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材料机械强度的测定. 武汉理工大学. 无机非金属材料实验 — 力学性能实验. 实验四十二 材料机械强度的测定. Ⅰ. 水泥机械强度的测定. Ⅱ. 混凝土机械强度的测定. Ⅲ. 玻璃机械强度的测定. Ⅳ. 陶瓷机械强度的测定. Ⅰ. 水泥机械强度的测定. 水泥的强度在使用中具有重要的意义。水泥强度是指水泥试体在单位面积上所承受的外力，它是水泥的主要性能指标。水泥是混凝土的重要胶结材料，水泥强度是水泥胶结能力的体现，是混凝土强度的主要来源。检验水泥各龄期强度，可以确定其强度等级，根据水泥强度等级又可以设计水泥混凝土的标号。. 一．目的意义.
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材料机械强度的测定 武汉理工大学 无机非金属材料实验—力学性能实验
实验四十二 材料机械强度的测定 Ⅰ. 水泥机械强度的测定 Ⅱ.混凝土机械强度的测定 Ⅲ. 玻璃机械强度的测定 Ⅳ. 陶瓷机械强度的测定
Ⅰ. 水泥机械强度的测定 水泥的强度在使用中具有重要的意义。水泥强度是指水泥试体在单位面积上所承受的外力，它是水泥的主要性能指标。水泥是混凝土的重要胶结材料，水泥强度是水泥胶结能力的体现，是混凝土强度的主要来源。检验水泥各龄期强度，可以确定其强度等级，根据水泥强度等级又可以设计水泥混凝土的标号。
一．目的意义 水泥强度检验主要是抗折与抗压强度检验。本实验的目的： 1. 学习水泥胶砂强度的测试方法，以确定水泥强度等级。 2. 分析影响水泥胶砂强度测试结果的各种因素。
二．实验原理 1.抗折 材料的抗折强度一般采用简支梁法进行测定。对于均质弹性体，将其试样放在两支点上，然后在两支点间的试样上施加集中载荷时，试样将变形或断裂(如图42-1所示)。由材料力学简支梁的受力分析可得抗折强度的计算公式： ( 42 - 1） 式中 Rf —— 抗折强度，Mpa ； M —— 在破坏荷重P处产生的最大弯矩 ； W —— 截面矩量，断面为矩形时W = b h2 / 6 ； P —— 作用于试体的破坏荷重，kN ； L —— 抗折夹具两支承圆柱的中心距离，m ； b —— 试样宽度，m ； h —— 试样高度，m 。
在水泥胶砂试体抗折强度测试中，两支承圆柱的中心距离L = 0.1 m；试样宽度b = 0.04 m；试样高度h = 0.04m 。将这些值代入（42 - 1）式得 水泥胶砂试体不是均质弹性体，而是“弹-粘-塑性体”，用（42 - 1）式计算出的强度不完全代表水泥胶砂试体的真实抗折强度值，但这种近似值已能满足工程测试的要求。
材料的抗折强度一般采用电动抗折试验机进行测定，其测力原理如图42-2所示。在这种情况下，力矩M与各量的关系为： M1 = P L1 M2 = S L2 M3 = S A M4 = Q B 平衡状态时， M1 = M2 即 P = S·L2 / L1 M3 = M4 即 S = B·Q / A 图42-2 电动抗折试验机测力原理示意图
所以 L2 Q P = ——·——·B L1 A 由于仪器设定为：力臂L1 = 1 长度单位，A = 1长度单位，L2 = 5长度单位，Q = 10公斤，所以 L2 Q 5×10 P = ——·——·B = ——— B = 50 B L1 A 1×1 Rf = 2.34 P = 2.34 × 50 B =117 B （42 - 2）
2．抗压 检验抗压强度一般都采用轴心受压的形式。按定义，其计算公式为： Rc = （42 - 3） 式中 Rc —— 抗压强度，Mpa ； F —— 受压面积，m2； P —— 作用于试体的破坏荷重，kN 。 在水泥胶砂试体抗压强度测试中，用抗折试验后的两个断块立即进行抗压试验，因此试体的受压面积 F = 0.04×0.0625 m2；
