材料的基本性质实验

1、材料的基本性质实验 实验目的 1 掌握材料密度、体积密度和表观密度的定义和测定方法 2、掌握材料吸水率的定义和测定方法 3、掌握材料强度的分类和影响因素 4、了解混凝土试件荷载挠度曲线的测定方法及用途 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。 a测定蒸压灰砂砖、烧结粘土砖和烧结页岩砖的体积密度： 使用设备：案秤（量程6kg，精度50g）；直尺（精度1mm）汗燥箱。 实验步骤：首先，将试件放入105 C的干燥箱并干燥至恒重状态，然后冷却至 室温并测定质量m ;用直尺测量试件的尺寸并计算其体积。对六面体的试件，需在长、宽、高各个方向 测定三处，取其平均值并计算体

2、积V。材料的体积密度切/# ; 单位kg/m3。（精确至10 kg/m3） b测定蒸压灰砂砖、烧结粘土砖和烧结页岩砖的质量吸水率： 使用设备：天平；干燥箱。 实验步骤：将试件放入干燥箱在105C的条件下干燥至恒重状态，然后冷却至 室温并测定初始质量m0；将试件放入容器并逐次加水，以使得试样中的幵放空隙均 被水所填充；30分钟后，取出试件，抹去表面水分以使其处于饱和面干状态，称量其质量ml，然后用 排水法测出试样的体积V0 ;使用如下公式计算材料的质量吸水 率和体积吸水率（精确至0.01%）: 叫 叫叫 % -叫 叫一矿 2、观察承压面状态（环箍效应）对混凝土试件抗压强度和破坏状态的影响： 测定

3、在不同的加荷速率、试件尺寸和承载面状态下对混凝土试件极限抗压强度得影响。 用加载机在0.5MPa/s以及1 .OMPa/s两种加载速率，在直接接触和垫胶片两种不同的承 压面接触方式上对100*100*100、150*150*150、100*100*300三种C30混凝土试件进 行加载，观察试件的极限强度以及破坏方式，并分析这些变量对实验结果影响的原因，总结加载混凝土试件 的规律经验。 3、 用Toni 200kN抗折试验机演示混凝土试件荷载挠度曲线的测定方法 用Toni 200kN抗折试验机演示C30素混凝土、C30轻骨料混凝土、CF30掺入钢纤维的 混凝土、C80高强度混凝土进行弯折加载，用

4、计算机绘制不同品质混凝土试件的挠度荷载 曲线，并用日本JSCESF4标准分析混凝土的弯曲韧性和弯曲韧性指数，依据混凝土试件挠度荷载曲线峰值后 的面积占曲线总面积的百分比来分析混凝土试样的韧性，并观测强度等级和纤维掺量对混凝土断面形态的影响。 三、实验结果及分析 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。 a、测定蒸压灰砂砖、烧结粘土砖和烧结页岩砖的体积密度。 实验数据处理: 砖的类型 粘土砖 页岩砖 灰砂砖 干燥质量(g) 2380 2423 2850 长/mm 239.5 241.1 241.1 239.0 238.2 240.9 238.9 239.9 240.9

5、长平均值/mm 230.1 239.7 241.0 宽/mm 115.0 115.5 114.9 115.5 114.8 114.7 115.2 114.3 115.1 宽平均值/mm 115.2 114.9 114.9 高/mm 51.0 51.2 54.1 50.9 50.9 53.9 50.1 52.2 54.2 咼平均值/mm 50.7 51.4 54.1 体积/mm彳 1.344*10 6 1.417*10 6 1.498*10 6 体积密度： 23B0Ckg) 1.344 X ID* m3) 粘土砖: 二 1.77 x 页岩砖： mo 2423 (kg)3 p =； =171 x

6、It) kg/in vo 1.417 x 10-W) 灰砂砖： 小0 z.aso (Kg) p - 、o 1.198 X1/J X llPkg/m ” 实验中测量的三种砖块的体积密度大致为1.7*103kg.m3至1.9T03kg.m3 W二 m m 262423H0 23S0 二 10.25% 2、测定蒸压灰砂砖、烧结粘土砖和烧结页岩砖的质量吸水率 实验数据处理: 砖的类型 干燥砖的质量m。(g) 吸水30分钟后质量rw (g) 粘土砖 2380 2624 页岩砖 2423 2792 灰砂砖 2850 2998 质量吸水率: 粘土砖: 页岩砖: 2 了彩2蛀3 2423 二 15.23% m

7、t-mo 2998-2850 叫二-2B5O = 539% Wm = 灰砂砖： Wm = 吸水率差异分析： 粘土砖：以砂质粘土（主要化学成分是SiO2 , AI2O3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。 页岩砖：以页岩为主要原料，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。 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

