材料基本性质实验报告.docx
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材料基本性质实验报告
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材料基本性质实验
实验报告
土木系结02班
实验人陈伟
同组人吴一然
实验日期11月2日
建筑材料第一次实验
一实验目的
1.巩固基本概念，学习材料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.了解砖和混凝土等材料的基本性能。
比较混凝土的抗压抗折强度与混凝土规格和种类的关系。
二实验内容
1.测定蒸压灰砂砖、烧结普通砖、烧结页岩砖体积密度；
2.测定蒸压灰砂砖、烧结普通砖、烧结页岩砖（30分钟）吸水率；
3.混凝土抗压强度影响试验数值的因素，如形状，尺寸，受压面状况等（演示实验）；
4.混凝土抗折强度实验（演示实验）。
三实验主要仪器设备
●电子秤；
●尺子；
●烘箱；
●水糟；
●压力实验机、抗折实验机；
●钢尺。
四实验原理及相关知识
三种砖的性能比较：
Ø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。
Ø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。
Ø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。
密度、堆积密度、表观密度、体积密度等概念的区别：
密度是材料在绝对密实状态下单位体积的质量，其体积不包括内部孔隙的体积；
堆积密度是散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量；
表观密度是材料在自然状态下单位体积的质量，体积为实体积与内部孔隙之和；
体积密度是指材料在包含实体积、开口、封闭孔隙的状态下单位体积的质量。
体积密度计算公式：
γ=M/V；
γ：
材料体积密度；
M:
材料质量；
V:
材料体积。
吸水率概念：
材料在吸水饱和时内部所吸水分的质量占干燥材料总质量的百分率。
计算公式:
W=（M1-M）/M×100%；
W：
材料吸水率；
M1：
材料在吸水饱和状态时的质量；
M：
材料在干燥状态下的质量。
抗压强度计算：
R=P/S计算精确至0.1MPa；
R试件抗压强度单位MPa；
P试件破坏荷载单位kN；
S试件受压面积单位mm2。
抗折强度：
R=（3PL）/（2bh2）（注：
此为三点抗弯，四点抗弯的公式为R=（PL）/（bh2））；
R试件抗折强度单位MPa；
P试件抗折荷载单位KN；
b、h试件的宽和高单位mm；
五实验步骤
1.蒸压灰砂砖、烧结普通砖、烧结页岩砖体积密度实验步骤
●试件在105℃烘干至恒重，称重M；
●用直尺量出试件的尺寸，并计算出其体积。
对于六面体试件，量尺寸时长宽高各方向须测量3处，取其平均值得a、b、c，单位为cm3V=abc；
●结果计算
γ=M/V
2.蒸压灰砂砖、烧结普通砖、烧结页岩砖（30钟）吸水率实验步骤：
●砖样在105℃烘干至恒重，称其质量M；
●作好标记砖放入水槽中吸水30min；
●取出试件，擦去表面的水称其质量M1；
●结果计算公式:
W=（M1—M）/M×100%
3.混凝土抗压强度影响试验数值的因素（演示实验）实验步骤：
●试件从养护地点取出，尽快进行实验；
●将试件表面与试验机的上下承压板擦拭干净，测量试件尺寸并检查外观；
●将试件安放在试验机的下压板上，试件的中心与下压板的中心对准，试件的承压面与成型时的顶面垂直；
●做四种混凝土的抗压实验，并记录抗压载荷及破坏形状。
规格分别是
100X100X100单位mm
100X100X100（垫胶皮）
150X150X150
100X100X300
●计算抗压强度，并结合结果对其进行分析
●抗压强度计算公式：
R=P/S计算精确至0.1MPa
4混凝土抗折强度实验（演示实验）步骤：
（注：
我们观察的为四点抗弯，这里做三点抗弯实验的分析及数据的处理）
●试件从养护地点取出，尽快进行实验；
●将试件表面擦拭干净，测量试件尺寸并检查外观；
●做四种混凝土的抗折实验，记录抗折载荷及破坏形状。
规格分别是
C30普通混凝土
C30钢纤维混凝土
C30轻骨料混凝土
C80普通混凝土
●计算抗折强度，并结合结果对其进行分析
抗折强度
R=3PL/2bh2
六实验数据及结果分析
1.蒸压灰砂砖、烧结普通砖、烧结页岩砖体积密度实验的有关数据
材
料
材料长a（cm）
材料宽b（cm）
材料高c（cm）
质量m（g）
1
2
平均
1
2
平均
1
2
平均
烧结页岩砖
23.95
24.00
23.975
11.45
11.55
11.50
5.15
5.15
5.15
2372
烧结普通砖
24.00
24.00
24.00
11.50
11.70
11.60
5.05
4.95
5.00
2362
蒸压灰砂砖
24.05
24.00
24.025
11.45
11.50
11.475
5.35
5.45
5.40
2785
代入体积密度计算公式γ=M/V,得到下列表格
材料
体积V=abc（cm2）
体积密度γ=M/V（g/cm3）
烧结页岩砖
1419.92
1.67
烧结普通砖
1392.00
