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建筑材料试验报告
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第一课 建筑材料的基本性质实验
1. 实验目的
1.1. 掌握材料密度、体积密度和表观密度的定义和测定方法
1.2. 掌握材料吸水率的定义和测定方法
1.3. 掌握材料强度的分类和影响因素
1.4. 了解混凝土试件荷载-挠度曲线的测定方法
2. 实验内容
2.1. 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
预备知识：
材料密度是指材料在绝对密实状态下(仅包含实体积)单位体积的质量。材料表观密度是指材料在自然状态下（含实体积和封闭空隙）单位体积的质量。材料体积密度是指材料在包含实体积、开口和封闭空隙的状态下，单位体积的质量。本实验测材料的表观密度。
材料的吸水率可分为：
质量吸水率：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：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=wmρ0（ρ0为材料的表观密度）
三种砖的组成、烧成制度和特性：
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w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。
2.1.1. 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步骤
（1）测定砖的质量m。
（2）用直尺测量试件的尺寸（精确至mm）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积V。
（3）材料的体积密度=m/V；单位kg/m3。(精确至10 kg/m3)
2.1.2. 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步骤
（1）测定砖的初始质量m0。
（2）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。
（3）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。
（4）使用如下公式计算砖的质量吸水率 (精确至0.01%)：

2.2. 观察加荷速率、试件尺寸和承压面状态对混凝土试件抗压强度和破坏状态的影响
这是老师演示的实验，分别用五块混凝土试件考察了加荷速率、试件尺寸和承载面状态对混凝土试件极限抗压强度影响。
（1）考察加荷速率和承载面状态的影响：三块尺寸相同（100*100*100mm）的混凝土试件，第一块和第二块直接承压，加荷速率分别为5kN/s和10kN/s；第三块试件上下表面都垫上胶片承压，加荷速率为5kN/s。记录仪器测出的极限抗压强度。
（2）考察试件尺寸的影响：分别用两块不同尺寸（150*150*150mm和100*100*300mm）的试件直接承压，
150*150*150mm的试件使用加荷速率11.25kN/s，100*100*300mm的试件使用加荷速率5kN/s（用100*100mm底面承压），记录仪器测出的极限抗压强度。
2.3. 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
这也是老师演示的实验，使用设备为德国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）。使用试样为尺寸为100*100*450mm的混凝土试样。测试时试样跨距为300mm。三点加载，使用如下的公式计算混凝土的极限抗折强度。

3. 实验结果及分析
3.1. 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实验结果
3.1.1. 实验数据处理
（1） 页岩砖：初始质量m0=2.345kg，吸水后质量m1=2.659kg
测量次序
1
2
3
平均值/cm
体积V/cm3
长/cm
23.8
23.9
23.9
23.87
1357.01
宽/cm
5.0
5.1
4.9
5.0
高/cm
11.2
11.5
11.4
11.37
可得页岩砖密度ρ= m0/V=1.73×103kg/m3，质量吸水率 =13.39%
（2） 粘土砖：初始质量m0=2.313kg，吸水后质量m1=2.625kg
测量次序
1
2
3
平均值/cm
体积V/cm3
长/cm
23.7
23.8
23.6
23.7
1377.51
宽/cm
5.2
5.1
5.1
5.13
高/c

11.3
11.4
11.3
11.33
可得页岩砖密度ρ= m0/V=1.68×103kg/m3，质量吸水率 =13.49%
（3） 灰砂砖：初始质量m0=3.019kg，吸水后质量m1=3.122kg
测量次序
1
2
3
平均值/cm
体积V/cm3
长/cm
24.1
24.1
24.2
24.13
1526.22
宽/cm
5.5
5.5
5.5
5.5
高/cm
11.5
11.5
11.5
11.5
可得页岩砖密度ρ= m0/V=1.978×103kg/m3，质量吸水率 =3.41%
材料类别与密度和质量吸水率关系用直方图表示如下：