8、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。 结合上一实验的数据可以发现：材料的体积密度越大，那么它的吸水率就越小， 因为体积密度和孔洞的多少有一定尖系，蒸压灰砂砖的体积密度大，材料内部结构 密实，孔洞较少，因此吸水率较小；烧结粘土砖和烧结页岩砖体积密度较小，空洞 多，因此吸水率也较小。 3、观察承压面状态（环箍效应）对混凝土试件抗压强度和破坏状态的影响 用加载机在不同条件下对混凝土试件进行加载，结果如下: 考察因素 加荷速率 (kN/s / * A/ X 试件尺寸

9、 （mm） 承压面状态 极限载荷 kN/Mpa 现象 加荷速率 & 承压面状态 5/0.5 10/1.0 5/0.5 100*100*100 直接接触 直接接触 垫胶片 396.5/39.6 419.0/41.9 121.0/12.1 成双倒锥破坏成双倒锥破坏，极限载 荷大（与裂纹扩展的速度有矢）呈 条状破坏（与环箍效应有尖） 试件尺寸 11.25/0.5 5/0.5 150*150*150 100*100*300 直接接触 直接接触 806.0/35.8 346.4/34.6 呈双倒锥破坏，极限载荷降低 （与临界裂纹存在的几率有矢） 呈双倒锥破坏，极限载荷降低 （与环箍效应有矢） 结果分析:

10、 一、加荷速率会影响测得的混凝土极限载荷，加荷速率越大，测得的极 限载荷越大，混凝土破坏时，裂缝最幵始出现在粗骨料和浆体的粘合面上，然后沿着粘合面扩展，裂 缝逐渐融合为大的裂缝，最终导致混凝土试件的断裂，而加载速度越慢，裂缝扩展的越充分，导致测 试得到的强度越低。所以对混凝土试件的加荷速率要有统一的规定，一般强度小于C30的混凝土加荷 速率为0.30.5Mpa/s，强度大于C30的混凝土加荷速率为0.5-0.8 Mpa/s，强度 大于C60的混凝 土加荷速率为0.81.0 Mpa/s ； 二、试件尺寸会影响测得的混凝土尺寸，尺寸大的混凝土试件中临界裂 纹存在的几率越大，尺寸越大的混凝土测得的强

11、度越低； 三、在不同条件下，混凝土的破坏性状也不同。直接与加载台接触的试件破坏之后 呈现双倒锥破坏的形状，而受压面垫胶皮的-组呈现竖直方向的断裂纹路。承压面状态会影 响测试的结果，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515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

12、。如果在加载平台和试件之间加上一层 橡胶，由于橡胶的弹性模量很小，所以对测试结果的影响不大； 四、试件的高度对实验结果也有一定的影响，比较100T 00*100和 100*100*300两种试件，发现后者的极限强度小，原因是环箍效应对离加载平 台近的部分作用更明显，而高度较大的试件中部所受环箍效应不明显，所能承受的载荷极限 就较小。对于北美等使用ASTM标准的国家，用于测定混凝 土抗压强度的混凝土试件为圆柱体，且圆柱体的H/D=2。对于圆柱体试件， 在抗压强度的测试过程中，在试件高度方向的中部存在单轴向的受压区。所以使用圆柱体试 件所测得的混凝土抗压强度较立方体的试件要小。通常假定立方体试件的

13、抗压强度与圆柱体 试件的抗压强度之比为1.25，但这不是严格 的一个常数，它随混凝土强度的变化而变化。 结构物体总是存在裂纹，这促使人们去探讨裂纹尖端的应力和应变场以及裂纹的扩展规律。 早在20年代，格里菲思首先提岀了玻璃的实际强度取决于裂纹的扩展应力这一重要观点。 欧文于1957年提岀应力强度因子及其临界值概念，用以判别裂 纹的扩展，从此谑生了断裂力学。 当裂缝尖端变成无限地尖锐，即P0时，材料的强度就小到可以忽略的程度。一个具有尖 锐裂缝的材料，是否具有有限的强度，必须进一步弄清楚发生断裂的必要条件和充分条件。 格里菲思从能量平衡的观点研究了断裂过程，认为：断裂要产生新的表面，需要 一定的