三．实验器材 1.胶砂搅拌机 2.振实台 振实台应安装在高度约为400 mm的混凝土基座上。需防外部振动影响振动效果时，可在整个混凝土基座上放一层厚约5 mm天然橡胶弹性衬垫。新标准规定，若无振实台，也可以用振动台代替。 3.试模 试模由三个水平的模槽组成（如图42—6），可同时成型三条截面为40×40×160 mm的棱形试体。
4．播料器和金属刮平尺 为控制料层厚度和刮平胶砂，应备有二个播料器和一金属刮平直尺。 5．抗折强度试验机 抗折强度试验机，抗折夹具的加荷与支撑圆柱直径均为10±0.1 mm，两个支撑圆柱中心距为100±0.2 mm。 6．抗压强度试验机 抗压强度试验机。在较大的五分四量程范围内使用时记录的荷载应有±1%精度，并具有按2400 N/S±200 N/S速率的加荷能力。 7．抗压夹具 夹具受压面积为 40 mm×40 mm。夹具要保持清洁，球座应能转动以使其上压板能从一开始就适应试体的形状并在试验中保持不变 。
四．试验条件及对材料的要求 1. 验室温度为20±2℃，相对湿度大于50 %。 2. 养护箱温度为20±1℃，相对湿度大于90 %，养护水的温度为20±1℃。 3. ISO基准砂 砂的湿含量是在105~110℃下用代表性砂样烘2h的质量损失来测定，以干基的质量百分数表示，应小于0.2 %。 4. 中国ISO标准砂完全符合表42—1颗粒分布和湿含量的规定。 5. 水泥 6. 水
五.试验步骤 （一）试体成型 1. 将试模擦净，四周模板与底板接触面上应涂黄油，紧密装配，防止漏浆。内壁均匀刷一薄层机油。 2. 胶砂的质量配合比应为一份水泥，三份标准砂和半份水(水灰比为0.50)。一锅胶砂成三条试体，每锅材料需要量如表42—2。 3. 先使搅拌机处于待工作状态，然后再按以下的程序进行操作
把量好的水(精确±1 ml )加入锅里，再加入称好的水泥(精确±1 g )，把锅放在固定架上，上升至固定位置。 然后立即开动搅拌机，低速搅拌30 S后，在第二个30 S开始的同时均匀地将砂子加入( 当各级砂是分装时，从最粗粒级开始，依次将所需的每级砂量加完 )。 把机器转至高速再拌30 S，停拌90 S，在第1个15 S内用一胶皮刮具将叶片和锅壁上的胶砂刮入锅中间，在高速下继续搅拌60 S。 各个搅拌阶段，时间误差应在±1 S以内。
4. 胶砂制备后应立即进行成型。 预先将空试模和模套固定在振实台上，用一个适当勺子直接从搅拌锅里将胶砂分二层装入试模，装第一层时， 每个槽里约放300 g 胶砂， 用大播料器垂直架在模套顶部沿每个模槽来回一次将料层播平，再振实60次。再装入第二层胶砂，用小播料器播平，再振实60次。 移走模套，从振实台上取下试模，用一金属直尺以近似90°的角度架在试模模顶的一端，然后沿试模长度方向以横向锯割动作慢慢向另一端移动，一次将超过试模部分的胶砂刮去，并用一直尺以近乎水平的情况下将试体表面抹平。 最后在试模上标记。 5. 若使用代用设备振动台时，操作如下： 在搅拌胶砂的同时将试模和下料漏斗卡紧在振动台的中心。将搅拌好的全部胶砂均匀地装入下料漏斗中，开动振动台，胶砂通过漏斗流入试模。振动120±5 S停车。振动完毕，取下试模，用刮平尺刮去其高出试模的胶砂并抹平（方法同上）。 最后在试模上标记。
（二）试体养护 1. 脱模前的养护 将试模放入养护箱养护（温度20±3℃，相对湿度大于90 %）。一直养护到规定的脱模时间时取出脱模。脱模前，用防水墨汁或颜料笔对试体进行编号，对二个龄期以上的试体，在编号时应将同一试模中的三条试体分在二个以上龄期内。 2．脱模 对于24 h龄期的，应在破型试验前20 min内脱模；对于24 h以上龄期的，应在成型后20~24 h之间脱模。脱模应小心，以免损伤试体。对于已确定作为24 h龄期试验的已脱模试体，应用湿布覆盖至做试验时为止。 3. 水中养护 将编号的试体立即水平放在20±1℃水中养护，放置时刮平面应朝上。试体之间间隔和试体上表面的水深不得小于5 mm。 注意：试体放置的篦子不宜用木料制成；每个养护池只养护同类型的水泥试体；不允许在养护期间换水，水量不够时可加水至恒定水位。