3.1.2. 结果及分析：
实验结论：（1）材料表观密度从大到小排列为蒸压灰砂砖>烧结页岩砖>烧结粘土砖。
（2）质量吸水率从大到小排列为烧结粘土砖>烧结页岩砖 >蒸压灰砂砖。
对结果的分析：
（1）材料的表观密度是自然状态下单位体积的质量，自然状态下的体积指材料真实体积与材料内部所含空隙之和，因此影响材料表观密度的两大因素为本身材质和孔隙率的大小。
从第一页的预备知识可知，三者的主要材料均为二氧化硅，蒸压灰砂砖以磨细SiO2与Ca(OH)2在蒸压条件下水热合成水化硅酸钙凝胶，结构均匀密实，外观光洁整齐孔隙率低，所以实际体积占全部体积的比例大，所以表观密度就大了。烧结的砖孔隙率取决于煅烧的温度和时间，所以波动性较大。而页岩砖页岩密度略大于混合材料密度，所以页岩砖密度稍大于粘土砖密度。
（2）材料通过开口孔隙吸入水分，所以开口孔隙越大，吸水率越大。页岩砖和粘土砖表面粗糙，孔隙率大，所以吸水率较高，而灰砂砖均匀密实，外观光洁整齐孔隙率低，所以吸水率较小。
3.2. 加荷速率、试件尺寸和承载面状态对混凝土试件极限抗压强度影响的测试结果
所得数据表格如下：
考察因素
加荷速率
试件尺寸
承压面状态
极限荷载
（kN）
破坏后形态
加荷速率
&
承压面状态
5kN/s(0.5MPa/s)
100*100*100mm
直接接触
396.5
双倒锥形裂纹
10kN/s(1.0MPa/s)
直接接触
419.0
双倒锥形裂纹
5kN/s(0.5MPa/s)
垫胶片
121.0
承压面出现蛛网状裂纹，竖向裂开
试件尺寸
11.25kN/s(0.5MPa/s)
150*150*150mm
直接接触
806.0
双倒锥形裂纹
5kN/s(0.5MPa/s)
100*100*300mm
直接接触
346.4
有错位，剪切破坏
分析所得数据和现象，可以得出以下结论：
（1）当试件尺寸和承压面状态不变时，加荷速率越大，混凝土试件极限抗压强度越大。
（2）当试件尺寸和加荷速率不变时，若在承压面上垫上胶片，其抗压强度明显减小。
（3）当加荷速率和承压面状态不变时，承压面面积越大，抗压强度越大，而高宽比越大，抗压强度越小。

对结果的分析：
（1）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，这就是环箍效应。离压板越远，环箍效应越小。当混凝土的受压面光滑（如垫胶片）时，压板与试件之间的摩擦力减小，环箍效应减小，所以试件出现垂直裂纹，强度降低。
（2）当高宽比相同，承压面积越大时，环箍效应越小，而体积大的试件存在孔隙裂缝等的几率也较大，所以强度小。而当承压面积一样，高宽比加大时，承压面容易与水平面产生微小倾角，而且试件内部剪切应力增大，而环箍效应只在一定范围内存在，高度增加，环箍效应减小，抗压强度也减小。
3.3. 用Toni 200kN抗折试验机测定混凝土试件荷载-挠度曲线实验结果
（1）总体图示：

（2）单个图示：

注：C80 normal agg为：使用石灰石质集料配制的高强度等级混凝土。
C30 normal agg为：使用石灰石质集料配制的普通强度等级混凝土。
C30 normal agg with fiber为：使用石灰石质集料配制的掺入1.0%体积掺量钢纤维的普通强度等级混凝土。
C30 light agg为：使用陶粒作为集料配制的普通强度等级混凝土。
结果：
（1）由C30普通混凝土和C80高强混凝土的曲线对比得到：混凝土的强度等级越高，极限荷载越大，韧性越低。从断面看，C80高强混凝土的骨料与过渡区同时断裂，而C30只是过渡区断裂。由于韧性可用荷载-挠度曲线极限荷载后的面积占总面积的比例来表示可看出C30韧性明显比C80强。
（2）由C30轻集料混凝土和C30普通混凝土的曲线对比得到：混凝土的集料越轻，极限荷载越小，韧性也越小。从断面看，粗骨料的断面比较粗糙，而天然轻集料混凝土的断面大多为天然卵石，比较光滑。从韧性看，轻集料混凝土的韧性小于普通混凝土。
（3）由C30普通混凝土&钢纤维与C30普通混凝土的曲线对比得到：混凝土纤维含量越高，极限荷载就越大，韧性也越好。从断面看，带有钢纤维的混凝土骨料基本断裂，断面残留许多一端伸出的纤维，而普通混凝土断裂的主要为过渡区。从韧性看，C30普通混凝土&钢纤维韧性大于普通混凝土。
对结果的分析：
（1）普通混凝土：当受压产生裂缝后，由于内部骨料对裂缝的延伸和扩展具有阻碍作用，所以结构达到极限荷载开裂后曲线仍能平滑下降。
（2）轻骨料混凝土：轻骨料密度较小，颗粒内部存在大量孔隙，孔隙率大，影响其强度。当结构内部产生裂纹时，骨料不足以抵抗裂缝的延伸和扩展，所以轻骨料混凝土脆性大，达极限荷载时结构立刻破坏，曲线急剧下降。
（3）高强混凝土：在配制高强混凝土时采用了低水灰比和掺有足够数量的矿物细掺合料和高效减水剂，导致其脆性很高，延性很差，受力破坏为脆性破坏，断面上不仅是过渡区，骨料也已断裂。
（4）钢纤维混凝土：在脆性机体中加入钢纤维，承受材料受的拉应力，阻止裂缝扩展，增加混凝土韧性，使混凝土达到极限荷载时并不立即被破坏，对混凝土有很好的增强效果。
3.4 观测强度等级和纤维掺量对混凝土断面形态的影响

4. 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和破坏形态有何影响？并陈述造成上述差异的原因。
（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和质量吸水率。以砖的类型为横坐标，体积密度或质量吸水率为纵坐标作直方图比较它们值的大小。
（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：见实验结果及分析