14、表面能，断裂产生新的表面所需要的表面能是由材料内部弹性储能的减少来补偿的； 弹性储能在材料中的分布是不均匀的。裂缝附近集中了大量弹性储能，有裂缝的地方比其 他地方有更多的弹性储能来供给产生新表面所需要的表面能，致 使材料在裂缝处先行断裂。 4、用Toni 200kN抗折试验机演示混凝土试件荷载挠度曲线的测定方法，观察强度等 级和纤维掺量对混凝土挠度荷载曲线和断面形态的影响。 用Toni 200kN抗折试验机在混凝土试件的两个三等分点出对混凝土试件进行加载，中间1/3部 分受纯弯曲作用，因此可以通过传感器测量试验机对混凝土的载荷和试件变形量之间的尖系，进而做 出载荷挠度曲线，并依据混凝土试件挠度

15、荷载曲线和日 本JSCESF4标准分析混凝土的弯曲韧性和弯曲韧性指数。 一、加载过程的控制： 位移控制速率：1 （1一）mm , 15003000 ，min 对于高度为100mm的试件，位移控制速率应为 0.2mm/min。 测试所需试件跨距中点的挠度值：tb150 二、混凝土试件弯曲强度、弯曲韧性、弯曲韧性指数的计算方法： 弯曲强度：PI其中：P为试件的极限弯曲荷载(kN)，b和h分别 bbh2 为试件的宽度和高度(mm)。 弯曲韧性：韧性的定义是试件在变形或折断的过程中吸收的能量，所以在本实验中可以用载 荷挠度曲线下的面积来表示试件的韧性。 18000- 14000 -. 12000 -

16、10000 - 8000 - 6000 - 4000 - 2000 - 挠度(mr) 几1 二 6b X bh2 其中，%为试样的弯曲韧性指数(Mpa) , Tb为弯曲韧性(N*mm ) , 3 tb为试样跨 中的挠度，其值为试样跨距 2mm。 三、不同品质混凝土试件的挠度 荷载曲线 /150毫米，对高度为100mm的试件，其值为 C80 Normal Agg. 15000 A Load(N 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0.00.51.01.52.02.5 Deflectio n(mm) 不同品质混凝土试件的挠度荷载曲线 从图中可以看出，C30轻质混凝

17、土在达到极限强度之后迅速断裂，不在吸收能 量；C30普通混凝土在达到极限强度之后并没有马上断裂，虽然载荷随位移的增加 降幅很大，但是还是要继续吸收一部分能量；C30掺入钢纤维混凝土在达到极限强 度之后曲线缓慢下降，达到极限之后的曲线所围的面积远大于达到极限之前的面积。C30轻质混凝土、C30普 通混凝土、C30掺入钢纤维混凝土的极限强度没有太大的差别，说明加入钢纤维后并不能增加混凝土的强度， 只是增大了混凝土完全断 开之前所吸收的能量；C80混凝土的强度明显高于C30轻质混凝土、C30普通混凝土、C30掺入钢纤维混凝 土，而且在达到极限强度之后马上发生了断裂，没有吸收 多少能量。 四、混凝土的

18、弯曲韧性与弯曲韧性指数 混 (inin (man) (IniTk) 咼度 (mm) (N) 0旳 CS0L 1740 300 100 100 11610 0.26 C30N i: sao 100 100 13015 0,49 5F H761 300 100 100 L7d 416 CS0N 4064 390 1 100 ioo 24558 O.til 73 C30 Normal Agg. 不同品质的混凝土的载荷挠度曲线, 曲线所围面积表示试件的韧性 不同品质的混凝土的测试结果 从表中可以看出，加入钢纤维的C80混凝土弯曲韧性和弯曲韧性指数明显高于 其他混凝土试件，说明加入钢纤维对混凝土韧性的提

19、高效果十分明显，可以在混凝 土出现明显裂缝之后仍然保持较高的强度，防止混凝土出现突然断裂。 但是对 比C30N和C80N可见，JSCE标准不能很好地表达不同品质混凝土的韧性。 五、依据混凝土试件挠度荷载曲线峰值后的面积占曲线总面积的百分比来分析混凝土试样的韧性 25000 - 20000 15000. 10000. 5000 荷载窃度（fi线峰值后的面积占曲线总面枳的百分比ft） 4.0 3.43 46.1 C5QF 86.9 4J C80N 0 737 对比分析列表中的数据，可以发现C30L混凝土的强度最低，过强度极限后吸收 C80 Normal Agg. F =24558N max AAf

20、ter Peak?，ATotal=0% 0 0.000.050.100.150.200.250.30 Deflectio 0.35 16000 14000, 12000- 10000r 8000 6000 4000 200Q 0. . oo 0J 020 M 0：50*60.7 C30 Normal A驭. F T3015N max / A/vidr 佩Tolal,尹%) 14000 12000 10000 . 8000. 6000- 4000. 2000- 0 0.00.51.0 C30 Normal Agg with Fiber 1.52.0 2.5 Deflectio Deflect!