（三）强度试验 1. 各龄期的试体必须按表42—3规定时间内进行强度试验。 2. 试体从水中取出后，在强度试验前应用湿布覆盖。 3. 抗折强度测定：将试体一个侧面放在抗折仪的支撑圆柱上，通过加荷圆柱以50 N/S±10 N/S的速率均匀地将荷载垂直地加在棱柱体相对侧面上，直至折断。记录抗折强度值(记录至0.1 Mpa)。 4. 抗压强度测定：抗折试验后的二个断块应立即进行抗压试验。半截棱柱体中心与压力机压板受压中心差应在±0.5 mm内，整个加荷过程中应以2400 N/S±200 N/S的速率均匀地加荷直至破坏。记录抗压强度值(记录至0.1 Mpa)。
六.水泥强度的计算 • 1. 抗折强度按（42-2）式计算，精确至0.1 MPa 。 • 以一组三个棱柱体抗折结果的平均值作为试验结果。当三个强度值中有超出平均值±10 %时，应剔除后再取平均值作为抗折强度试验结果。 • 2. 抗压强度按（42-3）式计算，精确至0.1 MPa 。 • 以一组三个棱柱体上得到的六个抗压强度测定值的算术平均值为试验结果。如六个测定值中有一个超出六个平均值的±10 %，就应剔除这个结果 ，而以剩下五个的平均数为结果。如果五个测定值中再有超过它们平均值±10 %的，则此组结果作废，应重做这组试验。
Ⅱ.混凝土机械强度的测定 一．目的意义 混凝土的强度在使用中具有重要意义。混凝土强度包括抗压、抗拉、抗剪、抗弯以及握裹强度等。其中以抗压强度最大，抗拉强度最小。工程上混凝土主要承受压力，因此，本实验做混凝土的抗压强度，检验混凝土强度等级、确定、校该配合比，并为控制施工质量提供依据。 本实验的目的： 1. 学习混凝土强度的测试方法；以确定混凝土的等级。 2. 分析影响混凝土强度测试结果的各种因素。
二．实验原理 混凝土受力破坏的过程，实际上是混凝土裂缝的发生及发展的过程。也就是混凝土内部结构从连续到不连续的演变过程。 混凝土是由水泥石及粗细骨料所组成的复合材料，它的力学性质取决于水泥石的性能、粗细骨料的性能、水泥石与骨料界面的粘结力以及水泥与骨料在混凝土内的相对体积含量。 凝土在浇注时，由于泌水作用，形成泌水通道和水囊，在混凝土干硬后会形成界面裂纹及空隙。
混凝土浇注且硬化之后，由于水泥水化造成的化学收缩及物理收缩，引起水泥石体积变化，使骨料与水泥石界面产生分布不均匀的拉应力，当拉应力超过界面上的抗拉强度，在骨料与水泥石之间就会出现许多细微的裂纹。因此，硬化后的混凝土在未受外力作用之前，内部就存在初始应力和微细裂纹。 当混凝土承受单向应力荷载时，在粗骨料的上下端产生压应力，侧面产生拉应力。此外，水泥石的抗拉强度远低于抗压强度，所以在较低的压应力作用下，当其受拉区的应力超过界面抗拉强度时，就使界面裂缝逐渐扩展，最后导致试件破坏。
对相同质量的混凝土立方体试件来说，试件的尺寸越小，测得的强度越高，反之亦然。这是由于混凝土立方试块在压力机上受压时，沿荷载方向产生纵向变形的同时，将发生横向变形。随着荷载逐渐加大，在试块上下表面与压力机压板的接触面上产生制止横向扩展的摩擦力（图42-11(a)的上图）。由于这种力的存在，对试块横向变形起到约束作用，从而提高试体的抗压强度值。
越接近试块的顶面，这种约束作用越大，在距离大约3/2a (a为试样的宽度) 的范围以外约束作用消失。试块破坏之后，其破坏特征如图-42-11(b)的上图所示，上下部分各有一个较为完整的锥体。这是由于约束作用的结果。通常称这种作用为“环箍效应”。对于大的试样，环箍效应作用较小。所以测得试样的抗压强度值较低。因此，我国国家标准规定采用150 mm×150 mm×150 mm 的立方体试件作为标准试件。 试验时，在试块承压面和试验机压板间涂润滑剂（如石蜡），则其间的摩擦力减小，横向力消失，环箍效应将大大减小，使试块的强度值减低，试块将产生横向裂缝而破坏，如图-42-11(b)的下图所示。
三．实验器材 1．试验机 混凝土立方体抗压强度试验所采用试验机的精确至少应为±2 %，其量程应为能使试件的预期破坏荷载值不小于全量程的20 %，也不大于全量程的80 %。试验机上、下压板及试件之间可各垫以钢垫板，钢垫板的两面承压面均应机械加工。与试件接触的压板或垫板的尺寸应大于试件的承压面，其不平度应为每100 mm不超过0.02 mm 。 2．试模：由铸铁或钢制成，应具有足够的刚度，并且拆装方便。 3．振动台、捣棒等。