1.70
蒸压灰砂砖
1488.71
1.87
由表格可以看出，蒸压灰砂砖的密度较大。
这在一定程度上也使它的强度较普通砖大，页岩砖与普通砖相比，体积密度较小，具有轻质的性质，但是由于质量只测了一次，而且长宽高的测量不够精确，容易产生偶然误差，这也是此次体积密度实验的主要误差之一。
2.蒸压灰砂砖、烧结普通砖、烧结页岩砖（30钟）吸水率实验的有关数据
材料
初始干燥质量M（g）
吸水后质量M1（g）
吸水率
W=（M1-M）/M×100%
烧结普通砖
2314
2603
12.49%
烧结页岩砖
2348
2764
17.72%
蒸压灰砂砖
2735
3066
12.10%
从表格中我们容易看出，烧结页岩砖的吸水率较高，这与它的高孔洞率有关，孔隙多，也使这种材料具有良好的热学性能，隔热保温效果好
3.混凝土抗压强度影响试验数值的因素（演示实验）的相关数据及实验结果分析
图1图2
图3
表一混凝土抗压强度及破坏形状
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
1
100X100X100
388
38．8
38．0
上下表面较完整，中间破坏比较严重，呈双倒锥行，如图1
392
39．2
360
36．0
2
100X100X100（受压面垫胶皮）
160
16．0
17．07
上下表面有较明显的条状裂缝，且沿纵向裂缝破坏都比较严重，如图2
172
17．2
180
18．0
3
150X150X150
704
31.29
30.52
破坏形状与1类似，但是抗压载荷比1小，如图3
684
30.40
672
29.87
4
100X100X300
282
28．2
26．80
沿45°方向裂开，上下表面较为完整，但是抗压荷载低于1
250
25．0
272
27．2
简要分析（详细见后思考题）：
综合上述四种情况，序号为1与3的实验对比，试件形状相同，故破坏的形状类似，从图中也可以看出均为中间破坏较厉害。
但是根据Griffith微裂纹理论，3中的试样尺寸较大，因此出现微裂纹的概率较大，裂纹扩展的概率大，因此更容易破坏。
所以我们看到，实验结果中序号3中得试件的抗压强度明显小于1中试件的抗压强度。
再对比序号为1和4的实验，这两组实验中试样的横截面积（受压面积）均为100mmX100mm,4中试样高度更高，二者抗压强度的差异涉及到防护效率，与混凝土接触的钢板的弹性模量较高，可以约束与之接触的混凝土表面在受压过程中横向变形，从而达到防护的作用，离受压面越远的地方约束越小，防护效率越低我们可以看出，序号4中的试样的抗压强度小于1中试样的抗压强度，并最终在靠近中间的地方沿45°方向破坏。
对比序号为1和2的实验，其他条件都一样，只是2中在钢板和混凝土接触的地方加了胶皮，因此钢板不在对与之接触的混凝土起到约束作用，2中试样的抗压强度低于1，而且可以看到，因为少了约束，上表面也有裂缝。
4混凝土抗折强度实验（演示实验）有关数据及结果分析
b=100mmh=100mmL=300mm
混凝土抗折强度数据
载荷（KN）/
强度（Mpa）
载荷（KN）/
强度（Mpa）
载荷（KN）/
强度（Mpa）
平均强度（Mpa）
C30普通混凝土
11.96/5.382
13.33/5.9985
12.48/5.616
5.67
C30钢纤维混凝土
15.35/6.9075
14.10/6.345
13.61/6.1245
6.46
C30轻骨料混凝土
8.16/3.672
10.66/4.797
8.36/3.762
4.08
C60高强混凝土
18.42/8.289
18.21/8.1945
19.09/8.5905
8.36
单从抗折角度分析，从上表可知，高强混凝土和钢纤维混凝土的抗折强度较大，而相对来讲，轻骨料混凝土的抗折强度相对则较小，具体原因及破坏情况见后面思考题
混凝土抗压强度数据
载荷（KN）/
强度（Mpa）
载荷（KN）/
强度（Mpa）
载荷（KN）/
强度（Mpa）
平均强度（Mpa）
C30普通混凝土
440/44.0
460/46.0
455/45.5
45.167
C30钢纤维混凝土
492/49.2
480/48.0
480/48.0
48.800
C30轻骨料混凝土
424/42.4
420/42.0
416/41.6
42.000
C60高强混凝土
770/77.0
812/81.2
804/80.4
79.533
三点抗弯荷载位移曲线
七思考题
1.针对混凝土抗压强度演示实验
1）计算表1混凝土抗压强度实验数值。
（见表一）
2）根据观察到的实验破坏现象,分析原因。
如序号为1的100mmX100mmX100mm的混凝土，实验机的压板与试件承压面紧密接触，同时，一般情况下，实验机的压板的弹性模量要大于试件的弹性模量。
故在该状态下，实验机的压板与试件承压面间产生了横向摩擦阻力，实验机的压板约束了试件承压面及其毗邻部分的部分横向膨胀变形，从而抑制了试件的破坏，使得所获得的强度值较高，且使试件破坏成如图1所示的两个顶角相接的截头角锥体。
而在序号为2的实验中，在二者的接触面上放了一层变形能力较强的胶皮，则在试件受压时，由于实验机的压板与试件承压面间的摩擦力较小，试样可自由的进行横向膨胀变形，这样就在试件的承压面上产生了垂直于加载方向的拉应力，从而降低了试件的测试强度并使之出现纵向裂缝而破坏，形如图2.