21、on(mm) 能量很少，所以C30L混凝土由于使用了强度较低的轻骨料，致使混凝土的强度和 韧性等性能下降；C30N混凝土峰值之后面积占总面积的百分比约为50%性能一般， 如果在混凝土制备过程中掺入了钢纤维，制成C20F混凝土，峰值之后面积占总面 积的百分比可以提高越一倍，说明掺入钢纤维之后混凝土的韧性明显提高，能在断 裂之前吸收更多的能量，也更安全；C 80N混凝土的弯曲强度最大，但是达到峰值 之后马上强度变为零，说明强度高的混凝土脆性大，达到强度极限后很危险。 六、观测强度等级和纤维掺量对混凝土断面形态的影响 混凝土种类 断面平整程度 裂纹扩展道路 C30L 平整 穿过轻骨料 C30N 不平

22、整 沿过渡区 C30F 不平整 沿过渡区，钢纤维被抽出 C80N 平整 穿过骨料 分析影响断面形态的原因： 骨料：比较C30N混凝土和C30L混凝土发现骨料的强度可以影响断面的形态轻骨料强度 小于重骨料，故在轻质混凝土中骨料的强度小于浆体，也小于过渡区，断裂穿过骨料，而在重骨 料普通混凝土中最薄弱的是过渡区，裂缝沿着过渡区发展。 浆体：比较C30N混凝土和C80N混凝土可以发现，高强混凝土的断裂是穿过骨料的，说明 浆体和过渡区的强度已经超过骨料。 钢纤维：不能影响裂缝从哪里发展，在试件断开的过程中钢纤维被从混凝土中拔出。 综合分析，增强混凝土的强度要增强骨料、浆体、过渡区中最薄弱的环节，裂缝总

23、是沿着混凝 土中最薄弱的地方发展。加入钢纤维之后，在钢纤维拔出的过程中吸收能量，可以避免构建的突 然断裂。 七、补充知识： 1 混凝土标号 如C20、C30 C80等。C代表混凝土，后面的数值是指抗压强度，以“MPa为 单位。例如混凝土强度等级为C20,即混凝土立方体28d抗压强度标准值为20MPa 2 表示为 20N/mm2 （ MPa）。 2、高强混凝土中的细骨料选择高强度混凝土所用的细骨料以中砂偏粗为好，并且要有良好 的级配。从混凝土 强度上讲，砂率至尖重要。当混凝土中砂率过小时，砂浆层较薄，局部的粗骨料（石子）之 间的间隙很小，此处砂浆粘结强度远低于石子强度，在某些石子的界面处往往由于

24、剪应力的作用 首先开裂，在混凝土抗压试验中，就能看到此种现象。所以，混凝土拌合物中要有足够的砂浆量， 使石子间有一定的距离，保证其界面有足够的粘结强度。 3、骨料表面特征对混凝土强度的影响骨料的表面特性及活性大小对混凝土的影响不可忽 视，使用卵石配制高强度混 凝土效果较差，主要是由于界面粘结强度较差。如把卵石经破碎后再用，对提高混凝土的强度 有一定效果，但仍比不上石灰石混凝土的强度。其原因是卵石破碎面相对于碎石来说仍较平整， 并且还有一部分是未经破碎的光滑表面。界面粘结强度在很大程度上取决于骨料表面的粗糙程 度，表面越粗糙，水泥石与骨料在界面的剪切强度越大，同时粘结区面积越大。当骨料从规整的

25、几何体到毫无规则的几何体时，界面粘结强度约提高了 3倍。 四、思考题 1加荷速率、试件尺寸和承压面状态对混凝土试件极限抗压强度（精确至O.IMPa）和破 坏形态有何影响？并陈述造成上述差异的原因。 答：加荷速率越大，测得的极限载荷越大，混凝土破坏时，裂缝最开始出现在粗骨料和浆体的粘合面上， 然后沿着粘合面扩展，裂缝逐渐融合为大的裂缝，最终导致混凝土试件的断裂，而加载速度越慢，裂缝 扩展的越充分，导致测试得到的强度越低。所以对混凝土试件的加荷速率要有统一的规定，一般强度小于 C30的混凝土加荷速率为0.30.5Mpa/s，强度大于C30的混凝土加荷速率为0.50.8 Mpa/s，强度大于 C60的混凝土加荷速率为0.81.0 Mpa/s ； 尺寸大的混凝土试件中临界裂纹存在的几率越大，尺寸越大的混凝土测得的强度越低；在不同条件下，混 凝土的破坏性状不同。直接与加载台接触的试件破坏之后呈现双倒锥破坏的形状，而受压面垫胶皮的一组呈 现竖直方向的断裂纹路。承压面状态会影响测试的结 果，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515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