材料的基本性質(zhì)實驗

1、材料的基本性質(zhì)實驗 實驗?zāi)康?1 掌握材料密度、體積密度和表觀密度的定義和測定方法 2、掌握材料吸水率的定義和測定方法 3、掌握材料強(qiáng)度的分類和影響因素 4、了解混凝土試件荷載撓度曲線的測定方法及用途 實驗內(nèi)容 1、測定蒸壓灰砂磚、燒結(jié)粘土磚和燒結(jié)頁巖磚的體積密度和質(zhì)量吸水率。 a測定蒸壓灰砂磚、燒結(jié)粘土磚和燒結(jié)頁巖磚的體積密度： 使用設(shè)備：案秤（量程6kg，精度50g）；直尺（精度1mm）汗燥箱。 實驗步驟：首先，將試件放入105 C的干燥箱并干燥至恒重狀態(tài)，然后冷卻至 室溫并測定質(zhì)量m ;用直尺測量試件的尺寸并計算其體積。對六面體的試件，需在長、寬、高各個方向 測定三處，取其平均值并計算體

2、積V。材料的體積密度切/# ; 單位kg/m3。（精確至10 kg/m3） b測定蒸壓灰砂磚、燒結(jié)粘土磚和燒結(jié)頁巖磚的質(zhì)量吸水率： 使用設(shè)備：天平；干燥箱。 實驗步驟：將試件放入干燥箱在105C的條件下干燥至恒重狀態(tài)，然后冷卻至 室溫并測定初始質(zhì)量m0；將試件放入容器并逐次加水，以使得試樣中的幵放空隙均 被水所填充；30分鐘后，取出試件，抹去表面水分以使其處于飽和面干狀態(tài)，稱量其質(zhì)量ml，然后用 排水法測出試樣的體積V0 ;使用如下公式計算材料的質(zhì)量吸水 率和體積吸水率（精確至0.01%）: 叫 叫叫 % -叫 叫一礦 2、觀察承壓面狀態(tài)（環(huán)箍效應(yīng)）對混凝土試件抗壓強(qiáng)度和破壞狀態(tài)的影響： 測定

3、在不同的加荷速率、試件尺寸和承載面狀態(tài)下對混凝土試件極限抗壓強(qiáng)度得影響。 用加載機(jī)在0.5MPa/s以及1 .OMPa/s兩種加載速率，在直接接觸和墊膠片兩種不同的承 壓面接觸方式上對100*100*100、150*150*150、100*100*300三種C30混凝土試件進(jìn) 行加載，觀察試件的極限強(qiáng)度以及破壞方式，并分析這些變量對實驗結(jié)果影響的原因，總結(jié)加載混凝土試件 的規(guī)律經(jīng)驗。 3、 用Toni 200kN抗折試驗機(jī)演示混凝土試件荷載撓度曲線的測定方法 用Toni 200kN抗折試驗機(jī)演示C30素混凝土、C30輕骨料混凝土、CF30摻入鋼纖維的 混凝土、C80高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行彎折加載，用

4、計算機(jī)繪制不同品質(zhì)混凝土試件的撓度荷載 曲線，并用日本JSCESF4標(biāo)準(zhǔn)分析混凝土的彎曲韌性和彎曲韌性指數(shù)，依據(jù)混凝土試件撓度荷載曲線峰值后 的面積占曲線總面積的百分比來分析混凝土試樣的韌性，并觀測強(qiáng)度等級和纖維摻量對混凝土斷面形態(tài)的影響。 三、實驗結(jié)果及分析 1、測定蒸壓灰砂磚、燒結(jié)粘土磚和燒結(jié)頁巖磚的體積密度和質(zhì)量吸水率。 a、測定蒸壓灰砂磚、燒結(jié)粘土磚和燒結(jié)頁巖磚的體積密度。 實驗數(shù)據(jù)處理: 磚的類型 粘土磚 頁巖磚 灰砂磚 干燥質(zhì)量(g) 2380 2423 2850 長/mm 239.5 241.1 241.1 239.0 238.2 240.9 238.9 239.9 240.9