四．试件制作 1.一般规定 (1):混凝土试件的尺寸应根据混凝土中集料的最大粒径按表42—4选定。 (2):混凝土力学性能试验应以三个试件为一组。 (3):每组试件所用拌合物取样、用以检验现浇混凝土工程或预制构件质量的试件取样，以及成型试件时，其材料的称量精确均与混凝土拌合物坍落度相同。
(4) 所有试件应在取样后立即制作，确定混凝土设计特征值、强度等级或进行材料性能研究时，试件成型方法应根据混凝土稠度而定。坍落度不大于70 mm的混凝土，宜用振动台振实；大于70 mm的宜用捣棒人工捣实。检验现浇混凝土工程和预制构件质量的混凝土，试件成型方法应与实际施工采用的方法相同。 2.试件制作步骤 (1) 制作试件前应将试模擦净并在内壁涂上一层机油或其它脱模剂。 (2) 试件成型
a . 采用振动台成型：当采用振动台成型时，应先将混凝土拌合物一次装入试模，装料时应用抹刀沿试模内壁略加插捣并使混凝土拌合物高出试模上口。振动时应防止试模在振动台上自由跳动。振动应持续到混凝土表面出浆为止，刮除多余的混凝土，并用抹刀抹平。 b . 采用人工插捣成型：当采用人工插捣时，混凝土拌合物应分二层装入试模，每层装料厚度大致相等。插捣应按螺旋方向从边缘向中心均匀进行，插捣底层时，捣棒应达到试模表面，插捣上层时，捣棒应穿入下层深度为20~30 mm，插捣时捣棒应保持垂直，不得倾斜。同时，还应用抹刀沿试模内壁插入数次。每层的插捣次数应根据试件的截面而定，一般每100 cm2截面积不应少于12次，插捣完后，刮除多余的混凝土，并用抹刀抹平。
3.试件养护 (1) 养护方法 根据试验目的不同，试件可用标准养护或与构件同条件养护。 a. 确定混凝土特征值、强度等级或进行材料性能研究时应采用标准养护；检验现浇混凝土工程或预制构件中混凝土强度时，试件应采用同条件养护。 b. 试件一般养护龄期为28天（由成型时算起）进行试验。但也可以按要求（如需确定拆模、起吊、施加预应力或承受施工荷载等时的力学性能）养护到所需的龄期。
(2)养护条件 a. 标准养护的试件：采用标准养护的试件成型后应覆盖表面，以防止水分蒸发，并应在温度为20±5℃情况下静置一昼夜，然后编号拆模。拆模后的试件应立即放在温度为20±3℃，湿度为90 %以上的标准养护室中养护。在标准养护室内试件放在架上，彼此间隔为10~20 mm，并应避免用水直接冲淋试件（ 当无标准养护室时，混凝土试件可在温度为20±3℃的不流动水中养护。水的pH值不应小于7 ）。 b. 同条件养护的试体：采用同条件养护的试体成型后应覆盖表面。试件的拆模时间可与实际构件的拆模时间相同，拆模后，试件仍需保持同条件养护。
五．试验步骤 试件从养护地点取出后，应尽快进行试验，以免试件内部的温湿度发生显著变化。试验步骤如下： 1． 先将试件擦拭干净，测量尺寸，并检查其外观。试件尺寸测量精确至1 mm，并据此计算试件的承压面积。 2． 将试件安放在试验机的下压板上，试件的承压面与成型时的顶面垂直。试件的中心应与试验机下压板中心对准。开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，使接触均衡。当试件接近破坏而开始迅速变形时，停止调整试验机油门，直至试件破坏，然后记录破坏荷载。
六．结果处理与评定 混凝土立方体试件的轴心抗压强度按（42-3）式计算，精确至0.1 Mpa. 式中： R — 混凝土立方体试件抗压强度（Mpa）; F — 破坏荷载（KN）; A— 试件承压面积（m2）。 以三个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15 %时，则把最大及最小值一并舍除，取中间值作为该组试件的抗压强度值。如有两个测值与中间值的差均超过中间值的15 %，则该组试件的试验结果无效。 取150 mm×150 mm×150 mm试件的抗压强度为标准值，用其它尺寸试件测得的强度值均应乘以尺寸换算系数.