对比序号为1的试件和序号3,4的试件，小试件的抗压强度要大于大试件的抗压强度，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。
同时，试件较大时，在其中出现缺陷的几率也越大，这也是大试件测试强度较低的原因。
2根据表2实验数值,计算混凝土抗折强度;根据应力应变曲线,分析混凝土的破坏特性
计算值如表2中，下面是四种混凝土的断面情况。
C30轻骨料混凝土C30普通混凝土
C30钢纤维混凝土C80高强混凝土
结合上述数据，我们可以看出，高强混凝土和钢纤维混凝土相对普通混凝土来说都有更高地抗弯性能，但是从荷载-位移曲线上我们可以看出，高强混凝土的破坏十分突然，在达到峰值之后急剧下降，而相对来说，虽然C30钢纤维混凝土的抗弯强度比之高强混凝土要低一点，但是在破坏前出现裂缝，而且完全断裂需要很长的时间。
韧性比高强混凝土要好，从断面形状上看，钢纤维混凝土的断面不平整，内部细小钢筋已经被抽出，裂纹沿过渡区扩展；而高强混凝土的断面比较平整，裂纹穿过骨料扩展，骨料已经被破坏。
因此在抗弯这方面，虽然高强混凝土的抗弯强度较高，但由于其脆性，在很多场合还是钢纤维混凝土较为实用。
而轻骨料混凝土（我们实验中用的是C30陶粒砼）相对来说质轻，破坏也是脆性破坏，而且抗弯强度相对较低，从断口形状可以看出断裂面较平整，骨料也已经断裂，然而它具有能和普通混凝土媲美的抗压强度，因此在某些领域其质轻的特性很受欢迎。
八实验可能误差及注意事项
吸水率实验中，测吸水后质量M1时，应先将毛巾沾水拧干后轻轻擦去试件表面水之后再测量。
抗压强度实验时应控制加载速率，当加载速率较快时，材料变形的增长落后于载荷的增长，故破坏时的强度较高，反之，则强度较低。
本实验的加载速率一般为：
强度低于C30时，取每秒0.3~0.5Mpa；强度大于C30但小于C60时，取每秒0.5~0.8Mpa；大于C60时，可取每秒0.8~1Mpa。
抗压和抗折强度实验中，试件从养护地点取出之后应尽快进行实验，以免试件内部的温湿度发生显著变化，一般而言，干燥的混凝土相对潮湿的混凝土具有较高的抗压强度。
这一方面可能是CSH凝胶在失水的过程中使得凝胶粒子之间的键合力增大有关，另一方面可能是在受压的过程中，混凝土试件的的水分子具有润滑作用，使得混凝土中的组分之间易于滑动有关，同时，也可能是与混凝土在受压的过程中，其中的水分发生迁移，产生内部孔隙压力所致。
而在抗拉和抗折的实验中，干燥的混凝土比起潮湿的混凝土要显示出较低的测试强度这是由于混凝土中水分的扩散速率较低，因而在试件在干燥过程中，会产生湿度梯度，从而使得混凝土的表面受张力而产生微裂纹，该裂纹在受压状态下会愈合从而不会产生较大影响，但会显著降低混凝土的抗拉和抗折强度。
九实验小结
本次实验中，我们了解到了不同材料的不同特性以及它们相应的适用范围，如蒸压灰砂砖可用于工业和民用建筑墙体和基础。
重点说下抗压和抗折实验，例如C60高强钢在抗压方面抗压强度很高，但是抗弯时容易发生脆性断裂，但将它用做墙体可以只利用其抗压性能。
实际结构物中，混凝土收到不同类型的荷载并以不同的形式破坏，了解其相应条件下的性能对结构设计很有必要，如柱子要求抗压强度；为了控制梁板开裂，弯拉强度是很重要的，此外还有抗扭转，抗疲劳与冲击、复合应力以及多轴应力的情况。
因此做结构设计时，要综合考虑材料各方面的性能，做到合理利用材料。
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