5、長平均值/mm 230.1 239.7 241.0 寬/mm 115.0 115.5 114.9 115.5 114.8 114.7 115.2 114.3 115.1 寬平均值/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 體積/mm彳 1.344*10 6 1.417*10 6 1.498*10 6 體積密度： 23B0Ckg) 1.344 X ID* m3) 粘土磚: 二 1.77 x 頁巖磚： mo 2423 (kg)3 p =； =171 x

6、It) kg/in vo 1.417 x 10-W) 灰砂磚： 小0 z.aso (Kg) p - 、o 1.198 X1/J X llPkg/m ” 實驗中測量的三種磚塊的體積密度大致為1.7*103kg.m3至1.9T03kg.m3 W二 m m 262423H0 23S0 二 10.25% 2、測定蒸壓灰砂磚、燒結(jié)粘土磚和燒結(jié)頁巖磚的質(zhì)量吸水率 實驗數(shù)據(jù)處理: 磚的類型 干燥磚的質(zhì)量m。(g) 吸水30分鐘后質(zhì)量rw (g) 粘土磚 2380 2624 頁巖磚 2423 2792 灰砂磚 2850 2998 質(zhì)量吸水率: 粘土磚: 頁巖磚: 2 了彩2蛀3 2423 二 15.23% m

7、t-mo 2998-2850 叫二-2B5O = 539% Wm = 灰砂磚： Wm = 吸水率差異分析： 粘土磚：以砂質(zhì)粘土（主要化學(xué)成分是SiO2 , AI2O3和Fe2O3）為主要原料，在900-1000攝氏 度左右進(jìn)行燒結(jié)而成。由于其中的粘土被部分燒結(jié)，故具有較多的孔隙，且多為開口孔隙，所以吸水率較 大。 頁巖磚：以頁巖為主要原料，頁巖的化學(xué)組成與粘土相近，但因其顆粒細(xì)度不 及粘土，故塑性較差，制磚時常需摻入一定量的粘土，以增加可塑性。 灰砂磚：以石灰和天然砂為主要原料，在0.8MPa, 175攝氏度的條件下蒸養(yǎng)6 小時而成，由其中的Ca （OH） 2與SiO2反應(yīng)生產(chǎn)水化硅酸鈣凝膠而

8、產(chǎn)生強(qiáng)度。灰砂 磚外觀光潔整齊，均勻密實。但不宜用在高水流和高溫（大于200攝氏度）的地區(qū)， 以免發(fā)生Ca （OH） 2的濾析及Ca （OH） 2和水化硅酸鈣凝膠的脫水分解。 結(jié)合上一實驗的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：材料的體積密度越大，那么它的吸水率就越小， 因為體積密度和孔洞的多少有一定尖系，蒸壓灰砂磚的體積密度大，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu) 密實，孔洞較少，因此吸水率較?。粺Y(jié)粘土磚和燒結(jié)頁巖磚體積密度較小，空洞 多，因此吸水率也較小。 3、觀察承壓面狀態(tài)（環(huán)箍效應(yīng)）對混凝土試件抗壓強(qiáng)度和破壞狀態(tài)的影響 用加載機(jī)在不同條件下對混凝土試件進(jìn)行加載，結(jié)果如下: 考察因素 加荷速率 (kN/s / * A/ X 試件尺寸

9、 （mm） 承壓面狀態(tài) 極限載荷 kN/Mpa 現(xiàn)象 加荷速率 & 承壓面狀態(tài) 5/0.5 10/1.0 5/0.5 100*100*100 直接接觸 直接接觸 墊膠片 396.5/39.6 419.0/41.9 121.0/12.1 成雙倒錐破壞成雙倒錐破壞，極限載 荷大（與裂紋擴(kuò)展的速度有矢）呈 條狀破壞（與環(huán)箍效應(yīng)有尖） 試件尺寸 11.25/0.5 5/0.5 150*150*150 100*100*300 直接接觸 直接接觸 806.0/35.8 346.4/34.6 呈雙倒錐破壞，極限載荷降低 （與臨界裂紋存在的幾率有矢） 呈雙倒錐破壞，極限載荷降低 （與環(huán)箍效應(yīng)有矢） 結(jié)果分析:

10、 一、加荷速率會影響測得的混凝土極限載荷，加荷速率越大，測得的極 限載荷越大，混凝土破壞時，裂縫最幵始出現(xiàn)在粗骨料和漿體的粘合面上，然后沿著粘合面擴(kuò)展，裂 縫逐漸融合為大的裂縫，最終導(dǎo)致混凝土試件的斷裂，而加載速度越慢，裂縫擴(kuò)展的越充分，導(dǎo)致測 試得到的強(qiáng)度越低。所以對混凝土試件的加荷速率要有統(tǒng)一的規(guī)定，一般強(qiáng)度小于C30的混凝土加荷 速率為0.30.5Mpa/s，強(qiáng)度大于C30的混凝土加荷速率為0.5-0.8 Mpa/s，強(qiáng)度 大于C60的混凝 土加荷速率為0.81.0 Mpa/s ； 二、試件尺寸會影響測得的混凝土尺寸，尺寸大的混凝土試件中臨界裂 紋存在的幾率越大，尺寸越大的混凝土測得的強(qiáng)

11、度越低； 三、在不同條件下，混凝土的破壞性狀也不同。直接與加載臺接觸的試件破壞之后 呈現(xiàn)雙倒錐破壞的形狀，而受壓面墊膠皮的-組呈現(xiàn)豎直方向的斷裂紋路。承壓面狀態(tài)會影 響測試的結(jié)果，混凝土試樣在受壓時，在沿加荷方向發(fā)生縱向變形的同時，也按泊松比效應(yīng) 產(chǎn)生橫向變形。由于試驗機(jī)的上 下壓板的彈性模量比混凝土大515倍，而泊松比則不大于混凝土的兩倍。所 以，在荷載作用下，壓板的橫向應(yīng)變小于混凝土的橫向應(yīng)變，從而在摩擦力的作用下對試件 的橫向膨脹起約束作用，對混凝土試件的測試強(qiáng)度有提高作用。愈接近試樣的端面，這種 約束作用就愈大。在距離端面大約的范圍以外， 這種約束作用才消失。這種約束作用，稱為環(huán)箍效應(yīng)

12、。如果在加載平臺和試件之間加上一層 橡膠，由于橡膠的彈性模量很小，所以對測試結(jié)果的影響不大； 四、試件的高度對實驗結(jié)果也有一定的影響，比較100T 00*100和 100*100*300兩種試件，發(fā)現(xiàn)后者的極限強(qiáng)度小，原因是環(huán)箍效應(yīng)對離加載平 臺近的部分作用更明顯，而高度較大的試件中部所受環(huán)箍效應(yīng)不明顯，所能承受的載荷極限 就較小。對于北美等使用ASTM標(biāo)準(zhǔn)的國家，用于測定混凝 土抗壓強(qiáng)度的混凝土試件為圓柱體，且圓柱體的H/D=2。對于圓柱體試件， 在抗壓強(qiáng)度的測試過程中，在試件高度方向的中部存在單軸向的受壓區(qū)。所以使用圓柱體試 件所測得的混凝土抗壓強(qiáng)度較立方體的試件要小。通常假定立方體試件的

