建筑材料的基本性质实验

建筑材料实验报告 土木系 结 22 李星宇 2012010131 1 建筑材料基本性质实验建筑材料基本性质实验 作实验日期 2013 年 11 月 5 日 结 22 李星宇 2012010131 同组姓名 郑文婕 一 一 实验目的实验目的 1 巩固基本概念 学习基本参数的测定方法 2 通过实验 学会正确操作仪器设备 3 了解影响混凝土抗压强度试验数值的因素及混凝土在受力时的变形性能 二 二 实验原理实验原理 1 材料的密度 体积密度 堆积密度 表观密度 a 材料的密度 材料在绝对密实的状态下单位体积的质量称为材料的密度 材料在绝对 密实状态下的体积是指不包括材料内部孔隙的固体物质本身的体积 亦称实体积 b 材料的体积密度 材料在自然状态下单位体积的质量称为材料的体积密度 材料在自 然状态下的体积是指材料的实体积郁材料内部所含全部孔隙之和 c 材料的堆积密度 散粒材料在自然状态下单位体积的质量成为堆积密度 散粒材料在 自然状态下的体积是指既含颗粒内部的孔隙有含颗粒之间孔隙在内的总体积 d 材料的表观密度 材料在自然状态下 长期在空气中存放的干燥状态 单位体积的干 质量 2 实验用砖介绍 a 烧结普通砖 烧结普通砖是以砂质粘土 主要化学成分是 SiO2 Al2O3和 Fe2O3 为主要 原料 在 900 1000 摄氏度左右进行烧结而成 由于其中的粘土被部分烧结 故具有较多的 孔隙 且多为开口孔隙 所以吸水率较大 是一种以二氧化硅和氧化铝为主 并与其他成 分结合而组成的陶瓷体 其中含有微晶态的莫来石 玻璃态物质和石英 由于其中的粘土 被部分烧结 故具有较多的孔隙 且多为开口孔隙 所以吸水率较大 根据国家标准 烧 结普通砖 GB5101 2003 的规定 成形为规格为 240mm 115mm 53mm 公称尺寸 的 直角六面体 b 烧结页岩砖 以页岩为主要原料 经成坯 焙烧而制成的砖 页岩的化学组成与粘土 相近 但因其颗粒细度不及粘土 故塑性较差 制砖时常需掺入一定量的粘土 以增加可 塑性 按成型工艺又可分为烧结普通页岩砖 烧结多孔页岩砖和烧结空心页岩砖等 前两 建筑材料实验报告 土木系 结 22 李星宇 2012010131 2 种在建筑中可以用以砌筑承重墙体 非承重的烧结空心页岩砖主要用于砌筑非承重墙体或 框架建筑的填充墙 c 蒸压灰砂砖 简称灰砂砖 以石灰和天然砂为主要原料 在 0 8MPa 175 摄氏度的条 件下蒸养 6 小时而成 由其中的 Ca OH 2与 SiO2反应生产水化硅酸钙凝胶而产生强度 灰 砂砖外观光洁整齐 均匀密实 但不宜用在高水流和高温 大于 200 摄氏度 的地区 以免 发生 Ca OH 2的滤析及 Ca OH 2和水化硅酸钙凝胶的脱水分解 磨细的二氧化硅和氢氧化 钙在高温高湿条件下反应生成具有凝胶性的水化硅酸钙凝胶 水化硅酸钙凝胶与氢氧化钙 晶体共同建委反映的砂粒粘结起来 从而使砖具有强度 3 材料的吸水率 材料在水中吸收水分的性质成为吸水性 材料的吸水性用吸水率表示 材料的吸水率 可分为 质量吸水率 Wm 材料在吸水饱和时 内部吸收水分的质量占干燥材料总质量的百分 率 体积吸水率 Wv 材料在吸水饱和时 内部吸收水分的体积占干燥材料自然体积的百 分率 质量吸水率与体积吸水率之间的关系 Wv Wm 材料中所吸收水分是通过开口空隙吸入的 所以材料吸水饱和时的体积吸水率就是材 料的开口空隙率 4 材料的强度 a 材料的强度的定义 材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度 b 材料的强度的分类 根据外力形式的不同 材料的强度有抗压强度 抗拉强度 抗弯 强度及抗剪强度等 c 材料的强度的计算公式 材料的这些强度是通过静力试验来测定的 称为静力强度 材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得 材料的抗压 抗拉和抗剪强度的计算公式为 f P A 式中 f 为材料的极限强度 抗压 抗 拉和抗剪 N mm2 P 为时间破坏时的最大荷载 N A 为试件受力面积 mm2 材料的抗弯强度计算公式 材料的抗弯强度与试件的几何外形及荷载施加方式有关 对于 矩形界面的条形试件 当其二支点间的中间作用一集中荷载时 其抗弯极限强度 ftm 3Pl 2bh2 当在试件支点的三分点处作用两个相等的集中荷载时 