Ⅲ. 玻璃机械强度的测定 一．目的意义 玻璃是一种脆性材料，测定其能承受多大的外力而不破裂，可以预测玻璃的某种性能，分析玻璃内部存在缺陷的程度，为改进、提高玻璃制品的质量，开发玻璃新品种提供依据。在实际使用玻璃材料时，在应用设计时应考虑外部作用力远小于机械强度的测定值，以确保人的安全或财物的安全。 测定玻璃强度的负荷形式，一般用弯曲、拉伸或压缩。本实验的目的： 1. 学习玻璃强度的弯曲、压缩测试方法； 2. 分析影响玻璃强度测试结果的各种因素。
Ⅲ. 玻璃机械强度的测定 ㈠: 玻璃抗弯强度的测定 ㈡: 玻璃抗压强度的测定
㈠: 玻璃抗弯强度的测定 ① 实验原理 在测定玻璃强度的方法中，最容易进行分析的是两种方法，即将试样的张力负荷或压力负荷不断增加至试样断裂。将断裂时的负荷除以试样的横截面积就可得出抗张强度或抗压强度。但是，在做张力试验时，试样的两端不易夹紧，所以常常用抗弯（抗折）强度测定来代替。 普通无机玻璃具有由共价键构成的三维网状结构，所以玻璃在常温下是比较稳定的，具有较高硬度的材料。
然而，玻璃中还有一部分离子键，离子键与共价键的结合使玻璃呈现脆性。此外，在玻璃制造过程中，难免与固体接触而在表面产生微裂纹。在外部张应力的作用下，应力会在这些微裂纹的前端集中，使微裂纹成长、扩展而使玻璃断裂。所以，在大的张应力作用下，玻璃几乎不出现塑性变形，而是呈现脆性的特征。因此，玻璃的抗张强度较低。玻璃的面积或直径越大，微裂纹存在的几率就越大，玻璃的强度就越低。然而，玻璃中还有一部分离子键，离子键与共价键的结合使玻璃呈现脆性。此外，在玻璃制造过程中，难免与固体接触而在表面产生微裂纹。在外部张应力的作用下，应力会在这些微裂纹的前端集中，使微裂纹成长、扩展而使玻璃断裂。所以，在大的张应力作用下，玻璃几乎不出现塑性变形，而是呈现脆性的特征。因此，玻璃的抗张强度较低。玻璃的面积或直径越大，微裂纹存在的几率就越大，玻璃的强度就越低。 玻璃断裂之后，在玻璃的断面可以看到一个光滑面（镜面），这是玻璃断裂的起点。当断裂面以较大的速度扩大时，表面就变得粗糙了，研究玻璃的断裂面，可以解释玻璃的断裂机理、推断玻璃的断裂状况。 图42—13 平板玻璃断面上光滑面、细纹、粗纹及断裂交叉面区
玻璃的抗弯强度可采用简支梁法进行测定。按照定义，材料的抗弯强度应指纯弯曲下的强度。但是，如果使用“三点式”对厚度较小的平板玻璃试样进行测量（如图42- 14（a）所示），就会存在剪应力而影响试验结果。为了解决这个问题，可采用“四点式”（如图42-14（b）所示）进行测量。用这种方法测定时，试样受力的中间部分为纯弯曲，无剪力的影响。
采用“四点式”时，将平板试样放在两支点上，以“二点载荷”方式在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破裂。在这种情况下，玻璃的抗弯强度按如下公式计算： Sp = L P / b h 2（42—4） 式中 Sp —— 平板玻璃试样的弯曲强度，Mpa； L —— 力矩臂或相邻支点和负荷边缘之间的距离，mm； P —— 作用于试体的破坏荷重，N ； b —— 试样宽度，mm； h —— 试样厚度(高度)，mm；