13、抗壓強(qiáng)度與圓柱體 試件的抗壓強(qiáng)度之比為1.25，但這不是嚴(yán)格 的一個常數(shù)，它隨混凝土強(qiáng)度的變化而變化。 結(jié)構(gòu)物體總是存在裂紋，這促使人們?nèi)ヌ接懥鸭y尖端的應(yīng)力和應(yīng)變場以及裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。 早在20年代，格里菲思首先提岀了玻璃的實際強(qiáng)度取決于裂紋的擴(kuò)展應(yīng)力這一重要觀點。 歐文于1957年提岀應(yīng)力強(qiáng)度因子及其臨界值概念，用以判別裂 紋的擴(kuò)展，從此謔生了斷裂力學(xué)。 當(dāng)裂縫尖端變成無限地尖銳，即P0時，材料的強(qiáng)度就小到可以忽略的程度。一個具有尖 銳裂縫的材料，是否具有有限的強(qiáng)度，必須進(jìn)一步弄清楚發(fā)生斷裂的必要條件和充分條件。 格里菲思從能量平衡的觀點研究了斷裂過程，認(rèn)為：斷裂要產(chǎn)生新的表面，需要 一定的

14、表面能，斷裂產(chǎn)生新的表面所需要的表面能是由材料內(nèi)部彈性儲能的減少來補(bǔ)償?shù)模?彈性儲能在材料中的分布是不均勻的。裂縫附近集中了大量彈性儲能，有裂縫的地方比其 他地方有更多的彈性儲能來供給產(chǎn)生新表面所需要的表面能，致 使材料在裂縫處先行斷裂。 4、用Toni 200kN抗折試驗機(jī)演示混凝土試件荷載撓度曲線的測定方法，觀察強(qiáng)度等 級和纖維摻量對混凝土撓度荷載曲線和斷面形態(tài)的影響。 用Toni 200kN抗折試驗機(jī)在混凝土試件的兩個三等分點出對混凝土試件進(jìn)行加載，中間1/3部 分受純彎曲作用，因此可以通過傳感器測量試驗機(jī)對混凝土的載荷和試件變形量之間的尖系，進(jìn)而做 出載荷撓度曲線，并依據(jù)混凝土試件撓度

15、荷載曲線和日 本JSCESF4標(biāo)準(zhǔn)分析混凝土的彎曲韌性和彎曲韌性指數(shù)。 一、加載過程的控制： 位移控制速率：1 （1一）mm , 15003000 ，min 對于高度為100mm的試件，位移控制速率應(yīng)為 0.2mm/min。 測試所需試件跨距中點的撓度值：tb150 二、混凝土試件彎曲強(qiáng)度、彎曲韌性、彎曲韌性指數(shù)的計算方法： 彎曲強(qiáng)度：PI其中：P為試件的極限彎曲荷載(kN)，b和h分別 bbh2 為試件的寬度和高度(mm)。 彎曲韌性：韌性的定義是試件在變形或折斷的過程中吸收的能量，所以在本實驗中可以用載 荷撓度曲線下的面積來表示試件的韌性。 18000- 14000 -. 12000 -

16、10000 - 8000 - 6000 - 4000 - 2000 - 撓度(mr) 幾1 二 6b X bh2 其中，%為試樣的彎曲韌性指數(shù)(Mpa) , Tb為彎曲韌性(N*mm ) , 3 tb為試樣跨 中的撓度，其值為試樣跨距 2mm。 三、不同品質(zhì)混凝土試件的撓度 荷載曲線 /150毫米，對高度為100mm的試件，其值為 C80 Normal Agg. 15000 A Load(N 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0.00.51.01.52.02.5 Deflectio n(mm) 不同品質(zhì)混凝土試件的撓度荷載曲線 從圖中可以看出，C30輕質(zhì)混凝

17、土在達(dá)到極限強(qiáng)度之后迅速斷裂，不在吸收能 量；C30普通混凝土在達(dá)到極限強(qiáng)度之后并沒有馬上斷裂，雖然載荷隨位移的增加 降幅很大，但是還是要繼續(xù)吸收一部分能量；C30摻入鋼纖維混凝土在達(dá)到極限強(qiáng) 度之后曲線緩慢下降，達(dá)到極限之后的曲線所圍的面積遠(yuǎn)大于達(dá)到極限之前的面積。C30輕質(zhì)混凝土、C30普 通混凝土、C30摻入鋼纖維混凝土的極限強(qiáng)度沒有太大的差別，說明加入鋼纖維后并不能增加混凝土的強(qiáng)度， 只是增大了混凝土完全斷 開之前所吸收的能量；C80混凝土的強(qiáng)度明顯高于C30輕質(zhì)混凝土、C30普通混凝土、C30摻入鋼纖維混凝 土，而且在達(dá)到極限強(qiáng)度之后馬上發(fā)生了斷裂，沒有吸收 多少能量。 四、混凝土的

