1、第 1 页 共 11 页材料的基本性质实验一、 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二、 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） ；干燥箱。实验步骤：首先，将试件放入 105 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、
2、高各个方向测定三处，取其平均值并计算体积 V。材料的体积密度=m/V；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 105 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，以使得试样中的开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 m1，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%)：=100 =1002、 观察承压面状态（环箍效应）对混凝土试件抗
3、压强度和破坏状态的影响：测定在不同的加荷速率、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 1.0MPa/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
4、维的混凝土、C80 高强度混凝土进行弯折加载，用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 JSCE - SF4 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。第 2 页 共 11 页实验数据处理：砖的类型 粘土砖 页岩砖 灰砂砖干燥质量（g） 2380 2423 2850239.5 241.1 241.1239.0
5、238.2 240.9长/mm238.9 239.9 240.9长平均值/mm 230.1 239.7 241.0115.0 115.5 114.9115.5 114.8 114.7宽/mm115.2 114.3 115.1宽平均值/mm 115.2 114.9 114.951.0 51.2 54.150.9 50.9 53.9高/mm50.1 52.2 54.2高平均值/mm 50.7 51.4 54.1体积/mm 3 1.344*106 1.417*106 1.498*106体积密度：粘土砖：=00= 2.380()1.344103(3)=1.77103/3页岩砖：=00= 2.423()
6、1.417103(3)=1.71103/3灰砂砖：=00= 2.850()1.498103(3)=1.90103/3实验中测量的三种砖块的体积密度大致为 1.7*103kg.m3 至 1.9*103kg.m32、 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 m0(g) 吸水 30 分钟后质量 m1(g)粘土砖 2380 2624页岩砖 2423 2792灰砂砖 2850 2998质量吸水率：粘土砖：=100 =262423802380=10.25%页岩砖：第 3 页 共 11 页=100 =279224232423=15.23%灰砂砖：=100 =2
7、99828502850=5.19%吸水率差异分析：粘土砖：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。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
8、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关系，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 / Mpa/s）试件尺寸（mm）承压面状态 极限载荷kN/Mpa现象加荷速率&承压面状态5/
9、0.510/1.05/0.5100*100*100直接接触直接接触垫胶片396.5/39.6419.0/41.9121.0/12.1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关）呈条状破坏（与环箍效应有关）试件尺寸 11.25/0.55/0.5150*150*150100*100*300直接接触直接接触806.0/35.8346.4/34.6呈双倒锥破坏，极限载荷降低（与临界裂纹存在的几率有关）呈双倒锥破坏，极限载荷降低（与环箍效应有关）结果分析：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，裂缝最开始出现在粗骨料和浆体的粘合面上，然后沿
10、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 0.3-0.5Mpa/s，强度大于 C30 的混凝土加荷速率为 0.5-0.8 Mpa/s，强第 4 页 共 11 页度大于 C60 的混凝土加荷速率为 0.8-1.0 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
11、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 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。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
12、一定的影响，比较 100*100*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，
13、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，格里菲思首先提出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 年提出应力强度因子及其临界值概念，用以判别裂纹的扩展，从此诞生了断裂力学。当裂缝尖端变成无限地尖锐，即 0 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
14、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 l/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关系，进而做出载荷-挠度曲线，并依据混凝土试件挠度- 荷载曲线和日本 JSCE - SF4 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()