其抗弯极限强度 ftm Pl bh2 建筑材料实验报告 土木系 结 22 李星宇 2012010131 3 以上两式中 为材料的抗弯极限强度 N mm2 b h 分别为试件截面的宽度和高度 mm 三 实验内容三 实验内容 1 测定蒸压灰砂砖 烧结粘土砖和烧结页岩砖的体积密度和质量吸水率 2 混凝土抗压强度影响试验数值的因素 演示实验 3 混凝土抗折强度实验 演示实验 四 实验步骤四 实验步骤 1 测定蒸压灰砂砖 烧结普通砖和烧结页岩砖的体积密度和质量吸水率 a 测定蒸压灰砂砖 烧结普通砖和烧结页岩砖的体积密度 1 将每组 3 块试件放入 105 摄氏度的烘箱中烘至恒重 取出冷却至室温 本步骤已由实 验室老师做好 2 称重 m 单位 千克 3 用直尺量出各试件的尺寸 并计算其体积 V 对于六面体试件 量尺寸时 长 宽 高各方向需测量三处 取其平均值得 a b c 单位 厘米 则 V abc 单位 立方厘米 4 结果计算 体积密度 0 m V 单位 千克 立方米 体积密度以每组三块试件的 平均值表示 精确至 10 kg m3 b 测定蒸压石灰砖 烧结普通砖和烧结页岩砖的质量吸水率 1 取 4 1 中一个试件 起初始质量为 m0 将其放入盛水的容器 试件各面均应留有空隙 使水能够自由进入试件内 2 30 分钟后取出 抹去表面水分 称其质量 m1 3 结果计算 质量吸水率 Wm m1 m0 m0 100 精确至 0 01 2 混凝土抗压强度影响试验数值的因素 演示实验 采用四块试样进行实验 其尺寸分别为 100 100 100mm 100 100 100mm 垫胶片 150 150 150mm 100 100 300mm 混凝土的组成材料相同 养护龄期一样 试块尺寸不同 形状不同 受压面约束状况不同情况 下对实验数值的影响 建筑材料实验报告 土木系 结 22 李星宇 2012010131 4 3 混凝土抗折强度实验 演示实验 采用四种试样进行实验 1 C30 普通混凝土 2 C30 钢纤维混凝土 3 C30 轻骨料混凝土 4 C80 高强混凝土 混凝土试样尺寸均为 100 100 450mm 实验设备 德国 Toni 2071 型伺服控制抗折试验机 最大量程 200kN 可进行力控制加载 或位移控制加载 测试时试样跨距 300mm 三点加载 使用如下的公式计算混凝土的极限抗折强度 2 3 3 2 Pl f bh 五 实验数据五 实验数据 1 测定蒸压灰砂砖 烧结普通砖和烧结页岩砖的体积密度和质量吸水率 a 测定蒸压灰砂砖 烧结普通砖和烧结页岩砖的体积密度 实验记录数据如下表所示 砖的种编长 a宽 b高 c体积 V质量 m体积密度平均体 建筑材料实验报告 土木系 结 22 李星宇 2012010131 5 类号 厘米 厘米 厘米 立方厘米 千克 千克 立方米 积密度 kg m3 123 5011 225 101344 7172 2491 672 103 223 9511 394 981358 4972 3751 748 103 烧结普 通砖 324 0111 484 991375 4182 3461 706 103 1 71 103 123 6911 244 751264 8092 2801 803 103 223 8911 294 941332 4072 3921 795 103 烧结页 岩砖 323 9611 294 921330 9012 2831 715 103 1 77 103 124 0311 325 361458 0252 8331 943 103 224 0611 415 431490 6692 9131 954 103 蒸压石 灰砖 324 0911 505 351482 1372 8681 935 103 1 94 103 结论 经实验测量 蒸压灰砂砖的体积密度为 1 94 103kg m3 烧结普通砖的体积密度为 1 71 103 kg m3 烧结页岩砖的体积密度为 1 77 103 kg m3 b 测定蒸压石灰砖 烧结普通砖和烧结页岩砖的质量吸水率 烧结页岩砖 选取烧结页岩砖 3 号作测定吸水率实验 初始质量 mo 2 441kg 吸水后质量 m1 2 767kg 建筑材料实验报告 土木系 结 22 李星宇 2012010131 6 则质量吸水率 Wm m1 m0 m0 100 2 767 2 441 