18、彎曲韌性與彎曲韌性指數(shù) 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. 不同品質(zhì)的混凝土的載荷撓度曲線, 曲線所圍面積表示試件的韌性 不同品質(zhì)的混凝土的測試結(jié)果 從表中可以看出，加入鋼纖維的C80混凝土彎曲韌性和彎曲韌性指數(shù)明顯高于 其他混凝土試件，說明加入鋼纖維對混凝土韌性的提

19、高效果十分明顯，可以在混凝 土出現(xiàn)明顯裂縫之后仍然保持較高的強(qiáng)度，防止混凝土出現(xiàn)突然斷裂。 但是對 比C30N和C80N可見，JSCE標(biāo)準(zhǔn)不能很好地表達(dá)不同品質(zhì)混凝土的韌性。 五、依據(jù)混凝土試件撓度荷載曲線峰值后的面積占曲線總面積的百分比來分析混凝土試樣的韌性 25000 - 20000 15000. 10000. 5000 荷載竊度（fi線峰值后的面積占曲線總面枳的百分比ft） 4.0 3.43 46.1 C5QF 86.9 4J C80N 0 737 對比分析列表中的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)C30L混凝土的強(qiáng)度最低，過強(qiáng)度極限后吸收 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馭. 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混凝土由于使用了強(qiáng)度較低的輕骨料，致使混凝土的強(qiáng)度和 韌性等性能下降；C30N混凝土峰值之后面積占總面積的百分比約為50%性能一般， 如果在混凝土制備過程中摻入了鋼纖維，制成C20F混凝土，峰值之后面積占總面 積的百分比可以提高越一倍，說明摻入鋼纖維之后混凝土的韌性明顯提高，能在斷 裂之前吸收更多的能量，也更安全；C 80N混凝土的彎曲強(qiáng)度最大，但是達(dá)到峰值 之后馬上強(qiáng)度變?yōu)榱?，說明強(qiáng)度高的混凝土脆性大，達(dá)到強(qiáng)度極限后很危險。 六、觀測強(qiáng)度等級和纖維摻量對混凝土斷面形態(tài)的影響 混凝土種類 斷面平整程度 裂紋擴(kuò)展道路 C30L 平整 穿過輕骨料 C30N 不平

22、整 沿過渡區(qū) C30F 不平整 沿過渡區(qū)，鋼纖維被抽出 C80N 平整 穿過骨料 分析影響斷面形態(tài)的原因： 骨料：比較C30N混凝土和C30L混凝土發(fā)現(xiàn)骨料的強(qiáng)度可以影響斷面的形態(tài)輕骨料強(qiáng)度 小于重骨料，故在輕質(zhì)混凝土中骨料的強(qiáng)度小于漿體，也小于過渡區(qū)，斷裂穿過骨料，而在重骨 料普通混凝土中最薄弱的是過渡區(qū)，裂縫沿著過渡區(qū)發(fā)展。 漿體：比較C30N混凝土和C80N混凝土可以發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)混凝土的斷裂是穿過骨料的，說明 漿體和過渡區(qū)的強(qiáng)度已經(jīng)超過骨料。 鋼纖維：不能影響裂縫從哪里發(fā)展，在試件斷開的過程中鋼纖維被從混凝土中拔出。 綜合分析，增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度要增強(qiáng)骨料、漿體、過渡區(qū)中最薄弱的環(huán)節(jié)，裂縫總

