件法188
实验 29材料化学稳定性的测定192
Ⅰ陶瓷化学稳定性的测定192
Ⅱ玻璃化学稳定性的测定195
实验 30混凝土耐久性能的测试202
Ⅰ混凝土抗冻性能测试(慢冻法)202
Ⅱ混凝土收缩性能测试204
Ⅲ混凝土碳化性能测试205
Ⅳ钢筋锈蚀快速试验法207
实验 31粘土或坯料可塑性的测定212
Ⅰ可塑性指标的测定212
Ⅱ可塑性指数的测定214
实验 32泥浆性能的测定218
Ⅰ泥浆相对粘度及厚化度的测定218
Ⅱ泥浆绝对粘度及厚化度的测定222
实验 33粘土或坯体干燥性能的测定226
Ⅰ线收缩率与体积收缩率的测定226
Ⅱ干燥过程曲线的测定230
Ⅲ干燥强度的测定233
实验 34造型材料烧结温度范围的测定236
实验 35玻璃软化点温度的测定239
实验 36玻璃内应力及退火温度的测定244
Ⅰ玻璃内应力的测定244
Ⅱ玻璃退火温度的测定247
实验 37陶瓷坯釉应力的测定250
实验 38材料孔径分布的测定254
实验 39材料体积密度、吸水率及气孔率的测定258
实验 40材料显微硬度的测定262
实验 41材料弹性模量的测定267
实验 42材料机械强度的测定270
Ⅰ水泥机械强度的测定270
Ⅱ混凝土机械强度的测定275
Ⅲ玻璃机械强度的测定278
Ⅳ陶瓷机械强度的测定282
实验 43材料线膨胀系数的测定286
实验 44材料热导率的测定290
Ⅰ稳态球壁导热测定法290
Ⅱ准稳态平壁导热测定法293
Ⅲ非稳态平壁导热测定法296
实验 45材料热稳定性的测定300
Ⅰ玻璃热稳定性的测试300
Ⅱ陶瓷的热稳定性测试302
实验 46材料表面热发射率的测定306
实验 47材料透光性能的测定309
Ⅰ玻璃总透射比的测定309
Ⅱ材料半球透光率与半球雾度的测定313
实验 48材料折射率的测定317
Ⅰ阿贝折射仪法317
Ⅱ浸液法321
实验 49材料色度的测定325
实验 50材料光泽度的测定335
实验 51材料导电性能的测定339
Ⅰ绝缘电阻的测定339
Ⅱ阻温曲线的测绘344
实验 52材料介电性能的测定347
实验 53材料压电系数的测定353
实验 54材料磁性的测定359
Ⅰ磁化曲线和磁滞回线359
Ⅱ材料磁化率的测定363
第三章综合设计实验368
Ⅰ胶凝材料的综合设计实验371
Ⅱ玻璃材料的综合设计实验375
Ⅲ陶瓷材料的综合设计实验376
Ⅳ普通混凝土配合比的设计实验377
第四章实验报告的编写方法379
一、实验报告的基本格式379
二、检测报告的内容与格式381
三、设计型实验报告的基本要求382
附录383
附录1法定计量单位制的单位383
附录2基本物理量384
附录3各种筛子的规格384
附录4铂铑铂热电偶电动势分度表386
附录5铂铑30铂铑6热电偶电动势分度表390
附录6镍铬镍硅(镍铬镍铝)热电偶电动势分度表394
附录7镍铬考铜热电偶电动势分度表397
附录8铜康铜热电偶电动势分度表399