2 441 100 13 36 蒸压石灰砖 选取蒸压石灰砖 3 号作测定吸水率实验 初始质量 mo 2 869kg 吸水后质量 m1 3 005kg 则质量吸水率 Wm m1 m0 m0 100 3 005 2 869 2 869 100 4 74 烧结普通砖 选取烧结普通砖 1 号作测定吸水率实验 初始质量 mo 2 258kg 吸水后质量 m1 2 662kg 则质量吸水率 Wm m1 m0 m0 100 2 662 2 258 2 258 100 17 89 试样初始质量 kg 吸水后质量 kg 质量吸水率 Wm 烧结页岩砖2 4412 76713 36 蒸压石灰砖2 8693 0054 74 烧结普通砖2 2582 66217 89 结论 经实验测量 三种砖三十分钟的吸水率比分别为 烧结页岩砖 13 36 蒸压石灰砖 4 74 烧结普通砖 17 89 2 混凝土抗压强度影响试验数值的因素 演示实验 建筑材料实验报告 土木系 结 22 李星宇 2012010131 7 序号 试件尺寸 mm 抗压荷载 KN 抗压 强度 MPa 抗压强度平 均值 MPa 破坏形状 388 38 8 392 39 2 1100 100 100 360 36 0 38 0 呈双倒锥破坏 160 16 0 172 17 2 2100 100 100 受压面垫胶 皮 180 18 0 17 1 条状破坏 704 31 3 684 30 4 3150 150 150 672 29 9 30 5 呈双倒锥破坏 282 28 2 250 25 0 4100 100 300 272 27 2 26 8 中间 45 度破坏 具体实验现象见抗压强度的影响因素分析 结论 对于混凝土的抗压强度 试件尺寸 形状及受压面约束状况影响有如下特点 同样形状与受压面约束条件下 尺寸越小抗压强度越高 同样形状尺寸约束条件下 受压面有摩擦抗压强度高 同样受压面约束 同样大小水平截面条件下 高度越小 抗压强度越高 3 混凝土抗折强度实验 演示实验 混凝土抗折最大破坏荷载数据 单位 KN 123 平均强度 MPa R 2 3 2 PL R bh 建筑材料实验报告 土木系 结 22 李星宇 2012010131 8 C30 普通混凝土11 9613 3312 485 67 C30 钢纤维混凝土13 5514 1013 616 46 C30 轻骨料混凝土8 1610 668 364 08 C80 高强混凝土18 4218 2119 098 36 混凝土抗压强度数据 单位 MPa 123平均强度 C30 普通混凝土440KN460KN455KN45 17 C30 钢纤维混凝土492KN480KN480KN48 40 C30 轻骨料混凝土424KN 420KN416KN21 5 C60 高强混凝土770KN812KN804KN79 53 六 实验结果分析六 实验结果分析 1 混凝土抗压强度的影响因素 试件尺寸 形状及受压面约束状况 试件一 100 100 100mm 当压力逐渐增大的过程中 开始试件可以承受一定范围 内的荷载 荷载增大到某一数值后 其表面开始出现裂纹 伴随着断裂声混凝土表面表面 竖向开裂加大 当荷载继续加大的过程 其表面的混凝土很快脱落 导致试件破坏 当试 件受压面与试验机表面直接接触时 试验机表面对时间有摩擦作用 破坏后的残留体形状 是两个倒锥形 试件的受压面没有被破坏 破坏后的残留体呈这种形态的主要原因是环箍 效应 混凝土试样在受压时 在沿加荷方向发生纵向变形的同时 也按泊松比效应产生横 向变形 由于试验机的上下压板的弹性模量比混凝土大 5 15 倍 而泊松比则不大于混凝土 的两倍 所以 在荷载作用下 压板的横向应变小于混凝土的横向应变 从而在摩擦力的 作用下对试件的横向膨胀起约束作用 对混凝土试件的测试强度也有提高作用 愈接近试 样的端面 这种约束作用就愈大 在距离端面大约 3 a 2 a 为试件横向尺寸 的范围以外 这种约束作用才消失 这种约束作用 称为环箍效应 建筑材料实验报告 土木系 结 22 李星宇 2012010131 9 试件破坏后残存的棱锥体 不受压板约束时试件破坏的情况 试件二 100 100 100mm 垫胶皮 由于胶皮的存在 解除了试验机压板对试件的摩 擦作用 因而不存在环箍效应 在压力下 试件仍由横向拉应力破坏 出现一条条竖向裂 纹 称压面也受到破坏 同时 