23、是沿著混凝 土中最薄弱的地方發(fā)展。加入鋼纖維之后，在鋼纖維拔出的過程中吸收能量，可以避免構(gòu)建的突 然斷裂。 七、補(bǔ)充知識： 1 混凝土標(biāo)號 如C20、C30 C80等。C代表混凝土，后面的數(shù)值是指抗壓強(qiáng)度，以“MPa為 單位。例如混凝土強(qiáng)度等級為C20,即混凝土立方體28d抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為20MPa 2 表示為 20N/mm2 （ MPa）。 2、高強(qiáng)混凝土中的細(xì)骨料選擇高強(qiáng)度混凝土所用的細(xì)骨料以中砂偏粗為好，并且要有良好 的級配。從混凝土 強(qiáng)度上講，砂率至尖重要。當(dāng)混凝土中砂率過小時，砂漿層較薄，局部的粗骨料（石子）之 間的間隙很小，此處砂漿粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于石子強(qiáng)度，在某些石子的界面處往往由于

24、剪應(yīng)力的作用 首先開裂，在混凝土抗壓試驗中，就能看到此種現(xiàn)象。所以，混凝土拌合物中要有足夠的砂漿量， 使石子間有一定的距離，保證其界面有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。 3、骨料表面特征對混凝土強(qiáng)度的影響骨料的表面特性及活性大小對混凝土的影響不可忽 視，使用卵石配制高強(qiáng)度混 凝土效果較差，主要是由于界面粘結(jié)強(qiáng)度較差。如把卵石經(jīng)破碎后再用，對提高混凝土的強(qiáng)度 有一定效果，但仍比不上石灰石混凝土的強(qiáng)度。其原因是卵石破碎面相對于碎石來說仍較平整， 并且還有一部分是未經(jīng)破碎的光滑表面。界面粘結(jié)強(qiáng)度在很大程度上取決于骨料表面的粗糙程 度，表面越粗糙，水泥石與骨料在界面的剪切強(qiáng)度越大，同時粘結(jié)區(qū)面積越大。當(dāng)骨料從規(guī)整的

25、幾何體到毫無規(guī)則的幾何體時，界面粘結(jié)強(qiáng)度約提高了 3倍。 四、思考題 1加荷速率、試件尺寸和承壓面狀態(tài)對混凝土試件極限抗壓強(qiáng)度（精確至O.IMPa）和破 壞形態(tài)有何影響？并陳述造成上述差異的原因。 答：加荷速率越大，測得的極限載荷越大，混凝土破壞時，裂縫最開始出現(xiàn)在粗骨料和漿體的粘合面上， 然后沿著粘合面擴(kuò)展，裂縫逐漸融合為大的裂縫，最終導(dǎo)致混凝土試件的斷裂，而加載速度越慢，裂縫 擴(kuò)展的越充分，導(dǎo)致測試得到的強(qiáng)度越低。所以對混凝土試件的加荷速率要有統(tǒng)一的規(guī)定，一般強(qiáng)度小于 C30的混凝土加荷速率為0.30.5Mpa/s，強(qiáng)度大于C30的混凝土加荷速率為0.50.8 Mpa/s，強(qiáng)度大于 C60的混凝土加荷速率為0.81.0 Mpa/s ； 尺寸大的混凝土試件中臨界裂紋存在的幾率越大，尺寸越大的混凝土測得的強(qiáng)度越低；在不同條件下，混 凝土的破壞性狀不同。直接與加載臺接觸的試件破壞之后呈現(xiàn)雙倒錐破壞的形狀，而受壓面墊膠皮的一組呈 現(xiàn)豎直方向的斷裂紋路。承壓面狀態(tài)會影響測試的結(jié) 果，混凝土試樣在受壓時，在沿加荷方向發(fā)生縱向變形的同時，也按泊松比效應(yīng)產(chǎn)生橫向變 形。由于試驗機(jī)的上下壓板的彈性模量比混凝土大515倍，而泊松比則不大于混凝土的兩 倍。所以，在荷載作用下，壓板的橫向應(yīng)變小于混凝土