15、min503l第 5 页 共 11 页对于高度为 100mm 的试件，位移控制速率应为 0.2-0.1mm/min，在此取0.2mm/min。测试所需试件跨距中点的挠度值 ：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： 其中：P 为试件的极限弯曲荷载（kN） ，b 和 h 分别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。0.0.51.01.52.02.53.02406810241608荷载（N） 挠 度 （ m）弯曲韧性指数：=2其中， 为试样的弯曲韧性指数（Mpa
16、） ，T b 为弯曲韧性（N*mm） ， tb 为试样跨中的挠度，其值为试样跨距 /150 毫米，对高度为 100mm 的试件，其值为 2mm。三、不同品质混凝土试件的挠度-荷载曲线150tbl2blh第 6 页 共 11 页0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.505000100001500020000250000.0 0.2 0.4 0.6050001000015000C30 Light Agg.C30 Normal Agg. with FiberC30 Normal Agg.C80 Normal Agg.从图中可以看出，C30 轻质混凝土在达到极限强度之后迅速断裂，不在吸收能量；C
17、30 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、混凝土的弯曲韧性与弯曲韧性指数30000Load(
18、N)不同品质混凝土试件的挠度-荷载曲线Deflection(mm)第 7 页 共 11 页0.0.50.10.150.20.250.30.355010150202500. 0.51.01.52.020460810214060.0.10.20.30.40.50.60.72040608010120140 0.0.50.10.150.20.250.32040608010120Fmax=2458NLoad(N)Deflction(m)C80 Normal Ag.Fmax=1385NLoad(N)Deflction(m)C30 Noral Ag. with FiberFmax=1305NLoad(N)D
19、eflction(m)C30 Normal Ag.Load(N)Deflction(m)C30 Light Ag. Fmax=160N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
20、的韧性第 8 页 共 11 页0.0.50.10.150.20.250.30.355010150202500. 0.51.01.52.02.520460810214060.0.10.20.30.40.50.60.72040608010120140 0.0.50.10.150.20.250.32040608010120After Pak/ATotal=0%Fmax=2458NLoad(N)Deflction(m)C80 Normal Ag.After Pak/ATotal=86.9%Fmax=1385NLoad(N)Deflction(m)C30 Noral Ag. with FiberAfte
21、r Pak/ATotal=46.1%Fmax=1305NLoad(N)Deflction(m)C30 Normal Ag.After Pak/ATotal=4.0%Load(N)Deflction(m)C30 Light Ag. Fmax=160N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
22、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 穿过骨料第 9 页 共 11 页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
23、，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
24、 28d 抗压强度标准值为20MPa，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，砂率至关重要。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
25、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 0.1MPa)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
26、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 0.3-0.5Mpa/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0.8-1.0 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第 10 页 共 11 页破坏的形状，而受压面垫胶皮的一组呈现竖直方向的断裂纹路。承
27、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 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。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。2、根据实验结果，计算蒸压灰砂砖、烧结粘土砖和烧结页岩砖的体积密度(
28、精确至 10 kg/m3)和质量吸水率(精确至 0.01%)。 以砖的类型为横坐标，体积密度为纵坐标；以砖的类型为横坐标，质量吸水率为纵坐标分别作直方图比较它们值的大小。答：1.61.651.71.751.81.851.9粘 土 砖 页 岩 砖 灰 砂 砖体 积 密 度 t/mm30246810121416粘 土 砖 页 岩 砖 灰 砂 砖质 量 吸 水 率 /%第 11 页 共 11 页051015202530第 一 季 度 第 二 季 度 第 三 季 度体 积 吸 水 率 /%3、基于混凝土的荷载-挠度曲线，分析强度等级、粗集料品种和纤维含量对混凝土在弯曲状态下极限荷载、断面形态和韧性(以
29、荷载-挠度曲线极限荷载后的面积占总面积的比例来表示)的影响。答：强度：强度高的混凝土弯曲极限载荷大，断面平整，重骨料被剖开，但是韧性差；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。高强混凝土和轻质混凝土骨料强度最低，断裂穿过骨料，断面较平整，而 C30 重骨料混凝土从过渡面断开，表面不平整；钢纤维：不能影响裂缝从哪里发展，即不能影响断面形态，在试件断开的过程中钢纤维被从混凝土中拔出，吸收能量，使混凝土韧性增强。五、实验小结在本次试验中，我测量了三种砖的体积密度、吸水率，观察了混凝土试件在不同加载条件下的测试结果，观察了不同品质的混凝土在抗弯时表现出来的性质，在后期数据处理和实验结果分析的过程中，锻炼了数据分析，资料搜集的能力，并对转、混凝土的性质有了一定的了解，收获颇丰，希望在以后的实验中有更好的表现，收获更多的知识。