试件承受荷载的强度也比试件一降低了很多 试件三 150 150 150mm 破坏情况已试件一类似 倒锥形状更加明显 承受应力 有所下降 主要原因是 环箍效应愈接近端面作用越强 随距端面距离增加 作用逐渐减 弱 试件一尺寸较小 不能完全反映这种趋势 而大尺寸的试件三可以明显地观察到两个 倒锥体 另外 根据微裂纹理论 原省微裂纹尺寸大小控制混凝土的强度 大尺寸的试件 含有大尺寸的微裂纹的概率大 所以强度比小尺寸试件低 试件四 100 100 300mm 破坏是竖向的裂纹破坏 由拉应力引起 试件四的尺寸 大于试件一的尺寸 类似于试件三的分析 四的强度比一小 又由于试件四的高度较大 中间的区域环箍作用约束消失了 2 强度等级 集料类型 纤维含量对混凝土荷载位移曲线和断面的影响 1 C80 高强混凝土 C80 使用石灰石集料配成的高强度等级的混凝土荷载峰值最高 但是超过峰值后立即 下降 速度很快 说明如果结构荷载过大会马上被破坏 C80 高强混凝土主要通过充分调动水泥 活性细掺合料和混凝土外加剂的协同作用研 制成的 其强度保证率为 98 低水胶比恰当 水泥和复合胶凝材料总量低 查阅了有关 C80 的资料 我了解到混凝土的强度达到一定极限后就不可能再增大了 因为混凝土在水 化过程中不可避免地会在其内部形成一些细微的毛细孔 如果要使其强度进一步提高 就 必须采取措施把这些毛细孔填满 进一步增强混凝土的密实性 最常用的方法是极细的活 性颗粒掺入混凝土 使他们在水泥浆的细微孔隙中水化 减少和填充水泥浆体中的毛细孔 建筑材料实验报告 土木系 结 22 李星宇 2012010131 10 达到增密和增强的作用 但是这些极细颗粒需水很大 就需要加入高效减水剂 否则难以 施工 C80 高强混凝土中水泥浆体和过渡区的强度很高 对于一般的骨料 在配制普通混 凝土时不用考虑强度的影响 但是高强混凝土中如果骨料选择不够强 就会成为混凝土的 薄弱区 在实验中 混凝土断面情况上看是骨料石子受到了破坏 由于骨料断裂 有没有 纤维增强拉住混凝土 破坏迅速扩展 使整体断裂 所以在配制强度很高的混凝土时 要 考虑到骨料的选择 2 C30 钢纤维混凝土 由图中数据可看出 强度位于第二位 而且在超过峰值后 卸载曲线是平缓下降的 也就是会所结构不会马上塌陷 有一个比较平稳的破坏过程 钢纤维混凝土是在普通混凝 土中掺入适量的钢纤维而成的一种新型复合材料 它克服了混凝土抗拉强度低 极限延伸 率小 性脆等特点 具有良好的抗拉 抗弯 抗剪 阻裂 耐疲劳 高韧性等性能 已在 建筑 桥梁 水工等工程中得到应用 钢纤维在混凝土中乱向分布的短纤维作用是阻碍混 凝土内部为裂缝扩展和阻滞宏观裂缝的发生和扩展 在受荷 拉 弯 初期 水泥集料与 纤维共同承受外力 当混凝土开裂后 横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者 因此 钢 纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能 其荷载 位移曲线在超 过峰值以后也是由于钢纤维的拉力才得以缓慢下降的 在其断面上能够看到与断面垂直的 钢纤维 这些都是在混凝土开裂后阻碍裂缝扩展的纤维 3 C30 普通混凝土 过渡区是其薄弱区域 在混凝土凝固硬化之前 骨料颗粒受重力作用向下沉降 含有 大量水分的稀水泥浆则由于密度小的原因向上迁移 相对运动是骨料颗粒的皱襞形成一层 稀浆膜 混凝土硬化以后 这里就形成了过渡区 过渡区富集大晶粒的氢氧化钙和钙矾石 孔隙率大 大孔隙多 存在大量原生微生裂纹 过渡区体积可达硬化水泥浆体体积的 1 3 1 2 氢氧化钙表面积小 范德华力弱 粘结力差 孔隙率大 使承受荷载的面积减小 由于过渡区是混凝土在比其他两个主要想能够承受的应力低得多的时候就被破坏 所以 C30 普通混凝土的强度不太高 从断面上看破坏的也主要是过渡区 4 C30 轻骨料混凝土 其优越性体现在采用轻骨料可以减轻结构自重 在承载力相同的情况下可减轻重量 20 40 当轻骨料混凝土用于道路 桥梁时 将带来显著的技术经济效益 可使桥梁跨 度增大 减少桥墩数量 减少上部结构预应力钢筋的用量 降低基础处理费用 轻骨料的 密度小是由于其颗粒内部存在大量孔隙 人造轻骨料主要有以下几种 建筑材料实验报告 土木系 结 22 李星宇 2012010131 11 粉煤灰或粘